polimery Pochodzące ze źródeł naturalnych lub monomery
aminokwasy i materiały na bazie sacharydów zostały szeroko zbadane pod kątem dostarczania kwasu nukleinowego, jak dokładniej zbadano gdzie indziej . Te naturalne składniki budulcowe mogą mieć zmniejszoną cytotoksyczność i, jeśli zostaną zoptymalizowane, lepszą ogólną funkcję w stosunku do w pełni syntetycznych biomateriałów. W tym miejscu badane będą polimery dostarczające kwas nukleinowy na bazie peptydów i węglowodanów (Fig. 29.7 B).
pierwszym polimerem opartym na aminokwasach był Poli(Lys) , a wiele iteracji tego kationowego polimeru zostało szeroko zbadanych w sposób podobny do Pei i innych syntetycznych polikracji opisanych powyżej. Poli (Lys) może skutecznie kompleksować kwasy nukleinowe, ale jego skuteczność transfekcji jest niska i wymaga leczenia komórkowego środkami endosomolitycznymi, takimi jak chlorochina, w celu zwiększenia ekspresji genów. Niemniej jednak wczesne badania nad Poli (Lys) dały ważne mechanistyczne spostrzeżenia związane z formułowaniem poliplexów, przemytem wewnątrzkomórkowym i ucieczką endosomów . Chociaż obietnica kliniczna Poli (Lys) jest ograniczona, te wczesne badania miały znaczący wpływ na tę dziedzinę.
Poli (histydyna) (Poli (His)) to kolejny polimer na bazie aminokwasów, który wykazał pewną przydatność do terapii genowej. Aminokwas His ma imidazolową grupę R zawierającą drugorzędową aminę, która nadaje Poli (His) aktywność gąbki protonowej do ucieczki endosomalnej . Polimery zawierające zarówno Lys, jak i His zostały również z powodzeniem wykorzystane w kombinacjach. W tych hybrydowych polimerach pierwszorzędowe aminy na Lys są w pełni protonowane i kationowe przy pH fizjologicznym, umożliwiając skuteczną elektrostatyczną kompleksację DNA. Dolny pKb Amin drugorzędowych z His zapewnia komplementarną aktywność gąbki protonowej do ucieczki endosomów . Skuteczność transfekcji polimerów z poli (His) szczepionych do Poli (Lys) jest znacznie poprawiona przez dodanie środka zaburzającego endosomalność chlorochiny, co wskazuje, że same polimery są nadal częściowo podatne na uwięzienie endosomalne . Stwierdzono również, że wysoce rozgałęzione struktury polimerów His/Lys i redukowalnych polikacji zawierających His skutecznie dostarczają siRNA . Istnieje również precedens dla włączenia podjednostek aminokwasowych do innych systemów terapii genowej w celu wytworzenia „hybryd” o zwiększonej funkcjonalności dostarczania. Na przykład, His został również użyty do modyfikacji chitosanu (omówiono dalej) w celu zwiększenia jego endosomalnej ucieczki i skuteczności transfekcji .
peptydy penetrujące komórki (CPPs) i reagujące na Ph peptydy fuzogeniczne są dwiema innymi klasami peptydów, które zostały rygorystycznie zbadane w celu wywołania wychwytu komórek i ucieczki endosomalnej, odpowiednio. Te klasy peptydów były stosowane zarówno w połączeniu, jak i jako składniki wielofunkcyjnych systemów dostarczania polimerów i liposomów. Większość peptydów CPP i fuzogenicznych pochodzi z toksyn bakteryjnych i wektorów wirusowych lub są syntetycznymi analogami naturalnie występujących peptydów. Trans-aktywujący czynnik transkrypcyjny HIV – 1 i peptyd antennapedia pochodzący z Drosophila są dwoma przykładami dobrze zbadanych CPP. Peptydy te są zazwyczaj bogate w aminokwasy kationowe, w wyniku czego stwierdzono, że syntetyczne, bogate w argininę CPP różnych typów pośredniczą w wychwycie biomakromolekularnych komórek ładunkowych. Fuzja CPP z domeną wiążącą dsRNA została wykorzystana do dostarczenia siRNA do komórek pierwotnych uważanych za trudne do transfekcji . Inne CPP pochodzące z Transportanu 10 (oznaczonego PepFect) i CADY zostały zaprojektowane do wydajnego dostarczania wewnątrzkomórkowego. Fuzje penetrujące nowotwór i CPP zostały wygenerowane, które wykazały wyciszenie onkogenu poprawiło przeżywalność u myszy zdolność CPP do wyzwalania internalizacji komórek została wykorzystana do dostarczania kilku klas ładunku terapeutycznego, w tym plazmidu DNA i siRNA (patrz recenzje CPP, aby uzyskać dodatkowe informacje).
