Development of cell-specific RNAi delivery vectors based on poly(β-amino ester)s with therapeutic applications

Abstract

Els ARNs de interferència han demostrat tenir un potencial terapèutic molt prometedor per tractar malalties causades per desregulació gènica. S’han estudiat i desenvolupat diferents tècniques d’alliberació d’ARNs, tot i així, els dubtes sobre la seva seguretat, especificitat cel·lular i eficiència de transfecció fan necessari el desenvolupament de metodologies d’alliberació alternatives, capaces de conduir de forma específica i segura els àcids nucleics fins a la seva diana terapèutica. Recentment, formulacions polimèriques basades en poly(β-amino ester)s (pBAEs) han sorgit com una opció per l’alliberació d’àcids nucleics degut a la seva baixa toxicitat, alta biocompatibilitat i formulació química simple. Concretament, en aquest treball, s’ha desenvolupat una nova família de pBAEs incorporant-los-hi en els seus extrems oligopèptids formats per aminoàcids catiònics i aniònics, capaços de condensar ARNs tot obtenint partícules amb mides manomètriques. A més, s’ha demostrat que variant la hidrofobicitat de la seva cadena central, s’obtenen formulacions polimèriques amb diferents propietats biofísiques. Tenint en compte les característiques prèviament descrites, s’han dissenyat sistemes d’alliberació d’ARNs amb una major capacitat d’emmagatzematge, estabilitat i eficàcia de transfecció. A més, s’ha observat que jugant amb la composició oligopeptidica dels pBAEs és possible controlar la seva especificitat cel·lular, tant a nivell in vitro com in vivo. Conseqüentment, aquets nous sistemes d’alliberació mostren un elevat potencial pel tractament de línies cel·lulars difícils o delicades de transfectar. Per exemple, la combinació de pBAEs modificats amb arginina i àcid aspàrtic formen poliplexes capaços d’alliberar eficientment anti-OCT3/4 siRNA, anti-NANOG siRNA i RUNX2 plasmid en Dental Pulp Pluripotent Stem Cells, millorant la seva diferenciació osteogènica. Per altra banda, a nivell in vivo, s’ha observat que la combinació de pBAEs modificats amb lisina i histidina forma poliplexes capaços d’alliberar preferencialment àcids nucleics sobre cèl·lules endotelials de la vasculatura. Finalment, s’han optimitzat les nanopartícules amb la finalitat d’alliberar ARNs mitjançant endocitosis mediada per receptor sobre cèl·lules malaltes evitant efectes no desitjats sobre les cèl·lules sanes del mateix teixit. Mitjançant un assaig in vivo utilitzant un model d’ateroesclerosis en ratolí, s’ha demostrat que el sistema d’alliberament dissenyat és capaç de regular l’expressió gènica en cèl·lules endotelials inflamades. En conclusió, aquesta tesi demostra que un disseny acurat en la formació dels poliplexes d’ ARNs permet la fabricació de sistemes d’alliberació estables, específics i eficients, donant com a resultat, vectors d’alliberació fàcilment adaptables en funció de la seva aplicació terapèutica.

