Cleavable Peptide-Triterpene Conjugates for Improved Gene Delivery

Abstract

Gentherapien stellen vielversprechende neue Therapieoptionen für eine Vielzahl von Indikationen dar. Trotz mehrerer zugelassener Medikamente, die auf viralen Gentransfer-Vektoren basieren, bleibt das volle Potenzial gentherapeutischer Ansätze bislang ungenutzt. Dies liegt zum einen an der hohen Immunogenität und aufwändigen Herstellung viraler Vektoren, zum anderen an der geringen Effizienz nicht-viraler Gentransfersysteme, die vor allem auf den Einschluss der verwendeten Nanopartikel in Endosomen und den damit verbundenen Abbau zurückzuführen ist. SO1861, ein aus Saponaria officinalis L. isoliertes Triterpensaponin, kann die Freisetzung aus den Endosomen fördern und wird daher als Transfektionsverstärker eingesetzt. Die Saponin-unterstützte Transfektion wird als Sapofektion bezeichnet und beinhaltet die parallele Verabreichung des Saponins und der Nanopartikel. In vitro funktioniert dies problemlos, in vivo erweist sich die Synchronisation der beiden Komponenten jedoch als schwierig. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die Entwicklung und Optimierung eines nicht-viralen Gentransfersystems, das die zu transfizierende DNA und das transfektionsverstärkende Saponin in einem Partikel enthält und intravenös verabreicht werden kann. Durch die Integration eines zielgerichteten Liganden in den zu entwickelnden Nanopartikel sollte zusätzlich die zielgerichtete Wirkung des Gentransfersystems sichergestellt werden. Um dieses Forschungsziel zu erreichen, wurde SO1861 mit Hilfe eines pH-sensitiven Hydrazon-Linkers kovalent an ein Poly-L-Lysin-basiertes Peptidgerüst konjugiert. Die hergestellten SO1861-funktionalisierten Peptide wurden zur Komplexierung von DNA durch elektrostatische Wechselwirkung verwendet. Die resultierenden Nanoplexe wurden in vitro auf ihre Transfektionseffizienz und Verträglichkeit hin untersucht. In allen untersuchten Zelllinien transfizierten die Nanoplexe mit konjugiertem SO1861 deutlich effektiver als nicht-funktionalisierte Nanoplexe unter Zugabe von freiem SO1861 zum Transfektionsmedium. Die Transfektion mit den SO1861 enthaltenden Nanoplexen beeinflusste die Zellviabilität nicht. Zielgerichtete, konjugiertes SO1861 enthaltende Nanoplexe wurden durch Integration eines zielgerichteten Peptids hergestellt und in vivo in einem Allograft-Tumormodell in Mäusen getestet. Unter Verwendung eines Selbstmordgen-Vektors, der für das zytotoxische Protein Saporin kodiert, wurde bei der Behandlung mit zielgerichteten, SO1861 enthaltenden Nanoplexen im Vergleich zur Vehikelkontrolle ein verlangsamtes Tumorwachstum und eine verbesserte Überlebensrate beobachtet. Die intravenöse Injektion der SO1861 enthaltenden Nanoplexe war dabei gut verträglich.

Gene therapies represent promising new therapeutic options for a variety of indications. Despite several approved drugs based on viral gene delivery vectors, the full potential of gene therapy approaches remains unexploited. This is due to the high immunogenicity and complex production of viral vectors as well as the low efficacy of non-viral gene delivery vehicles that is in particular attributable to endosomal entrapment and degradation of the nanoparticles used. SO1861, a naturally occurring triterpenoid saponin isolated from Saponaria officinalis L., promotes endosomal escape and is therefore used as a transfection enhancer. The saponin-enhanced transfection was termed sapofection and involves the parallel administration of the endosomal-escape enhancing saponin and the DNA-containing nanoparticles. Parallel administration is not a problem in vitro, but the synchronization of the two components is a challenge in vivo. The aim of the present work was therefore to develop and optimize a non-viral gene delivery vehicle that contains the DNA to be transfected and the transfectionenhancing saponin SO1861 in one particle that can be administered intravenously. The integration of a targeting ligand into the gene delivery vehicle to be developed shall ensure the targeted delivery of the nanoparticles. To achieve this research goal, SO1861 was covalently conjugated to a poly-L-lysinebased peptide scaffold using a pH-sensitive hydrazone linker. The prepared SO1861-functionalized peptides were used to complex DNA by electrostatic interaction. The resulting nanoplexes were evaluated for in vitro transfection efficiency and tolerability. In a variety of cell lines, the nanoplexes with conjugated SO1861 transfected significantly more effectively than non-functionalized nanoplexes with supplementation of free SO1861 in the transfection medium. The transfection with SO1861-nanoplexes was well tolerated. Targeted nanoplexes containing covalently conjugated SO1861 were prepared by incorporation of a targeting peptide and tested in vivo in an allograft tumor model in mice. Using a suicide gene vector encoding the cytotoxic protein saporin, treatment with targeted SO1861-containing nanoplexes was observed to slow tumor growth and improve survival compared to vehicle control. Intravenous injection of nanoplexes containing SO1861 was well tolerated.