Challenges associated with penetration of nanoparticles across cell and tissue barriers: A review of current status and future prospects
Source abstract
Abstract
Nanoparticles (NPs) have emerged as an effective modality for the treatment of various diseases including cancer, cardiovascular and inflammatory diseases. Various forms of NPs including liposomes, polymer particles, micelles, dendrimers, quantum dots, gold NPs and carbon nanotubes have been synthesized and tested for therapeutic applications. One of the greatest challenges that limit the success of NPs is their ability to reach the therapeutic site at necessary doses while minimizing accumulation at undesired sites. The biodistribution of NPs is determined by body's biological barriers that manifest in several distinct ways. For intravascular delivery of NPs, the barrier manifests in the form of: (i) immune clearance in the liver and spleen, (ii) permeation across the endothelium into target tissues, (iii) penetration through the tissue interstitium, (iv) endocytosis in target cells, (v) diffusion through cytoplasm and (vi) eventually entry into the nucleus, if required. Certain applications of NPs also rely on delivery through alternate routes including skin and mucosal membranes of the nose, lungs, intestine and vagina. In these cases, the diffusive resistance of these tissues poses a significant barrier to delivery. This review focuses on the current understanding of penetration of NPs through biological barriers. Emphasis is placed on transport barriers and not immunological barriers. The review also discusses design strategies for overcoming the barrier properties.
Source: europepmc · Quality: candidate unverified · Source record ↗
Research context
OpenAlex topics: Nanoparticle-Based Drug Delivery · RNA Interference and Gene Delivery · Advanced Drug Delivery Systems
SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.
References (100+)
Show source-provided references
1. Yoo · Curr. Pharm. Des. · 2010 · 16 · 229810.2174/138161210791920496 ↗
2. Galley · Br. J. Anaesth. · 2004 · 93 · 10510.1093/bja/aeh163 ↗
3. Jain · Cancer Res. · 1987 · 47 · 3039
4. Jain · Cancer Res. · 1988 · 48 · 7022
5. Rakesh · Nat. Rev. Clin. Oncol. · 2010 · 7 · 65310.1038/nrclinonc.2010.139 ↗
6. Netti · Cancer Res. · 2000 · 60 · 2497
7. Bareford · Adv. Drug Deliv. Rev. · 2007 · 59 · 74810.1016/j.addr.2007.06.008 ↗
8. Macara · Microbiol. Mol. Biol. Rev. · 2001 · 65 · 57010.1128/MMBR.65.4.570-594.2001 ↗
9. Working · J. Liposome Res. · 1994 · 4 · 66710.3109/08982109409037065 ↗
10. Mark · Nature · 2010 · 464 · 106710.1038/nature08956 ↗
11. Gordon · J. Clin. Oncol. · 2001 · 19 · 331210.1200/JCO.2001.19.14.3312 ↗
12. Seymour · Int. J. Oncol. · 2009 · 34 · 162910.3892/ijo_00000293 ↗
13. Ying-Chen · Int. J. Nanomed. · 2012 · 7
14. Nugent · 2013
15. Amoozgar · Wiley Interdiscip. Rev. Nanomed. Nanobiotechnol. · 2012 · 4 · 21910.1002/wnan.1157 ↗
16. Dobrovolskaia · Mol. Pharmacol. · 2008 · 5 · 48710.1021/mp800032f ↗
17. Félétou · 2011
18. Aird · Circ. Res. · 2007 · 100 · 15810.1161/01.RES.0000255691.76142.4a ↗
19. Wong · Front. Neuroeng. · 2013 · 610.3389/fneng.2013.00007 ↗
20. Stan · 2006 · 251
