Engineering platelet-mimicking drug delivery vehicles

Abstract

Platelets dynamically participate in various physiological processes, including wound repair, bacterial clearance, immune response, and tumor metastasis. Recreating the specific biological features of platelets by mimicking the structure of the platelet or translocating the platelet membrane to synthetic particles holds great promise in disease treatment. This review highlights recent advancements made in the platelet-mimicking strategies. The future opportunities and translational challenges are also discussed.

Key words： drug delivery; platelets; nanomedicine; bio-inspired; biomimetic

Acknowledgements

This work was supported by the grants from NC TraCS, NIH’s Clinical and Translational Science Awards (CTSA, NIH grant 1UL1TR001111) at UNC-CH, Sloan Fellowship Award from the Alfred P. Sloan Foundation, and the startup package from the Joint Biomedical Engineering Department of the UNC-CH and NC State University.

References

1 Rondina M T, Weyrich A S, Zimmerman G A. Platelets as cellular effectors of inflammation in vascular diseases. Circulation Research, 2013, 112(11): 1506–1519

2 Moers A, Nieswandt B, Massberg S, Wettschureck N, Grüner S, Konrad I, Schulte V, Aktas B, Gratacap M P, Simon M I, Gawaz M, Offermanns S. G13 is an essential mediator of platelet activation in hemostasis and thrombosis. Nature Medicine, 2003, 9(11): 1418–1422

3 Semple J W, Italiano J E, Freedman J. Platelets and the immune continuum. Nature Reviews. Immunology, 2011, 11(4): 264–274

4 Davì G, Patrono C. Platelet activation and atherothrombosis. New England Journal of Medicine, 2007, 357(24): 2482–2494

5 Gay L J, Felding-Habermann B. Contribution of platelets to tumour metastasis. Nature Reviews. Cancer, 2011, 11(2): 123–134

6 Karpatkin S, Pearlstein E, Ambrogio C, Coller B. Role of adhesive proteins in platelet tumor interaction in vitro and metastasis formation in vivo. Journal of Clinical Investigation, 1988, 81(4): 1012–1019

7 Borsig L, Wong R, Feramisco J, Nadeau D R, Varki N M, Varki A. Heparin and cancer revisited: Mechanistic connections involving platelets, P-selectin, carcinoma mucins, and tumor metastasis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2001, 98(6): 3352–3357

8 Jurasz P, Alonso-Escolano D, Radomski M W. Platelet-cancer interactions: Mechanisms and pharmacology of tumour cell—induced platelet aggregation. British Journal of Pharmacology, 2004, 143(7): 819–826

9 Borsig L. The role of platelet activation in tumor metastasis. Expert Review of Anticancer Therapy, 2008, 8(8): 1247–1255

10 Farokhzad O C, Langer R. Impact of nanotechnology on drug delivery. ACS Nano, 2009, 3(1): 16–20

11 Farokhzad O C, Langer R. Nanomedicine: Developing smarter therapeutic and diagnostic modalities. Advanced Drug Delivery Reviews, 2006, 58(14): 1456–1459

12 Langer R. Drug delivery and targeting. Nature, 1998, 392(6679 Suppl): 5–10

13 Peer D, Karp J M, Hong S, Farokhzad O C, Margalit R, Langer R. Nanocarriers as an emerging platform for cancer therapy. Nature Nanotechnology, 2007, 2(12): 751–760

14 Shi J, Votruba A R, Farokhzad O C, Langer R. Nanotechnology in drug delivery and tissue engineering: From discovery to applications. Nano Letters, 2010, 10(9): 3223–3230

15 Wilhelm S, Tavares A J, Dai Q, Ohta S, Audet J, Dvorak H F, Chan W C. Analysis of nanoparticle delivery to tumours. Nature Reviews Materials, 2016, 1(5): 16014

16 Mitragotri S, Anderson D G, Chen X, Chow E K, Ho D, Kabanov A V, Karp J M, Kataoka K, Mirkin C A, Petrosko S H, Shi J, Stevens M M, Sun S, Teoh S, Venkatraman S S, Xia Y, Wang S, Gu Z, Xu C. Accelerating the translation of nanomaterials in biomedicine. ACS Nano, 2015, 9(7): 6644–6654

17 Ikoba U, Peng H, Li H, Miller C, Yu C, Wang Q. Nanocarriers in therapy of infectious and inflammatory diseases. Nanoscale, 2015, 7(10): 4291–4305

18 Peng H, Liu X, Wang G, Li M, Bratlie K M, Cochran E, Wang Q. Polymeric multifunctional nanomaterials for theranostics. Journal of Materials Chemistry. B, Materials for Biology and Medicine, 2015, 3(34): 6856–6870

