Synthesis of novel poly(β-aminoester)s (pBAEs) as innovative non-viral vectors for efficient nucleic acid delivery

Abstract

Gene therapy has potential therapeutic applications for the treatment of many diseases like cancer, monogenetic diseases, vascular disease, among others. Although the majority of protocols in gene therapy employ viral vectors due to their high transfection efficiency, increasing concerns about their immunological response prompts the development of safe and effective non-viral delivery systems. Poly(β-aminoester)s (pBAEs) are promising non-viral vectors due to their polyester nature results in an attractive biocompatible profile due to their high biodegradability and reduced toxicity. Here we present a novel family of pBAEs, which incorporate terminal oligopeptides, capable of condensing both DNA and siRNA into particles with nanometric size. Firstly, in vitro experiments were performed to evaluate the ability of this new pBAEs to efficient delivery both DNA and siRNA, for up- and down-regulation of a target gene, respectively. Results demonstrated that the oligopeptide incorporation at the termini of pBAEs improved transfection efficiency and biocompatibility when compared to basic pBAEs and commercially available transfection agents. Moreover, nanoparticles prepared with this new family of pBAEs showed different intracellular localization, such as perinuclear or cytoplasmatic, depending on the oligopeptide composition. In addition, specific formulation of pBAEs showed different transfection efficiency depending on the cell line, which revealed that chemical composition of the oligopeptides have a deep effect on transfection. Secondly, siRNA-pBAEs nanoparticles were succesfullly incorporated into hydrogel scaffold for local and sustained release of siRNA. Release studies demonstrated that siRNA was sustainably released due to nanoparticle stabilization within the hydrogel. Finally, in vivo results demonstrated that the local delivery system proposed here was able to silence luciferase expression, in a murine breast cancer model, over a long period of time achieving higher silencing efficiency than a commercial in vivo transfection agent.

La terapia génica presenta potenciales aplicaciones terapéuticas para el tratamiento de muchas enfermedades como el cáncer, enfermedades monogénicas, enfermedad vascular, entre otras. Aunque la mayoría de protocolos de terapia génica empleen vectores virales, debido a su alta eficacia de transfección, crecientes preocupaciones debido a su activación de respuesta inmunológica motivan al desarrollo de sistemas de transportes no virales que sean seguros y eficaces. Poli(β-aminoestere)s (pBAEs) son prometedores vectores no virales debido a que su naturaleza de poliéster resulta en un atractivo perfil de biocompatibilidad debido a su alta biodegradabilidad y baja toxicidad. Este trabajo desarrolla una nueva familia de pBAEs, los cuales presentan oligopéptidos terminales, capaces de condensar tanto ADN como siRNA en partículas de tamaño nanométrico. En primer lugar, se realizan experimentos in vitro para evaluar la habilidad de estos nuevos pBAEs para transportar eficazmente tanto DNA como siRNA, para incrementar o disminuir la regulación del gen de interés, respectivamente. Los resultados demuestran que la incorporación de oligopéptidos en las zonas terminales de pBAEs mejoran la eficacia de transfección y la biocompatibilidad, cuando se comparan con pBAEs sin modificar y agentes de transfección disponibles comercialmente. Además, las nanopartículas preparadas con esta nueva familia de pBAEs muestran diferente localización intracelular, como perinuclear o citoplasmática, dependiendo de la composición oligopeptídica. Asimismo, las formulaciones específicas de pBAEs muestran diferentes eficiencias de transfección dependiendo de la línea celular, lo que demuestra que la composición química de los oligopéptidos tiene una gran influencia en la transfección. En segundo lugar, se demuestra la capacidad de encapsular las nanopartículas preparadas con siRNA y pBAEs en un hidrogel adhesivo con la idea de lograr una liberación local y prolongado de siRNA. Los estudios de liberación realizados demuestran que el siRNA se libera de manera prolongada debido a la estabilización de las nanopartículas en el hidrogel. Finalmente, la aplicación del hidrogel dopado con nanopartículas in vivo demuestra que el sistema local de liberación propuesto en este trabajo es de silenciar la expresión de la luciferasa, en un modelo de cáncer de mama murino, durante un largo período tiempo consiguiendo mejores eficacias de silenciamiento que un agente comercial de transfección in vivo.

La teràpia gènica té potencials aplicacions terapèutiques per el tractament de moltes malalties com el càncer, malalties monogenètiques, malalties vascular, entre altres. Encara que la majoria de protocols de teràpia gènica utilitzin vectors virals, degut a la seva alta eficàcia de transfecció, creixents preocupacions per la seva activació de resposta immunològica motiven al desenvolupament de sistemes de transports no virals que siguin segurs i eficaços. Els Poli(β-aminoester)s (pBAEs) són prometedors vectors no virals ja que la seva naturalesa de polièster resulta en un atractiu perfil de biocompatibilitat per la seva alta biodegradabilitat i baixa toxicitat. Aquest treball desenvolupa una nova família de pBAEs, els quals presenten oligopèptids terminals, capaços de condensar tant ADN com siRNA en partícules de mida nanomètrica. En primer lloc, es realitzen experiments in vitro per tal d'avaluar l'habilitat d’aquests nous pBAEs per transportar eficaçment tant DNA com siRNA, per incrementar o disminuir la regulació del gen d'interès, respectivament. Els resultats demostren que la incorporació de oligopèptids a les zones terminals de pBAEs milloren l'eficàcia de transfecció i la biocompatibilitat, quan es comparen amb pBAEs sense modificar i agents de transfecció disponibles comercialment. A més, les nanopartícules preparades amb aquesta nova família de pBAEs mostren diferent localització intracel • lular, com ara perinuclear o citoplasmàtica, depenent de la composició oligopeptídica. Així mateix, les formulacions específiques de pBAEs mostren diferents eficiències de transfecció depenent de la línia cel • lular, la qual cosa demostra que la composició química dels oligopèptids té una gran influència a la transfecció. En segon lloc, es demostra la capacitat d’encapsular les nanopartícules preparades amb siRNA i pBAEs en un hidrogel adhesiu amb l’idea d’assolir un alliberament local i prolongat de siRNA. Els estudis d'alliberament realitzats demostren que el siRNA s’allibera de manera perllongada a causa de l'estabilització de les nanopartícules en el hidrogel. Finalment, l’aplicació de l’hidrogel dopat amb les nanopartícules in vivo demostra que el sistema local d'alliberament proposat en aquest treball és de silenciar l'expressió de la luciferasa, en un model de càncer de mama murí, durant un llarg període de temps aconseguint millors eficàcies de silenciament que un agent comercial de transfecció in vivo.