Los ARNs de interferencia han demostrado tener un potencial terapéutico muy prometedor para el tratamiento de enfermedades debidas a la desregulación génica. Se han estudiado y desarrollado distintas técnicas de liberación de ARNs, sin embargo, las dudas sobre su seguridad, especificidad celular y eficiencia de transfección hacen necesario el desarrollo de metodologías de liberación alternativas, capaces de conducir de forma selectiva y segura los ARNs de interferencia hasta su diana. Recientemente, formulaciones poliméricas basadas en poly(β-amino ester)s (pBAEs) han surgido como una prometedora alternativa para la liberación de ácidos nucleicos, debido a su baja toxicidad, alta biocompatibilidad y simple formulación química. Concretamente, en este trabajo, se ha sintetizado una nueva familia de pBAEs que incorpora diferentes oligopéptidos catiónicos y aniónicos, capaces de condensar ARNs en partículas con tamaños nanométricos. Además, se ha demostrado que variando la hidrofobicidad de su estructura, se obtienen formulaciones poliméricas con distintas propiedades biofísicas. Considerando todos estos factores, se han diseñado sistemas de liberación de ARNs con una mayor capacidad de almacenamiento, estabilidad y eficacia de transfección. Además, se ha observado que controlado la composición oligopeptidica de los pBAEs es posible formular poliplejos con una elevada especificad celular, tanto a nivel in vitro como in vivo. Consecuentemente, estos nuevos sistemas de liberación muestran un elevado potencial para el tratamiento de líneas celulares difíciles o delicadas de transfectar. Por ejemplo, la combinación de pBAEs modificados con arginina y ácido aspártico forman poliplejos capaces de liberar eficientemente y simultáneamente anti-OCT3 / 4 siRNA, anti-NANOG siRNA y RUNX-2 plásmido sobre Dental Pulp Pluripotent Stem Cells, mejorando su diferenciación osteogénica. Por otra parte, a nivel in vivo, se ha observado que la combinación de pBAEs modificados con lisina e histidina forma poliplejos capaces de liberar preferencialmente ácidos nucleicos sobre células endoteliales de la vasculatura. Finalmente, los poliplejos se han optimizado con el fin de liberar ARNs mediante endocitosis mediada por receptor sobre células enfermas, evitando efectos no deseados sobre las células sanas del mismo tejido. Mediante un ensayo in vivo utilizando un modelo de ateroesclerosis en ratón, se ha demostrado que el sistema de liberación diseñado es capaz de regular la expresión génica sobre células endoteliales inflamadas. En conclusión, esta tesis demuestra que un cuidadoso diseño en la formulación de los poliplejos de ARN permite la fabricación de sistemas de liberación estables, específicos y eficientes, dando como resultado, vectores de liberación adaptables en función de la su aplicación terapéutica.

RNAi technology has gained rapid promise for its potential therapeutic application for diseases caused by abnormal gene overexpression. Although RNAi delivery strategies have been widely studied and developed, concerns about their safety, cell-specificity and efficiency delivering prompts the development of alternative delivery methodologies capable of efficiently drive RNAi-based nucleic acids to the target cells in a safe manner. Recently, newly developed poly(β-amino ester)s (pBAEs) have emerged as an interesting choice for nucleic acid delivery due to their low toxicity, high biocompatibility, and simple chemical formulation. Here, we present an extended family of pBAEs that incorporate terminal oligopeptide moieties, containing both positive and negative amino acids, able to condense RNAi-based nucleic acids into discrete nanoparticles. Furthermore, we demonstrated that pBAE backbone hydrophobicity has a deep effect in the resulting polyplexes formulations. With this new approach, we have obtained delivery formulations with increased RNAi packaging capacity, stability, and transfection efficiency. In addition, in vitro and in vivo results have demonstrated that careful control of the pBAE oligopeptide composition is a powerful strategy to efficiently deliver nucleic acids in a cell-type dependent manner. These delivery vectors have specially shown great promise for difficult-to-transfect cells. For instance, pBAE formulations using a combination of arginine and aspartic acid oligopeptides were able to efficiently and simultaneously deliver anti-OCT3/4 siRNA, anti-NANOG siRNA, and RUNX2 plasmid to Dental Pulp Pluripotent Stem Cells in order to promote their osteogenic differentiation. At in vivo level, it has been found that a combination of lysine- and histidine- modified pBAEs was able to preferentially deliver siRNA to endothelial cells from the vasculature with low off-target effects. Finally, polyplexes have been further optimized to selectively deliver RNAi-based nucleic acids via receptor-mediated endocytosis in order to selectively target diseased cells, while avoiding healthy cells populations from the same tissue. In vivo results demonstrated that the targeted delivery system proposed here was able to efficiently regulate gene expression in inflamed endothelial cells from atherosclerotic mice model, obtaining a promising therapeutic effect. In conclusion, this thesis demonstrates that careful control of the composition of pBAE-nucleic acid formulations allows the fabrication of stable, specific and efficient delivery systems, resulting in promising delivery vectors that can be easily adapted for specific therapeutic applications.