19 Nguyen T X, Huang L, Gauthier M, Yang G, Wang Q. Recent advances in liposome surface modification for oral drug delivery. Nanomedicine (London), 2016, 11(9): 1169–1185

20 Weber C, Fraemohs L, Dejana E. The role of junctional adhesion molecules in vascular inflammation. Nature Reviews. Immunology, 2007, 7(6): 467–477

21 Nesbitt W S, Westein E, Tovar-Lopez F J, Tolouei E, Mitchell A, Fu J, Carberry J, Fouras A, Jackson S P. A shear gradient-dependent platelet aggregation mechanism drives thrombus formation. Nature Medicine, 2009, 15(6): 665–673

22 Nandi S, Brown A C. Platelet-mimetic strategies for modulating the wound environment and inflammatory responses. Experimental Biology and Medicine (Maywood, N.J.), 2016, 241(10): 1138–1148

23 Woulfe D. Review articles: Platelet G protein—coupled receptors in hemostasis and thrombosis. Journal of Thrombosis and Haemostasis, 2005, 3(10): 2193–2200

24 Kuwahara M, Sugimoto M, Tsuji S, Matsui H, Mizuno T, Miyata S, Yoshioka A. Platelet shape changes and adhesion under high shear flow. Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology, 2002, 22(2): 329–334

25 Frojmovic M M, Milton J G. Human platelet size, shape, and related functions in health and disease. Physiological Reviews, 1982, 62(1): 185–261

26 Kamath S, Blann A, Lip G. Platelet activation: Assessment and quantification. European Heart Journal, 2001, 22(17): 1561–1571

27 Jackson S P. The growing complexity of platelet aggregation. Blood, 2007, 109(12): 5087–5095

28 Borsig L. The role of platelet activation in tumor metastasis. Expert Review of Anticancer Therapy, 2008, 8(8): 1247–1255

29 Liu X, Zhang F, Wang Q, Gao J, Meng J, Wang S, Yang Z, Jiang L. Platelet-inspired multiscaled cytophilic interfaces with high specificity and efficiency toward point-of-care cancer diagnosis. Small, 2014, 10(22): 4677–4683

30 Gires O, Klein C A, Baeuerle P A. On the abundance of EpCAM on cancer stem cells. Nature Reviews. Cancer, 2009, 9(2): 143–143

31 Baeuerle P, Gires O. EpCAM (CD326) finding its role in cancer. British Journal of Cancer, 2007, 96(3): 417–423

32 Sarkar S, Alam M A, Shaw J, Dasgupta A K. Drug delivery using platelet cancer cell interaction. Pharmaceutical Research, 2013, 30(11): 2785–2794

33 Brown A C, Stabenfeldt S E, Ahn B, Hannan R T, Dhada K S, Herman E S, Stefanelli V, Guzzetta N, Alexeev A, Lam W A, Lyon L A, Barker T H. Ultrasoft microgels displaying emergent platelet-like behaviours. Nature Materials, 2014, 13(12): 1108–1114

34 Doshi N, Orje J N, Molins B, Smith J W, Mitragotri S, Ruggeri Z M. Platelet mimetic particles for targeting thrombi in flowing blood. Advanced Materials, 2012, 24(28): 3864–3869

35 Anselmo A C, Modery-Pawlowski C L, Menegatti S, Kumar S, Vogus D R, Tian L L, Chen M, Squires T M, Sen Gupta A, Mitragotri S. Platelet-like nanoparticles: Mimicking shape, flexibility, and surface biology of platelets to target vascular injuries. ACS Nano, 2014, 8(11): 11243–11253

36 Gao W, Zhang L. Coating nanoparticles with cell membranes for targeted drug delivery. Journal of Drug Targeting, 2015, 23(7-8): 619–626

37 Luk B T, Zhang L. Cell membrane-camouflaged nanoparticles for drug delivery. Journal of Controlled Release, 2015, 220: 600–607

38 Wang Q, Cheng H, Peng H, Zhou H, Li P Y, Langer R. Non-genetic engineering of cells for drug delivery and cell-based therapy. Advanced Drug Delivery Reviews, 2015, 91: 125–140

39 Fang R H, Hu C M J, Luk B T, Gao W, Copp J A, Tai Y, O’Connor D E, Zhang L. Cancer cell membrane-coated nanoparticles for anticancer vaccination and drug delivery. Nano Letters, 2014, 14(4): 2181–2188

40 Hu C M J, Fang R H, Copp J, Luk B T, Zhang L. A biomimetic nanosponge that absorbs pore-forming toxins. Nature Nanotechnology, 2013, 8(5): 336–340

