Efficient and synergistic gene delivery mediated by a combined polymeric-based nanosystem

Abstract

Gene therapy is believed to have the necessary characteristics to become a frontline treatment in a variety of diseases, including cancer. To reach its full potential it is still necessary to develop suitable vectors for the transport and delivery of genetic material into target cells. Currently, the most used vectors are of viral type. However, non-viral strategies have been emerging in the last decades as promising alternatives, and the most prominent examples are liposomes and cationic polymers. These are advantageous especially due to the fact that they are safe and their properties are easy to manipulate. In spite of these advantages, most of the used non-viral systems still demonstrate low efficiencies in transfection. The objective of this work was to investigate the gene delivery potential of novel non-viral vectors, constituted by different combinations of two polymers, to efficiently transport and delivery DNA into target cancer cells. In order to do so, their transfection activity was measured in different cell lines through luminescence, fluorescence microscopy and flow cytometry. Other parameters like their cytotoxicity, degree of DNA condensation, size and surface charge were also evaluated. The obtained results have demonstrated that our formulations are good candidates for gene delivery, due to their potent transfection efficiencies when compared to a “golden standard” polymeric-based gene delivery system, branched polyethylenimine (bPEI). From the developed combined formulations, CE-based polyplexes, prepared at the 100/1 N/P ratio, were selected as the best formulation, owing to their great transfection activity, even in the presence of serum, that is much higher than that obtained with polyplexes prepared with each one of the two polymers, and to their reduced levels of cytotoxicity. Furthermore, the other experimental studies revealed that the polyplexes designed with this combination of polymers present suitable physicochemical properties for in vivo applications, namely a high level of DNA protection and a reduced mean diameter.

A terapia génica é considerada uma estratégia terapêutica com as características necessárias para se tornar um tratamento de primeira linha para uma grande variedade de doenças, incluindo o cancro. Apesar disso, para atingir o seu potencial ainda é necessário desenvolver vectores adequados para o transporte e entrega de material genético às células alvo. Actualmente, a maioria dos vectores utilizados são de tipo viral. No entanto, nas últimas décadas, as estratégias do tipo não-viral têm vindo a impor-se como alternativas promissoras, sendo os mais proeminentes exemplos os lipossomas e os polímeros catiónicos. Estes sistemas são vantajosos especialmente na medida em que são seguros e as suas propriedades são fáceis de manipular. Apesar destas vantagens, a maioria destes vectores ainda demonstra uma baixa eficiência de transfecção. O objectivo deste trabalho foi investigar o potencial de novos vectores não-virais, constituídos por diferentes combinações de dois polímeros, para transportar e entregar o material genético de forma eficiente a células cancerígenas. Para tal, a eficiência de transfecção foi avaliada em diferentes linhas celulares através dos ensaios de luminescência, microscopia de fluorescência e citometria de fluxo. Foram também avaliados outros parâmetros como a sua citotoxicidade, capacidade de condensação do DNA, tamanho e carga superficial. Os resultados obtidos mostraram que as nossas formulações são bons candidatos para entrega de material genético, devido à sua potente eficiência de transfecção quando comparada com a obtida com a referência padrão dos sistemas de base polimérica, polietilenimina ramificada (bPEI). Das formulações desenvolvidas envolvendo a combinação de polímeros, os poliplexos com base na combinação CE preparados na razão N/P de 100/1 foram selecionados como a melhor formulação, devido à sua elevada atividade de transfecção, mesmo na presença de soro, que é muito superior à obtida com os poliplexos preparados com cada um dos dois polímeros individualmente, e aos reduzidos níveis de citotoxicidade. Adicionalmente, os outros ensaios experimentais demonstraram que os poliplexos desenvolvidos com esta combinação de polímeros apresentam propriedades físico-químicas favoráveis à sua aplicação in vivo, nomeadamente elevada proteção de material genético e um diâmetro médio reduzido.