Polímeros derivados de fuentes naturales o monómeros
Aminoácidos y materiales a base de sacáridos se han explorado ampliamente para la administración de ácido nucleico, como se revisó más a fondo en otros lugares . Estos bloques de construcción naturales tienen el potencial de tener una citotoxicidad reducida y, si se optimizan, una función general superior en relación con los biomateriales totalmente sintéticos. Aquí, se estudiarán polímeros de suministro de ácido nucleico a base de péptidos y carbohidratos (Fig. 29.7 B).
El primer polímero a base de aminoácidos que se persiguió fue el poli (Lys), y muchas iteraciones de este polímero catiónico se han estudiado ampliamente de una manera similar al PEI y a las otras policationes sintéticas descritas anteriormente. El poli (Lys) puede complejos ácidos nucleicos de manera eficiente, pero su eficiencia de transfección es baja, y requiere tratamiento celular con agentes endosomolíticos como la cloroquina para mejorar la expresión génica. Sin embargo, los primeros estudios sobre poli(Lys) arrojaron importantes conocimientos mecanicistas relacionados con la formulación de poliplex, el tráfico intracelular y el escape de endosomas . Si bien la promesa clínica del poli(Lys) es limitada, estos primeros estudios han tenido un impacto significativo en el campo.
La poli(histidina) (poli(His)) es otro polímero a base de aminoácidos que ha demostrado cierta utilidad para la terapia génica. El aminoácido His tiene un grupo R de imidazol que contiene una amina secundaria que dota al poli (His) de actividad de esponja de protones para el escape endosomal . Los polímeros que contienen tanto Lys como His también se han utilizado con éxito en combinaciones. En estos polímeros híbridos, las aminas primarias en el Lys están completamente protonadas y catiónicas a pH fisiológico, lo que permite una complejación electrostática eficiente con ADN. La pKb inferior de las aminas secundarias de His proporciona actividad de esponja de protones complementaria para el escape de endosomas . La eficiencia de transfección de polímeros con poli(His) injertados a poli(Lys) se mejora significativamente mediante la adición del agente disruptor endosómico cloroquina, lo que indica que los polímeros por sí solos todavía son parcialmente propensos a la atrapamiento endosómico . Las arquitecturas altamente ramificadas de polímeros His/Lys y las policaciones reducibles que contienen His también se han encontrado para entregar siRNA de manera eficiente . También hay un precedente para la incorporación de subunidades a base de aminoácidos en otros sistemas de terapia génica con el fin de producir «híbridos» con funcionalidad de entrega mejorada. Por ejemplo, el His también se ha utilizado para modificar el quitosano (se discutirá más adelante) para mejorar su escape endosómico y su eficiencia de transfección .
Los péptidos penetrantes en las células (CPP) y los péptidos fusogénicos con respuesta al pH son otras dos clases de péptidos que se han explorado rigurosamente para desencadenar la captación celular y el escape endosómico, respectivamente. Estas clases de péptidos se han utilizado tanto en combinación como como componentes de sistemas de administración de polímeros multifuncionales y liposomales. La mayoría de los péptidos CPP y fusogénicos se derivan de toxinas bacterianas y vectores virales, o son análogos sintéticos de los péptidos naturales. El factor transcripcional transactivador del VIH-1 y el péptido antenapedia derivado de Drosophila son dos ejemplos de CPPs bien estudiados. Estos péptidos son típicamente ricos en aminoácidos catiónicos, y como resultado, también se ha encontrado que los CPP sintéticos ricos en arginina de varios tipos median la absorción de células de carga biomacromoleculares. La fusión de un CPP con un dominio de unión al dsRNA se ha utilizado para entregar el siRNA en células primarias consideradas difíciles de transfectar . Otros CPPs derivados de Transportan 10 (designado PepFect) y CADY han sido diseñados para una entrega intracelular eficiente. Se generaron fusiones de CPPs penetrantes de tumores que mostraron que el silenciamiento de un oncogén mejoró la supervivencia en ratones La capacidad de CPPs para desencadenar la internalización celular se aprovechó para la administración de varias clases de carga terapéutica, incluidos el ADN plásmido y el ARNip (para obtener información adicional, consulte revisiones de CPP).