21. Nies · Cancer Lett. · 2007 · 254 · 1110.1016/j.canlet.2006.12.023 ↗
22. Dean · Genome Res. · 2001 · 11 · 115610.1101/gr.GR-1649R ↗
23. Hobbs · Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. · 1998 · 95 · 460710.1073/pnas.95.8.4607 ↗
24. Hashizume · Am. J. Pathol. · 2000 · 156 · 136310.1016/S0002-9440(10)65006-7 ↗
25. Rowinsky · N. Engl. J. Med. · 1995 · 332 · 100410.1056/NEJM199504133321507 ↗
26. Ringel · J. Natl. Cancer Inst. · 1991 · 83 · 28810.1093/jnci/83.4.288 ↗
27. Gradishar · J. Clin. Oncol. · 2005 · 23 · 779410.1200/JCO.2005.04.937 ↗
28. Paz-Ares · Br. J. Cancer · 2008 · 98 · 160810.1038/sj.bjc.6604372 ↗
29. Christopeit · Chemotherapy · 2008 · 54 · 30910.1159/000151352 ↗
30. Yuan · Cancer Res. · 1995 · 55 · 3752
31. Gabizon · Cancer Res. · 1994 · 54 · 987
32. Symon · Cancer · 1999 · 86 · 7210.1002/(SICI)1097-0142(19990701)86:1<72::AID-CNCR12>3.0.CO;2-1 ↗
33. Ruth · Nat. Rev. Cancer · 2006 · 6 · 68810.1038/nrc1958 ↗
34. Moulton · Circulation · 2004 · 110 · 133010.1161/01.CIR.0000140720.79015.3C ↗
35. Bazzoni · Trends Cardiovasc. Med. · 1999 · 9 · 14710.1016/S1050-1738(99)00022-5 ↗
36. Fuster · Circulation · 1994 · 90 · 212610.1161/01.CIR.90.4.2126 ↗
37. Joner · Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. · 2008 · 28 · 196010.1161/ATVBAHA.108.170662 ↗
38. Song · J. Controlled Release · 1998 · 54 · 20110.1016/S0168-3659(98)00016-9 ↗
39. Ikuta · Bioorg. Med. Chem. · 2008 · 16 · 281110.1016/j.bmc.2008.01.006 ↗
40. Uwatoku · Circ. Res. · 2003 · 92 · e6210.1161/01.RES.0000069021.56380.E2 ↗
41. Akagi · Gene Ther. · 2007 · 14 · 102910.1038/sj.gt.3302945 ↗
42. Chan · Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. · 2010 · 107 · 221310.1073/pnas.0914585107 ↗
43. Mulder · Magn. Reson. Med. · 2006 · 55 · 117010.1002/mrm.20883 ↗
44. Sirol · Circulation · 2004 · 109 · 289010.1161/01.CIR.0000129310.17277.E7 ↗
45. Amirbekian · Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. · 2007 · 104 · 96110.1073/pnas.0606281104 ↗
46. McCarthy · Small · 2010 · 6 · 204110.1002/smll.201000596 ↗
47. Cormode · Nano Lett. · 2008 · 8 · 371510.1021/nl801958b ↗
48. Skajaa · Nano Lett. · 2010 · 10 · 513110.1021/nl1037903 ↗
49. Hrkach · Sci. Transl. Med. · 2012 · 4 · 128ra3910.1126/scitranslmed.3003651 ↗
50. Chang · Clin. Cancer Res. · 1999 · 5 · 2674
51. Vivek Mishra · J. Drug Target. · 2006 · 14 · 4510.1080/10611860600612953 ↗
52. Davis · Mol. Pharmacol. · 2009 · 6 · 65910.1021/mp900015y ↗
53. Choi · Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. · 2010 · 107 · 123510.1073/pnas.0914140107 ↗
54. Winter · JACC Cardiovasc. Imaging · 2008 · 1 · 62410.1016/j.jcmg.2008.06.003 ↗
55. Simone · Cell Tissue Res. · 2009 · 335 · 28310.1007/s00441-008-0676-7 ↗
56. Pardridge · Adv. Drug Deliv. Rev. · 1995 · 15 · 510.1016/0169-409X(95)00003-P ↗
57. Begley · Pharmacol. Ther. · 2004 · 104 · 2910.1016/j.pharmthera.2004.08.001 ↗
58. Aktaş · Bioconjugate Chem. · 2005 · 16 · 150310.1021/bc050217o ↗
59. Lee · J. Pharmacol. Exp. Ther. · 2000 · 292 · 104810.1016/S0022-3565(24)35388-1 ↗
60. Gaillard · Expert Opin. Drug Deliv. · 2005 · 2 · 29910.1517/17425247.2.2.299 ↗
61. Boado · Biotechnol. Bioeng. · 2007 · 96 · 38110.1002/bit.21120 ↗
