Internship and Monograph reports entitled ”Cell Membrane-Coated Nanosystems for Gene Delivery Applications"

Abstract

O crescimento exponencial da terapia génica tem proporcionado o sucesso de várias estratégias laboratoriais aplicadas à entrega de ácidos nucleicos para a terapia de várias doenças inatas e adquiridas. Contudo, devido à existência de barreiras extracelulares e intracelulares, que dificultam a eficiência e a integridade da entrega de material genético, tem-se verificado limitações nas aplicações clínicas desta terapia. Inicialmente, a utilização de estratégias como, por exemplo, a modificação química de ácidos nucleicos resultou, apenas, em aplicações clínicas para administrações locais e tópicas. Posteriormente, a segurança, custo reduzido e a elevada capacidade de transfecção de genes através de vetores não virais avaliada em ensaios para a distribuição sistémica de genes in vivo, promoveu o desenvolvimento de nanopartículas com estruturas inorgânicas e orgânicas para o transporte de material genético. No entanto, a falta de complementaridade biológica na totalidade e de evasão imunológica das nanopartículas icentivou o desenvolvimento de novas estratégias inspiradas em mecanismos e componentes celulares biológicos. Ultimamente, experiências com abordagens inovadoras de nanossistemas biomiméticos têm reportado um aumento da capacidade de direcionamento, interação com mecanismos, internalização celular e farmacocinética das nanopartículas. Os contemporâneos e multifuncionais nanossistemas biomiméticos de nanopartículas revestidas por membranas celulares emergentes consistem no encapsulamento de nanopartículas sintéticas enriquecidas pelo revestimento de membranas celulares, por métodos “top-down”. Este método de revestimento de nanopartículas possui a capacidade de preservar as biofuncionalidades das membranas utilizadas incluindo a complexidade de componentes presentes na sua superfície. Existe uma grande variedade de tipos de membrana utilizados de acordo com os tipos de células disponíveis, como por exemplo, glóbulos vermelhos, células cancerosas, glóbulos brancos, plaquetas e células estaminais com capacidade de revestimento de nanopartículas diferentes. O revestimento de nanoparticulas com membranas celulares tem potenciado a estabilidade e a proteção de ácidos nucleicos, prolongado a sua circulação sanguínea, promovido a utilização de nanopartículas transportadoras de ácidos nucleicos providas das biofuncionalidades da membrana utilizada para o seu revestimento e permitido a entrega de ácidos nucleicos e fármacos sinergicamente num único sistema com várias aplicações no diagnóstico, terapia e teranóstico de várias doenças oncológicas, infeciosas e cardiovasculares. Esta monografia descreve detalhadamente as nanopartículas revestidas por membranas celulares utilizadas na entrega eficiente e inteligente de material genético, os desafios inerentes e as perspetivas futuras desta tecnologia para promover a entrega direcionada de ácidos nucleicos e ampliar as suas aplicações terapêuticas.

The exponential growth of gene therapy has propelled various successful laboratory strategies focussed on nucleic acid (NA)-based therapies applied in several innate and acquired diseases. However, hurdles in the efficient and integral delivery of the genetic material ascribed to distinct human body extracellular and intracellular barriers have been broadly hindered the successful clinical translation of NA-based therapies. Initially, attempts with NAs chemical modifications achieved clinical translations status in local and topical administrations. Posteriorly, studies with non-viral vectors for systemic NA delivery in vivo demonstrated safety, reduced cost, and high transfection capacity, induced inorganic and organic nanoparticles (NPs) improvements as gene carriers. Nevertheless, their lack of complete biological complementarity and immune evasion capacity hurdles have led to the development of innovative biointerfacing strategies. Recently, several studies have reported an emerging era of novel biomimetic nanosystems endowed with not only increased targeting and biointerfacing features, but also enhanced cellular internalization and improved pharmacokinetics. Cell membrane-coated NPs are multifunctional and innovative biomimetic nanosystems consisting of synthetic NPs cores coated with cell membranes by a top-down approach. Such cell membrane coatings are able to preserve the natural biofunctionality of parent cell membranes and inherit the vast complex surface repertoire present on the surface cells’ membranes, including a diversity of membrane types on account of the different cell types available, such as red blood cells, cancer cells, white blood cells, platelet cells, and stem cells with the ability to coat distinct nanoparticle cores. Overall, cell membrane-coated NPs for gene delivery have displayed enhanced NA protection and stability, prolonged NA blood circulation half-life, improved NA-loaded cores provided with cell membranes biofunctionalities and allowed both versatile and multivalent drug and NA delivery toward synergistic approaches, evidencing diverse applications in the diagnostic, therapeutic, and theranostic of a myriad of diseases including cancer, infectious and cardiovascular diseases. This review integrates a detailed compilation of the recent cell membrane-coated nanosystems as efficient, safe and smart NA nanocarriers, critically addressing the challenges and future perspectives toward enhanced cell-targeted NA delivery and improved NA therapeutics.