Les polymères dérivés de sources naturelles ou de monomères
Les acides aminés et les matériaux à base de saccharides ont été largement explorés pour l’administration d’acides nucléiques, comme ils ont été examinés plus en détail ailleurs. Ces éléments constitutifs naturels ont le potentiel d’avoir une cytotoxicité réduite et, s’ils sont optimisés, une fonction globale supérieure par rapport aux biomatériaux entièrement synthétiques. Ici, les polymères d’administration d’acide nucléique à base de peptides et à base de glucides seront étudiés (Fig. 29.7B).
Le premier polymère à base d’acides aminés poursuivi était le poly(Lys), et de nombreuses itérations de ce polymère cationique ont été largement étudiées de manière similaire à PEI et aux autres polycations synthétiques décrites ci–dessus. Le Poly (Lys) peut complexer efficacement les acides nucléiques, mais son efficacité de transfection est faible et nécessite un traitement cellulaire avec des agents endosomolytiques tels que la chloroquine pour améliorer l’expression des gènes. Néanmoins, les premières études sur le poly (Lys) ont fourni d’importantes connaissances mécanistiques liées à la formulation du polyplexe, au trafic intracellulaire et à l’évasion des endosomes. Bien que les promesses cliniques de poly (Lys) soient limitées, ces premières études ont eu un impact significatif sur le terrain.
La Poly(histidine) (poly(His)) est un autre polymère à base d’acides aminés qui a montré une certaine utilité pour la thérapie génique. L’acide aminé His possède un groupe R-imidazole contenant une amine secondaire qui confère au poly (His) une activité d’éponge à protons pour l’échappement endosomique. Des polymères contenant à la fois des Lys et des His ont également été utilisés avec succès dans des combinaisons. Dans ces polymères hybrides, les amines primaires sur Lys sont entièrement protonées et cationiques à pH physiologique, ce qui permet une complexation électrostatique efficace avec l’ADN. La pKb inférieure des amines secondaires de His fournit une activité complémentaire d’éponge à protons pour l’évasion des endosomes. L’efficacité de transfection des polymères avec du poly(His) greffé sur du poly (Lys) est significativement améliorée par l’ajout de l’agent de perturbation endosomique chloroquine, indiquant que les polymères seuls sont encore partiellement sujets au piégeage endosomique. Des architectures hautement ramifiées de polymères His /Lys et de polycations réductibles contenant des His ont également été trouvées pour délivrer efficacement des siRNA. Il existe également un précédent pour l’incorporation de sous–unités à base d’acides aminés dans d’autres systèmes de thérapie génique afin de produire des « hybrides » avec une fonctionnalité d’administration améliorée. Par exemple, His a également été utilisé pour modifier le chitosane (discuté plus loin) pour améliorer son efficacité d’échappement endosomique et de transfection.
Les peptides pénétrants dans les cellules (PPC) et les peptides fusogènes sensibles au pH sont deux autres classes de peptides qui ont été rigoureusement explorées pour déclencher respectivement l’absorption cellulaire et l’évasion endosomale. Ces classes de peptides ont été utilisées à la fois en combinaison et en tant que composants de systèmes d’administration multifonctionnels de polymères et de liposomes. La plupart des peptides CPP et fusogènes sont dérivés de toxines bactériennes et de vecteurs viraux, ou ce sont des analogues synthétiques des peptides naturels. Le facteur transcriptionnel activant le VIH-1 et le peptide antennapedia dérivé de la Drosophile sont deux exemples de PPC bien étudiés. Ces peptides sont généralement riches en acides aminés cationiques et, par conséquent, des CPP synthétiques riches en arginine de divers types ont également été trouvés pour médier l’absorption des cellules cargo biomacromoléculaires. La fusion d’un CPP avec un domaine de liaison à l’ARND a été utilisée pour délivrer un ARNSI dans des cellules primaires considérées comme difficiles à transfecter. D’autres CPP dérivés de Transportan 10 (désigné PepFect) et CADY ont été conçus pour une administration intracellulaire efficace. Des fusions de CPP pénétrant la tumeur et de CPP ont été générées qui ont montré le silençage d’un oncogène amélioration de la survie chez la souris La capacité des CPP à déclencher l’internalisation cellulaire a été mise à profit pour l’administration de plusieurs classes de cargaison thérapeutique, y compris l’ADN plasmidique et l’ARNSI (voir les revues du CPP pour plus d’informations).
