Drug induced micellization into ultra-high capacity and stable curcumin nanoformulations: Physico-chemical characterization and evaluation in 2D and 3D in vitro models

Curcumin (CUR)is a natural extract from the plant Curcuma longa and part of turmeric, a spice and herbal remedy in traditional medicine. Thousands of papers claim a plethora of health benefits by CUR, but a growing number of reports and contributions caution that many experimental data may be artifacts or outright deny any suitability of CUR due to its problematic physicochemical properties. Two major issues often encountered with CUR are its extraordinarily low solubility in water and its limited chemical stability. Here, we report on a novel nanoformulation of CUR that enables CUR concentrations in water of at least 50 g/L with relative drug loadings of >50 wt% and high dose efficacy testing in 3D tumor models. Despite this high loading and concentration, the CUR nanoformulation comprises polymer-drug aggregates with a size <50 nm. Most interestingly, this is achieved using an amphiphilic block copolymer, that by itself does not form micelles due to its limited hydrophilic/lipophilic contrast. The ultra-high loaded nanoformulations exhibit a very good stability, reproducibility and redispersibility. In order to test effects of CUR in conditions closer to an in vivo situation, we utilized a 3D tumor test system based on a biological decellularized tissue matrix that better correlates to clinical results concerning drug testing. We found that in comparison to 2D culture, the invasively growing breast cancer cell line MDA-MB-231 requires high concentrations of CUR for tumor cell eradication in 3D. In addition, we supplemented a 3D colorectal cancer model of the malignant cell line SW480 with fibroblasts and observed also in this invasive tumor model with stroma components a decreased tumor cell growth after CUR application accompanied by a loss of cell-cell contacts within tumor cell clusters. In a flow bioreactor simulating cancer cell dissemination, nanoformulated CUR prevented SW480 cells from adhering to a collagen scaffold, suggesting an anti-metastatic potential of CUR. This offers a rationale that the presented ultra-high CUR-loaded nanoformulation may be considered a tool to harness the full therapeutic potential of CUR.

Curcumin (CUR) ist ein natürlicher Extrakt aus der Pflanze Curcuma longa und Teil von Kurkuma, einem Gewürz- und Kräuterhilfsmittel in der traditionellen Medizin. Tausende von Veröffentlichungen behaupten, dass eine Vielzahl von gesundheitlichen Vorteilen von CUR vorhanden sei, aber eine wachsende Anzahl von Berichten und Beiträgen warnen davor, dass viele experimentelle Daten Artefakte sein könnten oder jegliche Eignung von CUR aufgrund seiner problematischen physikochemischen Eigenschaften bestreiten. Zwei Hauptprobleme, mit denen CUR häufig konfrontiert wird, sind die außerordentlich geringe Wasserlöslichkeit und die begrenzte chemische Stabilität. Hier berichten wir über eine neuartige CUR-Nanoformulierung, die CUR-Konzentrationen in Wasser von mindestens 50 g / l mit relativen Wirkstoffbeladungen von> 50 Gew .-% und hohe Wirksamkeitstests in 3D-Tumormodellen ermöglicht. Trotz dieser hohen Beladung und Konzentration enthält die CUR-Nanoformulierung Polymer-Wirkstoff-Aggregate mit einer Größe <50 nm. Am interessantesten wird dies unter Verwendung eines amphiphilen Blockcopolymers erreicht, das aufgrund seines begrenzten hydrophilen / lipophilen Kontrasts selbst keine Mizellen bildet. Die ultrahochbeladenen Nanoformulierungen zeigen eine sehr gute Stabilität, Reproduzierbarkeit und Redispergierbarkeit. Um die Auswirkungen von CUR unter Bedingungen zu testen, die einer in vivo-Situation näher kommen, haben wir ein 3D-Tumortestsystem verwendet, das auf einer biologisch dezellularisierten Gewebematrix basiert, die besser mit den klinischen Ergebnissen in Bezug auf Medikamententests korreliert. Wir fanden heraus, dass die invasiv wachsende Brustkrebszelllinie MDA-MB-231 im Vergleich zur 2D-Kultur hohe CUR-Konzentrationen für die Tumorzell-Eradikation in 3D erfordert. Darüber hinaus ergänzten wir ein 3D-Darmkrebsmodell der malignen Zelllinie SW480 mit Fibroblasten und beobachteten auch in diesem invasiven Tumormodell mit Stromakomponenten eine Abnahme des Tumorzellwachstums nach CUR-Applikation, die mit einem Verlust von Zell-Zell-Kontakten in Tumorzellclustern einherging . In einem Fließbioreaktor, der die Verbreitung von Krebszellen simuliert, verhinderten nanoformulierte CUR, dass SW480-Zellen an einem Kollagengerüst haften, was auf ein antimetastatisches Potenzial von CUR schließen lässt. Dies bietet einen Grund dafür, dass die vorgestellte ultrahohe CUR-beladene Nanoformulierung als Werkzeug zur Ausschöpfung des gesamten therapeutischen Potenzials von CUR betrachtet werden kann.