siRNA transfection with dendritic core-shell nanocarriers

Abstract

A key step in somatic gene therapy is the shuttling of functional siRNA molecules in the cytoplasm surmounting systemic degradation and poor cellular transfection of naked siRNA. Dendritic polyamines provide a facile access to efficient non-viral gene delivery vector, where the globular and branched architecture of the carrier scaffold helps to transport the nucleic materials through cell membrane and protect it from cytosolic endosomal/lysosomal compartments. In this work, a straightforward synthetic approach for generating highly functionalized polycationic core-shell architectures based on dendritic polyglycerol has been reported. These stimuli-responsive polyamines can efficiently transfect and release the siRNA into the cell due to a pH change within the cytosol. The core of these architectures is based on hyperbranched polyglycerol which is attached to the hydrophilic outer shell via a pH-labile linker. The shell consists of natural or synthetic oligoamines, for example, spermidine, spermine, and pentaethylenhexaamine. In addition, hyperbranched polyglycerol amine has also been synthesized, with primary amines in vicinal 1,2-position. In vitro studies in HeLa cell lines have shown that all polyamines could efficiently inhibit or may significantly reduce the expression of a particular gene. Furthermore, the biocompatibility profile of all nanocarriers has also been established. The top two candidates from the in vitro experiments were then tested in mice model for their transfection efficiency in a luciferase-tumor model. The results are promising and show that this approach has great potential in vivo (significant gene silencing (68 and 85 %) was accomplished within 24 h after treatment in vivo). In another approach, photo labile core-shell architectures have been synthesized based also on the biocompatible hPG core to generate light- responsive gene-vectors for therapeutic applications.

Ein Schlüsselschritt bei der somatischen Gentherapie bleibt das funktionelle Einschleusen der siRNA-Moleküle in das Zytoplasma, da nackte siRNA die hydrophobe Zellmembran nur schlecht passieren kann und körperbedingte Abbaureaktionen deren Wirksamkeit verringert. Ein bedeutender Zugang zu effizienten nicht-viralen Genvektoren beruht auf den multiplen Wechselwirkungen von dendritischen Polyaminen, die die siRNA einerseits ausreichend komplexieren und eine Aufnahme des Polyelektrolyt-Komplexes durch die Zellmembran ermöglichen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein einfaches Synthesekonzept zur Herstellung von hochfunktionalisierten, polykationischen Kern-Schale-Architekturen auf Basis von dendritischem Polyglycerin dargestellt. Diese stimulus-reagierenden Polyamine können die siRNA effizient komplexieren, in die Zelle transportieren und nach erfolgter Endozytose aufgrund einer pH-Änderung gezielt im Zytosol freisetzen. Zur Darstellung dieser Architekturen wird der hochverzweigte Polyglycerin-Kern (hPG) mit einem pH-labilen Linker zwischen dem Kern und der hydrophilen Schale, bestehend aus natürlichen oder synthetischen Oligoaminen (z.B. Spermidin, Spermin und Pentaethylenhexaamin), versehen. Darüber hinaus konnten hyperverzweigte Polyglycerinamine (PG-Amin) mit zahlreichen primären Aminen in der vicinalen 1,2-Position synthetisiert werden. Durch in vitro Studien in HeLa Zelllinien konnte gezeigt werden, dass alle Polyamine die Expression eines bestimmten Gens hemmen, bzw. signifikant reduzieren können. Ferner konnte in geeigneten Tests die Biokompatibilität aller Nanotransporter bewiesen werden. Die beiden besten Kandidaten aus den in vitro Versuchen wurden anschließend in einem in vivo Modell auf ihre Transfektionseffizienz in einem Luciferase-Tumormodell untersucht. Innerhalb dieses Tests wurde eine signifikantes „Gen-Silencing― (68 und 85 %), also das Ausschalten eines bestimmten Gens innerhalb von 24 h nach der Behandlung beobachtet. Die Ergebnisse sind vielversprechend und belegen, dass dieser Ansatz auch in vivo großes Potential aufweist. In einem weiteren Ansatz, wurden photolabile Kern-Schale-Architekturen synthetisiert, die ebenfalls auf dem biokompatiblen hPG-Kern basieren und durch Bestrahlung mit UV-Licht wieder gespalten werden können.