62. Ulbrich · J. Drug Target. · 2011 · 19 · 12510.3109/10611861003734001 ↗
63. Schröder · Brain Res. · 1996 · 710 · 12110.1016/0006-8993(95)01375-X ↗
64. Gulyaev · Pharm. Res. · 1999 · 16 · 156410.1023/A:1018983904537 ↗
65. Ambruosi · J. Drug Target. · 2006 · 14 · 9710.1080/10611860600636135 ↗
66. Alyautdin · Pharm. Res. · 1997 · 14 · 32510.1023/A:1012098005098 ↗
67. Wong · Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. · 2011 · 108 · 242610.1073/pnas.1018382108 ↗
68. Goodman · Int. J. Nanomed. · 2007 · 2 · 26510.2217/17435889.2.3.265 ↗
69. Champion · Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. · 2007 · 104 · 1190110.1073/pnas.0705326104 ↗
70. Agarwal · ACS Nano · 2012 · 6 · 252410.1021/nn2049152 ↗
71. Gratton · Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. · 2008 · 105 · 1161310.1073/pnas.0801763105 ↗
72. Perry · Nano Lett. · 2012 · 12 · 530410.1021/nl302638g ↗
73. Adriani · Biomaterials · 2012 · 33 · 550410.1016/j.biomaterials.2012.04.027 ↗
74. Godin · Adv. Funct. Mater. · 2012 · 22 · 422510.1002/adfm.201200869 ↗
75. Barua · ACS Nano · 2013 · 7 · 955810.1021/nn403913k ↗
76. Barua · Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. · 2013 · 110 · 327010.1073/pnas.1216893110 ↗
77. Kolhar · Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. · 2013 · 110 · 1075310.1073/pnas.1308345110 ↗
78. Huang · Biomaterials · 2010 · 31 · 43810.1016/j.biomaterials.2009.09.060 ↗
79. Champion · Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. · 2006 · 103 · 493010.1073/pnas.0600997103 ↗
80. Yan · Nat. Nanotechnol. · 2007 · 2 · 24910.1038/nnano.2007.70 ↗
81. Yu · J. Controlled Release · 2012 · 163 · 4610.1016/j.jconrel.2012.05.046 ↗
82. Decuzzi · J. Controlled Release · 2010 · 141 · 32010.1016/j.jconrel.2009.10.014 ↗
83. Godin · Adv. Funct. Mater. · 2012 · 22 · 418610.1002/adfm.201290121 ↗
84. Gentile · J. Biomech. · 2008 · 41 · 231210.1016/j.jbiomech.2008.03.021 ↗
85. Decuzzi · Biomaterials · 2006 · 27 · 530710.1016/j.biomaterials.2006.05.024 ↗
86. Grainger · Mol. Pharmacol. · 2010 · 7 · 200610.1021/mp100280b ↗
87. Watson · Cancer Res. · 2012 · 72 · 148510.1158/0008-5472.CAN-11-3232 ↗
88. Caitlin · Mol. Ther. · 2014 · 22 · 32110.1038/mt.2013.259 ↗
89. Wei · PLoS ONE · 2013 · 8 · e5813310.1371/journal.pone.0058133 ↗
90. Liu · Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. · 2010 · 107 · 1520510.1073/pnas.1003388107 ↗
91. Fan · Biomaterials · 2013 · 34 · 370610.1016/j.biomaterials.2013.01.099 ↗
92. Etame · Nanomed. Nanotechnol. Biol. Med. · 2012 · 8 · 113310.1016/j.nano.2012.02.003 ↗
93. Alessandro · Nat. Nanotechnol. · 2012 · 8 · 6110.1038/nnano.2012.212 ↗
94. Chambers · J. Controlled Release · 2004 · 100 · 11110.1016/j.jconrel.2004.08.005 ↗
95. Anselmo · ACS Nano · 2013 · 7 · 1112910.1021/nn404853z ↗
96. Doshi · Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. · 2009 · 106 · 2149510.1073/pnas.0907127106 ↗
97. Merkel · Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. · 2011 · 108 · 58610.1073/pnas.1010013108 ↗
98. Kennedy · Nanoscale Res. Lett. · 2011 · 6 · 110.1186/1556-276X-6-283 ↗
99. Matthias · Nat. Med. · 2010 · 16 · 103510.1038/nm.2198 ↗
100. Kolácná · Physiol. Res. · 2007 · 56 · S5110.33549/physiolres.931302 ↗