Development of Novel Polymeric Carriers for Gene Therapy

Abstract

The development of effective delivery systems is a limiting step in gene therapy. In this work, new linear block copolymers and star polymers were synthesized, and their siRNA delivery abilities were investigated. For this aim, diblock copolymers consisting of alternative "stealth" polymer blocks (PEG, P(OEGMA) (Poly(oligo(ethylene glycol) methyl ether methacrylate)) or P(OEtOxMA) (Poly(oligo(2-ethyl-2-oxazoline) methacrylate))); and same cationic polymer block (P(AEAEMA) (Poly(2-((2-aminoethyl)amino)ethyl methacrylate))), have been prepared via RAFT polymerization or combination of CROP and RAFT polymerizations. Additionally, to demonstrate the effect of polymeric architecture, P(OEGMA)/P(AEAEMA) miktoarm star polymers have also been synthesized via RAFT polymerization. Polymers were characterized by SEC, NMR and DLS. siRNA complexation was investigated by gel electrophoresis, DLS, SEM and TEM. Compared to star polymers, linear block copolymers could bind the siRNA molecules easier and tighter due to their more flexible natures and sterically accessible amine groups. The diameter of star polymer-siRNA complexes at N/P of 50 was found to be approximately 20 nm. Compared to this, linear block copolymers formed smaller particles (≈ 10 nm) at the same N/P ratio. The viability of linear block copolymer-treated cells was found to be 50% or better at the polymer concentration of 5 µM. In contrast, star polymers showed more detrimental effects at the same polymer concentrations. P(OEGMA)43-b-P(AEAEMA)45-siRNA complexes at N/P of 50 were taken up by 63.5% and 74.1% of H460 and Mda-mb-231 cells, respectively. In contrast, P(AEAEMA)40-b-P(OEtOxMA)38 complexes showed much lower uptake profile at the same conditions. Remarkably, P(OEGMA)43-b-P(AEAEMA)45-siRNA complexes showed potent gene silencing effect on Mda-mb-231 cells as shown by luciferase and RT-qPCR assays. Overall, it has been found that "stealth" polymers and polymeric architecture have a very significant effect on siRNA delivery.

Etkili taşıyıcı sistemlerinin geliştirilmesi, gen terapisinde sınırlayıcı bir adımdır. Bu çalışmada, yeni lineer blok kopolimerler ve yıldız polimerler sentezlenmiş ve bunların siRNA taşıma yetenekleri araştırılmıştır. Bu amaçla, PEG, P(OEGMA) (Poli(oligo(etilen glikol)metil eter metakrilat)) veya P(OEtOxMA) (Poli(oligo(2-etil-2-oksazolin) metakrilat)) gibi alternatif "gizli" polimer bloklardan ve aynı P(AEAEMA) (Poli(2-((2-aminoetil)amino)etil metakrilat)) katyonik polimer bloğundan oluşan diblok kopolimerler, RAFT polimerizasyonu veya CROP ve RAFT polimerizasyonlarının kombinasyonu yoluyla hazırlanmıştır. Ek olarak, polimer mimarisinin etkisini göstermek için, P (OEGMA) / P (AEAEMA) miktoarm yıldız polimerleri de RAFT polimerizasyonu yoluyla sentezlenmiştir. Polimerler SEC, NMR ve DLS ile karakterize edilmiştir. siRNA kompleks oluşumu jel elektroforezi, DLS, SEM ve TEM ile araştırılmıştır. Yıldız polimerlere kıyasla lineer blok kopolimerler, daha esnek yapıları ve sterik olarak erişilebilir amin grupları nedeniyle siRNA moleküllerini daha kolay ve daha sıkı bağlayabilmişlerdir. Yıldız polimer-siRNA komplekslerinin çapı N/P 50'de yaklaşık olarak 20 nm olarak bulunmuştur. Buna kıyasla, lineer blok kopolimer-siRNA kompleksleri aynı N/P oranında daha küçük yapılar (<10 nm) oluşturmuştur. 5 µM polimer konsantrasyonunda lineer blok kopolimer ile muamele edilmiş hücrelerin canlılığı %50 veya daha iyi olarak bulunmuştur. Buna karşılık, yıldız polimerler aynı polimer konsantrasyonlarında daha zararlı etkiler göstermiştir. P(OEGMA)43-b-P(AEAEMA)45-siRNA kompleksleri sırasıyla H460 ve Mda-mb-231 hücrelerinin %63,5 ve %74,1'i tarafından alınmıştır. Buna karşın, P(AEAEMA)40-b-P(OEtOxMA)38 kompleksleri aynı koşullarda çok daha düşük alım profili göstermiştir. Önemli olarak, P(OEGMA)43-b-P(AEAEMA)45-siRNA kompleksleri, lusiferaz ve RT-qPCR deneyleriyle gösterildiği üzere Mda-mb-231 hücreleri üzerinde güçlü bir gen susturma etkisi göstermiştir. Genel olarak, "gizli" polimerlerin ve polimer mimarisinin siRNA taşınımı üzerinde çok önemli bir etkiye sahip olduğu görülmüştür.