Les peptides fusogènes sont des peptides sensibles au pH qui peuvent fusionner avec ou former des pores à travers la membrane endosomale. Un exemple est la toxine diphtérique, qui a une sous-unité qui forme des pores transmembranaires dans les endosomes qui permettent l’entrée d’un fragment de toxine lié au disulfure dans le cytosol. Un autre exemple est l’hémagglutinine, une protéine grippale qui crée une fusion membranaire endosomale dépendante du pH pour livrer le matériel génétique viral dans le cytoplasme. Le peptide GALA est un peptide fusogène synthétique dépendant du pH qui a été largement caractérisé. GALA s’auto-assemble et s’insère dans les bicouches lipidiques à pH acide, formant un pore qui permet le transit de la membrane. Par exemple, GALA a été appliqué avec succès pour améliorer l’efficacité de la livraison cytosolique de la cargaison d’acide nucléique emballée dans du PAMAM et des liposomes.
Le chitosane polysaccharidique, les cyclodextrines de type oligosaccharides et une variété d’autres glycopolymères contenant des saccharides représentent une autre classe de polymères pour l’administration d’acides nucléiques. Par exemple, des polymères anioniques naturels à base de saccharides peuvent être fabriqués en NPS du complexe polyélectrolyte (PEC) thermodynamiquement stables par association spontanée déclenchée par le mélange de polyélectrolytes de charge opposée, comme rapporté par Prokop et al. . Typiquement, les NP PEC sont fabriqués en mélangeant des polymères à noyau polyanionique, tels que l’alginate ou le sulfate de chondroïtine avec des polycations corona telles que le chlorhydrate de spermine ou le chlorhydrate de poly (méthylène-co-guanidine). Cette approche nanoparticulaire multipolymérique s’est avérée efficace pour le transfert de gènes in vitro, en particulier dans les systèmes cellulaires normalement réfractaires au transfert de gènes, tels que les îlots pancréatiques et les cellules présentatrices d’antigènes. De plus, les surfaces coronales PEC peuvent être décorées avec des complexes de ligands PEG pour augmenter le ciblage cellulaire et réduire l’absorption non spécifique.
Le chitosane, un polysaccharide composé d’unités glucosamine et N-acétyl glucosamine liées par des liaisons glycosidiques β (1→4), est l’un des polymères saccharidiques les plus étudiés. Le chitosane bénéficie d’une approche « verte », car il s’agit d’une ressource renouvelable dérivée de la chitine. Ce polymère naturel est également biodégradable et non toxique. Le laboratoire Alonso a introduit des NPS à base de chitosane fabriqués par gélification ionotrope, basés sur l’interaction entre les groupes négatifs du tripolyphosphate pentasodique et les groupes amino chargés positivement sur le chitosane. La chimie du chitosane est également adaptable à la thérapie génique non virale, car il contient plusieurs amines primaires et secondaires capables d’endosomolyse via l’effet éponge de protons. Par conséquent, le chitosane a été examiné en tant que polymère sensible au pH pour l’administration d’acide nucléique. Howard et coll. on a utilisé des NPs de chitosane contenant du siRNA pour éliminer la protéine fluorescente verte améliorée (eGFP) dans les cellules de carcinome pulmonaire humain H1299 et les macrophages péritonéaux murins (réduction de 77,9% et 89,3% de la fluorescence de l’eGFP, respectivement). Le NP de chitosane a un fort potentiel d’administration transmucosale. Un ARNi in vivo efficace a été obtenu dans les cellules épithéliales bronchiolaires de souris eGFP transgéniques après administration nasale de formulations de chitosane / ARNsi (réduction de 37% et 43% par rapport à l’inadéquation et au contrôle non traité, respectivement). Les principaux inconvénients du chitosane sont une faible solubilité dans les tampons physiologiques et une activité endosomolytique inférieure à celle de certains polymères éponge à protons plus forts. En conséquence, plusieurs variantes du chitosane ont été apportées avec des modifications pour augmenter l’échappement endosomique et la solubilité. Par exemple, l’Î.-P.-É. et les imidazoles ont tous deux été conjugués au chitosane pour améliorer ses performances dans les thérapies géniques.