peptydy Fuzogenne są peptydami reagującymi na pH, które mogą łączyć się z porami lub tworzyć pory przez błonę endosomalną. Przykładem jest toksyna błonicy, która ma podjednostkę, która tworzy pory przezbłonowe w endosomach, które umożliwiają wejście fragmentu toksyny połączonej z dwusiarczkiem do cytozolu . Innym przykładem jest hemaglutynina, białko grypy, które tworzy zależną od pH fuzję błony endosomalnej w celu dostarczenia wirusowego materiału genetycznego do cytoplazmy . Peptyd GALA jest syntetycznym, zależnym od pH, fuzogennym peptydem, który został szeroko scharakteryzowany . GALA samoskłada się i wstawia do dwuwarstw lipidowych o kwaśnym pH, tworząc porów, który pozwala na tranzyt błony . Na przykład Gala została z powodzeniem zastosowana w celu zwiększenia wydajności cytozolowego dostarczania ładunku kwasu nukleinowego pakowanego w PAMAM i liposomy .
polisacharyd chitozan, cyklodekstryny podobne do oligosacharydów i wiele innych glikopolimerów zawierających sacharydy stanowią inną klasę polimerów do dostarczania kwasu nukleinowego. Na przykład, naturalne anionowe polimery na bazie sacharydów mogą być wytwarzane w termodynamicznie stabilny kompleks polielektrolitu (PEC) NPs poprzez spontaniczne skojarzenie wyzwalane przez mieszanie polielektrolitów o przeciwnym ładunku, jak donosi Prokop et al. . Zazwyczaj PEC NPs są wytwarzane przez mieszanie polianionowych polimerów rdzeniowych, takich jak alginian lub siarczan chondroityny z polikatacjami koronowymi, takimi jak chlorowodorek sperminy lub chlorowodorek Poli(metylenowo-Ko-guanidyny). Wykazano , że to wielopolimeryczne podejście do nanocząstek jest skuteczne w transferze genów in vitro, szczególnie w systemach komórkowych, które są normalnie oporne na transfer genów, takich jak wysepki trzustkowe i komórki prezentujące antygen. Ponadto powierzchnie koronowe PEC mogą być dekorowane kompleksami PEG-ligand w celu zwiększenia celowania komórek i zmniejszenia nieswoistego wychwytu.
chitozan, polisacharyd złożony z jednostek glukozaminy i N-acetylo-glukozaminy połączonych wiązaniami glikozydowymi β (1→4), jest jednym z najdokładniej zbadanych polimerów sacharydowych. Chitozan korzysta z bycia” zielonym ” podejściem, ponieważ jest odnawialnym zasobem pochodzącym z chityny. Ten naturalny polimer jest również biodegradowalny i nietoksyczny. Laboratorium Alonso wprowadziło NPs na bazie chitozanu wytworzony w drodze żelowania jonotropowego, w oparciu o interakcje między ujemnymi grupami tripolifosforanu pentasodu i dodatnio naładowanymi grupami aminowymi na chitozanie. Chemia chitozanu jest również przystosowana do niewirusowej terapii genowej, ponieważ zawiera kilka pierwszorzędowych i drugorzędowych Amin zdolnych do endosomolizy poprzez efekt gąbki protonowej. Dlatego chitozan został zbadany jako polimer reagujący na pH w celu dostarczania kwasu nukleinowego. Howard et al. zastosował chitozan NPS zawierający siRNA, aby powalić wzmocnione zielone białko fluorescencyjne (eGFP) zarówno w ludzkich komórkach raka płuc H1299, jak i mysich makrofagach otrzewnowych (odpowiednio 77,9% i 89,3% zmniejszenie fluorescencji eGFP). Chitosan NP ma duży potencjał dostarczania przez błony śluzowe. Skuteczne RNAi in vivo uzyskano w oskrzelowych komórkach nabłonkowych transgenicznych myszy eGFP po podaniu donosowym preparatów chitozanu / siRNA (odpowiednio 37% i 43% w porównaniu do niedopasowania i nieleczonej kontroli). Głównymi wadami chitozanu są słaba rozpuszczalność w buforach fizjologicznych i niższa aktywność endosomolityczna w porównaniu z niektórymi silniejszymi polimerami gąbki protonowej. W rezultacie dokonano kilku wariantów chitozanu z modyfikacjami w celu zwiększenia ucieczki endosomalnej i rozpuszczalności. Na przykład Pei i imidazole zostały sprzężone z chitozanem w celu zwiększenia jego wydajności w terapiach genowych .