41 Hu C M J, Fang R H, Luk B T, Zhang L. Nanoparticle-detained toxins for safe and effective vaccination. Nature Nanotechnology, 2013, 8(12): 933–938

42 Hu C M J, Zhang L, Aryal S, Cheung C, Fang R H, Zhang L. Erythrocyte membrane-camouflaged polymeric nanoparticles as a biomimetic delivery platform. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2011, 108(27): 10980–10985

43 Parodi A, Quattrocchi N, van de Ven A L, Chiappini C, Evangelopoulos M, Martinez J O, Brown B S, Khaled S Z, Yazdi I K, Enzo M V. Biomimetic functionalization with leukocyte membranes imparts cell like functions to synthetic particles. Nature Nanotechnology, 2013, 8(1): 61–68

44 Fan Z, Zhou H, Li P Y, Speer J E, Cheng H. Structural elucidation of cell membrane-derived nanoparticles using molecular probes. Journal of Materials Chemistry. B, Materials for Biology and Medicine, 2014, 2(46): 8231–8238

45 Luk B T, Hu C M J, Fang R H, Dehaini D, Carpenter C, Gao W, Zhang L. Interfacial interactions between natural RBC membranes and synthetic polymeric nanoparticles. Nanoscale, 2014, 6(5): 2730–2737

46 Li J, Sharkey C C, Wun B, Liesveld J L, King M R. Genetic engineering of platelets to neutralize circulating tumor cells. Journal of Controlled Release, 2016, 228: 38–47

47 Ponta H, Sherman L, Herrlich P A. CD44: From adhesion molecules to signalling regulators. Nature Reviews. Molecular Cell Biology, 2003, 4(1): 33–45

48 Hu Q, Sun W, Qian C, Wang C, Bomba H N, Gu Z. Anticancer platelet-mimicking nanovehicles. Advanced Materials, 2015, 27(44): 7043–7050

49 Hu Q, Sun W, Lu Y, Bomba H N, Ye Y, Jiang T, Isaacson A J, Gu Z. Tumor microenvironment-mediated construction and deconstruction of extracellular drug-delivery depots. Nano Letters, 2016, 16(2): 1118–1126

50 Hu Q, Sun W, Wang C, Gu Z. Recent advances of cocktail chemotherapy by combination drug delivery systems. Advanced Drug Delivery Reviews, 2016, 98: 19–34

51 Cohen J A, Beaudette T T, Tseng W W, Bachelder E M, Mende I, Engleman E G, Fréchet J M. T-cell activation by antigen-loaded pH-sensitive hydrogel particles in vivo: The effect of particle size. Bioconjugate Chemistry, 2008, 20(1): 111–119

52 Kwon Y J, Standley S M, Goh S L, Fréchet J M. Enhanced antigen presentation and immunostimulation of dendritic cells using acid-degradable cationic nanoparticles. Journal of Controlled Release, 2005, 105(3): 199–212

53 Li J, Ai Y, Wang L, Bu P, Sharkey C C, Wu Q, Wun B, Roy S, Shen X, King M R. Targeted drug delivery to circulating tumor cells via platelet membrane-functionalized particles. Biomaterials, 2016, 76: 52–65

54 Hu Q, Qian C, Sun W, Wang J, Chen Z, Bomba H N, Xin H, Shen Q, Gu Z. Engineered nanoplatelets for enhanced treatment of multiple myeloma and thrombus. Advanced Materials, 2016, 

55 Swami A, Reagan M R, Basto P, Mishima Y, Kamaly N, Glavey S, Zhang S, Moschetta M, Seevaratnam D, Zhang Y, Liu J, Memarzadeh M, Wu J, Manier S, Shi J, Bertrand N, Lu Z N, Nagano K, Baron R, Sacco A, Roccaro A M, Farokhzad O C, Ghobrial I M. Engineered nanomedicine for myeloma and bone microenvironment targeting. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2014, 111(28): 10287–10292

56 Hu C M J, Fang R H, Wang K C, Luk B T, Thamphiwatana S, Dehaini D, Nguyen P, Angsantikul P, Wen C H, Kroll A V, Carpenter C, Ramesh M, Qu V, Patel S H, Zhu J, Shi W, Hofman F M, Chen T C, Gao W, Zhang K, Chien S, Zhang L. Nanoparticle biointerfacing by platelet membrane cloaking. Nature, 2015, 526(7571): 118–121

57 Farokhzad O C. Nanotechnology: Platelet mimicry. Nature, 2015, 526(7571): 47–48