Los péptidos fusogénicos son péptidos que responden al pH y que pueden fusionarse o formar poros a través de la membrana endosómica. Un ejemplo es la toxina diftérica, que tiene una subunidad que forma poros transmembranarios en los endosomas que permiten la entrada de un fragmento de toxina ligado al disulfuro en el citosol . Otro ejemplo es la hemaglutinina, una proteína de la gripe que crea una fusión de membrana endosómica dependiente del pH para entregar el material genético viral al citoplasma . El péptido GALA es un péptido fusogénico sintético, dependiente del pH, que ha sido ampliamente caracterizado . GALA se autoensambla e inserta en bicapas lipídicas a pH ácido, formando un poro que permite el tránsito de la membrana . Por ejemplo, GALA se ha aplicado con éxito para mejorar la eficiencia de la entrega citosólica de carga de ácido nucleico empaquetada en PAMAM y liposomas .
El quitosano polisacárido, las ciclodextrinas similares a oligosacáridos y una variedad de otros glicopolímeros que contienen sacáridos representan otra clase de polímero para la administración de ácido nucleico. Por ejemplo, los polímeros a base de sacáridos aniónicos naturales se pueden fabricar en NPs de complejo de polielectrolitos (PEC) termodinámicamente estables a través de una asociación espontánea desencadenada a través de la mezcla de polielectrolitos de carga opuesta, según lo informado por Prokop et al. . Típicamente, los NPs PEC se fabrican mezclando polímeros de núcleo polianiónico, como alginato o sulfato de condroitina con policaciones de corona, como clorhidrato de espermina o clorhidrato de poli(metileno-co-guanidina). Este enfoque de nanopartículas multipolímeras ha demostrado ser eficaz para la transferencia de genes in vitro, particularmente en sistemas celulares que normalmente son refractarios a la transferencia de genes, como los islotes pancreáticos y las células presentadoras de antígenos. Además, las superficies coronales de PEC se pueden decorar con complejos PEG-ligando para aumentar la orientación celular y reducir la captación inespecífica.
El quitosano, un polisacárido compuesto de unidades de glucosamina y N-acetil glucosamina unidas a través de enlaces glucosídicos β(1→4), es uno de los polímeros sacáridos más estudiados. El quitosano se beneficia de ser un enfoque «verde», porque es un recurso renovable derivado de la quitina. Este polímero natural también es biodegradable y no tóxico. El laboratorio Alonso introdujo NPs a base de quitosano a través de gelación ionotrópica, basada en la interacción entre los grupos negativos de tripolifosfato pentasódico y los grupos amino cargados positivamente en el quitosano. La química del quitosano también es adaptable a la terapia génica no viral, ya que contiene varias aminas primarias y secundarias capaces de endosomólisis a través del efecto esponja de protones. Por lo tanto, el quitosano se ha examinado como un polímero que responde al pH para la administración de ácido nucleico. Howard et al. se emplearon NP de quitosano que contenían siRNA para derribar la proteína fluorescente verde mejorada (eGFP) en células de carcinoma de pulmón humano H1299 y macrófagos peritoneales murinos (reducción de 77,9% y 89,3% en la fluorescencia de eGFP, respectivamente) . El quitosano NP tiene un alto potencial para la entrega transmucosa. Se logró un ARNi eficaz in vivo en células epiteliales bronquiolares de ratones transgénicos eGFP después de la administración nasal de formulaciones de quitosano/siRNA (reducción del 37% y el 43% en comparación con el desajuste y el control no tratado, respectivamente). Los principales inconvenientes del quitosano son la pobre solubilidad en tampones fisiológicos y la menor actividad endosomolítica en comparación con algunos polímeros de esponja de protones más fuertes. Como resultado, se han hecho varias variantes de quitosano con modificaciones para aumentar el escape endosómico y la solubilidad. Por ejemplo, el PEI y los imidazoles se han conjugado con quitosano para mejorar su rendimiento en terapias génicas .