kationowe polimery zawierające beta-cyklodekstryny (β-CD) wykazały wczesną obietnicę klinicznego RNAi. Kationowe polimery na bazie β-CD (ßCDPs) syntetyzowane przez kondensację monomeru diamino-cyklodekstryny z komonomerem diimidatu są zdolne do tworzenia polipleksów z kwasami nukleinowymi, a ich wydajność transfekcji zależy od struktury ßCDP . Polikacje zawierające β-CD są szczególnie wyjątkowe, ponieważ cyklodekstryny zawierają wewnętrzną jamę, która może być wykorzystana do tworzenia kompleksów inkluzji z cząstkami hydrofobowymi. Na przykład β-CD wiąże się ściśle z hydrofobową cząsteczką, co zapewnia wygodny „uchwyt”, z którego można funkcjonalizować poliplexy powierzchniowe zbudowane z ßCDPs z PEG lub ligandami celującymi. Laboratorium Davisa przetłumaczyło tę koncepcję z badań stacjonarnych na badania kliniczne . Nośnik ten był podstawą raportu przedstawiającego pierwszy przykład ludzkiego RNAi z zastosowaniem ukierunkowanych polimerowych NPs. Nośnik ten składał się z ßCDPs funkcjonalizowanych zarówno z PEG, jak i ligand transferryny ukierunkowanej na raka . Po tym przełomowym odkryciu badanie kliniczne zostało zakończone głównie ze względu na toksyczne zdarzenia ograniczające dawkę, bez dalszych badań. Arrowhead Pharmaceuticals następnie skoncentrowało się na koniugatach i nie rozpoczęto dalszych badań klinicznych fazy III.
wiele innych nowych, syntetycznych glikopolimerów kationowych jest również w fazie rozwojowej do klinicznych zastosowań dostarczania kwasu nukleinowego . Laboratorium Reineke wniosło kluczowy wkład w tej dziedzinie (Zobacz najnowszą recenzję Ref. ), a przykładową klasą glikopolikacji opracowanych przez tę grupę są Poli (glikoamidoamina)s (PGAAs) . Biblioteka PGAAs powstała w wyniku reakcji kondensacji pomiędzy komonomerami węglowodanowymi i oligoaminowymi. Te PGAAs były zróżnicowane na podstawie różnych parametrów, w tym wielkości węglowodanów, liczby hydroksylowej i stereochemii, liczby amin oraz tego, czy występują grupy heterocykliczne. Polimery te zostały zbadane pod kątem dostarczania genów i zoptymalizowane preparaty zostały zidentyfikowane, które ułatwiają efektywne pakowanie DNA i właściwości dostarczania wewnątrzkomórkowego. Grupa Reineke poszukiwała również różnych polimerów na bazie trehalozy, a obiecujące wyniki nadal sugerują potencjał klinicznej translacji tej bezpiecznej i wydajnej klasy polimerów . Ten glikopolimer został również przystosowany do dostarczania aktywatora transkrypcyjnego opartego na CRISPR .
Exosomy to pochodzące z komórek pęcherzyki zewnątrzkomórkowe zawierające różne typy kwasów nukleinowych. Te naturalne Pojazdy uczestniczą w komunikacji komórkowej i są coraz częściej wykorzystywane w dostarczaniu leków i genów . Głównym wyzwaniem w wykorzystaniu exosomów do dostarczania genów jest ładowanie pojazdów kwasami nukleinowymi. Podczas gdy elektroporacja jest bardziej powszechną metodą ładowania DNA, sonikacja, wytłaczanie i cykle zamrażania-rozmrażania są innymi metodami ładowania exosomów . Obciążenie egzogennego siRNA lub DNA pozostaje wyzwaniem ze względu na niską wydajność i agregację podczas elektroporacji. W medycynie regeneracyjnej exosomy pochodzące z komórek macierzystych lub progenitorowych mogą zachęcać do regeneracji tkanek samodzielnie bez egzogennie dostarczonego DNA, w tym regeneracji mięśni , gojenia się ran , angiogenezy i naprawy chrząstki .