Les polymères cationiques contenant des bêta-cyclodextrines (β-CD) ont montré une promesse précoce pour l’ARNi clinique. Les polymères cationiques à base de β-CD (ßCDPs) synthétisés par condensation d’un monomère diamino-cyclodextrine avec un comonomère diimidate sont capables de former des polyplexes avec des acides nucléiques, et leur performance de transfection dépend de la structure ßCDP. Les polycations contenant du β-CD sont particulièrement uniques car les cyclodextrines contiennent une cavité intérieure qui peut être utilisée pour former des complexes d’inclusion avec des fractions hydrophobes. Par exemple, le β-CD se lie étroitement à la molécule hydrophobe adamantine, ce qui fournit une « poignée » pratique à partir de laquelle fonctionnaliser les polyplexes de surface fabriqués à partir de ßCDPs avec des ligands PEG ou de ciblage. Le laboratoire Davis a traduit ce concept de paillasse en essais cliniques. Ce vecteur a servi de base à un rapport démontrant le premier exemple d’ARNi humain utilisant des NPs polymères ciblés. Ce transporteur était composé de ßCDPs fonctionnalisés à la fois avec le PEG et le ligand ciblant le cancer transferrine. Après cette découverte historique, l’essai clinique a pris fin principalement en raison d’événements toxiques limitant la dose sans aucun essai de suivi. Arrowhead Pharmaceuticals s’est ensuite concentré sur les conjugués et aucun essai clinique de phase III de suivi n’a été initié.
Une variété d’autres nouveaux glycopolymères cationiques synthétiques sont également en cours de développement pour des applications cliniques de l’administration d’acides nucléiques. Le laboratoire Reineke a apporté des contributions clés dans ce domaine (voir revue récente Réf. ), et un exemple de classe de glycopolycations développées par ce groupe sont les poly (glycoamidoamine) s (PGAA). Une banque de PGAA a été réalisée par la réaction de condensation entre les comonomères glucidiques et oligoaminiques. On a fait varier ces AGP en fonction de divers paramètres, notamment la taille des glucides, le nombre et la stéréochimie d’hydroxyle, le nombre d’amines et la présence ou non de groupes hétérocycliques. Ces polymères ont été sélectionnés pour la délivrance de gènes, et des formulations optimisées ont été identifiées qui facilitent le conditionnement efficace de l’ADN et les propriétés de délivrance intracellulaire. Le groupe Reineke a également recherché une variété de polymères à base de tréhalose, et des résultats prometteurs continuent de suggérer le potentiel de traductibilité clinique de cette classe de polymères sûre et efficace. Ce glycopolymère a également été adapté pour fournir un activateur transcriptionnel à base de CRISPR.
Les exosomes sont des vésicules extracellulaires dérivées de cellules contenant une variété de types d’acides nucléiques. Ces véhicules naturels participent à la communication cellulaire et sont de plus en plus utilisés dans la délivrance de médicaments et de gènes. Un défi majeur dans l’utilisation des exosomes pour la livraison de gènes est le chargement des véhicules avec des acides nucléiques. Alors que l’électroporation est la méthode la plus courante de chargement de l’ADN, les cycles de sonication, d’extrusion et de gel-dégel sont d’autres méthodes de chargement des exosomes. La charge d’ARNSI ou d’ADN exogène reste un défi en raison de la faible efficacité et de l’agrégation lors de l’électroporation. Pour la médecine régénérative, les exosomes dérivés de cellules souches ou progénitrices peuvent encourager la régénération tissulaire par eux-mêmes sans ADN délivré de manière exogène, y compris la régénération musculaire, la cicatrisation des plaies, l’angiogenèse et la réparation du cartilage.