Los polímeros catiónicos que contienen beta-ciclodextrinas (β-CD) mostraron una promesa temprana para el ARNi clínico. Los polímeros catiónicos basados en β-CD (ßCDPs) sintetizados por la condensación de un monómero de diamino-ciclodextrina con un comonómero de diimidato son capaces de formar poliplejos con ácidos nucleicos, y su rendimiento de transfección depende de la estructura ßCDP . Los policationes que contienen β-CD son especialmente únicos porque las ciclodextrinas contienen una cavidad interior que se puede usar para formar complejos de inclusión con mitades hidrofóbicas. Por ejemplo, el β-CD se une firmemente a la molécula hidrofóbica adamantina, y esto proporciona un «mango» conveniente desde el cual funcionalizar los poliplejos de superficie hechos de ßCDPs con ligandos PEG o dirigidos . El laboratorio Davis tradujo este concepto de laboratorio a ensayos clínicos . Este portador fue la base para un informe que demuestra el primer ejemplo de ARNi humano que utiliza NPs poliméricos dirigidos. Este portador estaba compuesto de ßCDPs funcionalizados tanto con PEG como con el ligando transferrina dirigido al cáncer . Después de este hallazgo histórico, el ensayo clínico finalizó principalmente debido a eventos tóxicos que limitan la dosis, sin ensayos de seguimiento. Posteriormente, Arrowhead Pharmaceuticals se centró en los conjugados y no se iniciaron ensayos clínicos de seguimiento de fase III.
Una variedad de otros glicopolímeros catiónicos sintéticos novedosos también están en la tubería de desarrollo para aplicaciones clínicas de administración de ácido nucleico . El laboratorio Reineke ha hecho contribuciones clave en esta área(ver revisión reciente Ref. ), y una clase de ejemplo de glicopolicaciones desarrolladas por este grupo son las poli (glicoamidoamina) s (PGAAs). Se creó una biblioteca de PGAAs a través de la reacción de condensación entre comonómeros de carbohidratos y oligoaminas. Estos PGAA se variaron en función de una variedad de parámetros, incluido el tamaño de los carbohidratos, el número de hidroxilo y la estereoquímica, el número de aminas y si estaban presentes o no grupos heterocíclicos. Estos polímeros se han examinado para detectar la entrega de genes, y se han identificado formulaciones optimizadas que facilitan el empaquetado eficiente del ADN y las propiedades de entrega intracelular. El grupo Reineke también ha buscado una variedad de polímeros a base de trehalosa, y los resultados prometedores continúan sugiriendo el potencial de translatabilidad clínica de esta clase segura y eficiente de polímeros . Este glicopolímero también se ha adaptado para proporcionar un activador transcripcional basado en CRISPR .
Los exosomas son vesículas extracelulares derivadas de células que contienen una variedad de tipos de ácidos nucleicos. Estos vehículos naturales participan en la comunicación celular y se utilizan cada vez más en la administración de fármacos y genes . Un desafío importante en la utilización de exosomas para la entrega de genes es la carga de los vehículos con ácidos nucleicos. Mientras que la electroporación es el método más común de carga de ADN, la sonicación, la extrusión y los ciclos de congelación y descongelación son otros métodos para cargar exosomas . La carga de ARNip o ADN exógenos sigue siendo un problema debido a la baja eficiencia y la agregación durante la electroporación. Para la medicina regenerativa, los exosomas derivados de células madre o progenitoras pueden fomentar la regeneración de tejidos por sí solos sin ADN administrado exógenamente , incluida la regeneración muscular , la cicatrización de heridas, la angiogénesis y la reparación de cartílagos .