Tailoring Carbon Nanotubes Properties for Gene Delivery Applications

Abstract

La teràpia gènica s’està convertit en una tècnica innovadora per tal de curar una malaltia mitjançant la inserció de gens dins les cèl•lules i òrgans d’un individu. El repte recau en l’alliberació eficient I segura de l’àcid nucleic terapèutic a les cèl•lules i òrgans objectiu. De tots els vectors sintètics desenvolupats recentment, els nanotubs de carboni són una elecció interessant que ja ha demostrat prometre considerablement com a sistema alliberació, gràcies a la seva proporció amplada-alçada i la seva capacitat de traspassar la membrana cel•lular. El problema que sorgeix és la seva limitada solubilització i l’agregació espontània in vivo. Amb l’objectiu de desenvolupar nous dissenys basats en nanotubs de carboni per a la formació de complexos capaços de transfectar ADN a les cèl•lules, amb un a bon registre de biocompatibilitat i viabilitat cel•lular, s’han desenvolupat diferents estratègies. En primer lloc, s’ha optimitzat la funcionalització covalent dels nanotubs per mitjà de tècniques de plasma. Aquest tipus de modificació permet aconseguir tan superfícies altament reactives capaces d’unir ADN a través d’una molècula enllaçant, com superfícies carregades positivament que permeten l’envolcall de l’àcid nucleic per interacció electrostàtica. En segon lloc, s’ha avaluat la dispersió de nanotubs de diferents mides per mitjà d’un agent estabilitzant incloent un surfactant, un polímer amfifílic i proteïnes. Aquesta naturalesa química de la superfície del nanotub, juntament amb altres propietats físiques com ara l’allargada o el diàmetre, té un efecte directe en la dispersibilitat, citotoxicitat i biodistribució d’aquest sistemes. L’ús de proteïnes per functionalitzar nanopartícules és encoratjador ja que forma la corona de proteïna a la seva superfície. Tals conjugats mostren una elevada capacitat de carregar ADN i permeten la regulació de la seva alliberació mitjançant la manipulació de la composició de la corona.

La terapia génica se está convirtiendo en una técnica innovadora para curar enfermedades mediante la inserción de genes dentro de las células y órganos de un individuo. El reto recae en la liberación eficiente y segura de un acido nucleico terapéutico a los órganos objectivo. De todos los vectores sintéticos desarrollados recientemente, los nanotubos de carbono son una elección interesante que ya ha demostrado prometer considerablemente como sistema de liberación gracias a su proporción anchura-altura y su capacidad de traspasar la membrana celular. El problema que surge es su limitada solubilización i la agregación espontanea in vivo. Con el objetivo de desarrollar nuevos diseños basados en nanotubos de carbono para la formación de complejos capaces te transfectar ADN a las células, con un buen registro de biocompatibilidad y viabilidad celular, se han desarrollado diferentes estrategias. En primer lugar, se ha optimizado la funcionalización covalente de los nanotubos por medio de técnicas de plasma. Este tipo de modificación permite conseguir tanto superficies altamente reactivas capaces de unir ADN a traves de una molécula enlazante, como cargadas positivamente que permiten el envoltorio del acido nucleico por interacción electrostática. En segundo lugar, se han evaluado la dispersión de nanotubos de medidas diferentes por mediado de un agente estabilizante que incluye un surfactante un polímero amfifílico y proteínas. Esta naturaleza química de la superficie del nanotubo, junto con otras propiedades físicas como su longitud o diámetro, tiene un efecto directo en la dispersibilidad, citotoxicidad y biodistribución de estos sitemas. El uso de proteínas para funcionalizar nanopartículas es alentador ya que forma la corona de proteínas en su superficie. Dichos compuestos muestran una elevada capacidad de cargar ADN y permiten la regulación de su liberación mediante la manipulación de la composición de la corona.

Gene therapy has become an increasing innovative technique to treat disease by the insertion of genes into individual’s cells and tissues. The challenge is to efficiently and safely deliver the therapeutic nucleic acid into the target cells and organs. Among the synthetic vectors recently developed, carbon nanotubes are an interesting choice as they have already demonstrated considerable promise as delivery systems due to their high aspect ratio and their capacity to translocate the cell membrane. The problem that arises is their limited solubilization and spontaneous aggregation in vivo. Aiming to engineer new carbon nanotube-based designs for the formation of complexes able to transfect DNA/RNA to cells with a good track of biocompatibility and cell viability, different strategies have been developed. Firstly, the covalent functionalization of carbon nanotubes by plasma techniques has been optimized. This type of modification allows to either achieving highly reactive surfaces able to covalently bind DNA towards a chemical linker or a positively charged nanotube surface enabling the wrapping of the nucleic acid by electrostatic interaction. Secondly, the dispersion of the differently-sized carbon nanotubes by means of a stabilizing agent including a surfactant, an amphiphilic polymer and proteins has been assessed. The chemical nature of the modifying moieties on the carbon nanotube, alongside to other physical properties such as length or diameter, has a direct effect on the dispersibility, cytotoxicity and biodistribution of these systems. The use of proteins in the nanoparticle functionalization is encouraging due to the formation of the protein corona on its surface. Such complex exhibits high DNA load capacities and allows a tunable payload release by manipulating the corona composition