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Les petits ARN interférants (siRNAs) servent de médiateur au dépistage génétique post-transcriptionnel à travers une voie catalytique RNAi hautement spécifique, puissante et adaptable à pratiquement n'importe quel gène cible 1 . Ces caractéristiques prometteuses ont permis aux thérapeutiques de siRNA de progresser dans des essais cliniques humains pour le traitement de nombreuses maladies, dont le mélanome métastatique et l'hémophilie 2 , 3 . Cependant, des problèmes de livraison importants persistent qui ont entravé la traduction 4 . En particulier, les véhicules de livraison doivent rester stables et protéger les ARNs par dégradation extracellulaire, mais aussi libérer la charge utile dans le cytoplasme 5 . En outre, de nombreuses applications RNAi nécessitent des méthodes améliorées pour réguler le silence des gènes dans l'espace et le temps 6 , ce qui réduira les effets secondaires chez siRNA therapeutics 7 et permettra de transformer unDvances dans des applications allant des microarrays cellulaires pour la découverte de médicaments 8 à la modulation des réponses cellulaires dans les échafaudages régénératifs 9 . Ces défis mettent en évidence la nécessité de nouveaux matériaux et méthodes pour mieux contrôler la liaison et la libération dans les nanocarriers siRNA.
L'une des stratégies les plus prometteuses pour contrôler la libération de l'ARNi et l'amélioration de la régulation spatiotemporelle est l'utilisation de matériaux sensibles aux stimuli 10 . Par exemple, une grande variété de biomatériaux ont été conçus avec une affinité variable de liaison aux acides nucléiques en réponse à un potentiel ou pH rédox altéré, ou des champs magnétiques appliqués, des ultrasons ou de la lumière 11 . Bien que bon nombre de ces systèmes démontrent un contrôle amélioré de l'activité des acides nucléiques, l'utilisation de la lumière comme déclencheur est particulièrement avantageuse en raison de sa réponse temporelle instantanée, de sa résolution spatiale précise et de sa facilité d'accessibilité 12. En outre, le potentiel des technologies photo-sensibles pour la régulation de l'expression des gènes a été démontré par des systèmes inducteurs inducibles et des systèmes de régulation optogénétique à la fine pointe de la technologie; Cependant, ces systèmes souffrent de nombreux défis, y compris des capacités limitées pour réguler les gènes endogènes, des problèmes de sécurité tels que l'immunogénicité et les difficultés à fournir des assemblages multi-composants 13 , 14 , 15 . Les nanocarriers de siRNA sensibles à la photo sont idéalement adaptés pour surmonter ces inconvénients et fournir une approche plus simple et plus robuste de l'expression des gènes spatiotemportement modulables 16 , 17 , 18 . Malheureusement, les méthodes pour prédire avec précision la réponse de knockdown protéique résultante demeurent insaisissables.
Un défi majeur est que les évaluations quantitatives de la publication de siRNA sontRares 19 , 20 , et même lorsque ces évaluations sont effectuées, elles n'ont pas été couplées aux analyses de la dynamique du renouvellement des siRNA / protéines. La quantité de siRNA libérée et sa persistance / durée de vie sont des déterminants importants de la dynamique de suppression des gènes qui en résulte; Par conséquent, l'absence d'une telle information est une déconnexion majeure qui empêche une prédiction précise de la dose-réponse dans l'ARNm 21 . Répondre à ce défi permettrait d'accélérer la formulation des relations structure-fonction appropriées dans les nanocarriers et de mieux informer les modèles de biomatériau 22 . En outre, de telles approches permettraient le développement de protocoles de dosage de siRNA plus efficaces. Dans une tentative de comprendre la réponse au silence silencieux, plusieurs groupes ont étudié des modèles mathématiques de RNAi 23 , 24 , 25 . Ces cadres étaientA réussi à fournir des informations sur les changements de l'expression des gènes médiés par un siARN et l'identification des étapes de limitation du taux 26 . Cependant, ces modèles ont été appliqués uniquement aux systèmes commerciaux de distribution de gènes ( p . Ex. , La lipoprotéine et la polyéthylénimine (PEI)) qui ne sont pas capables de la libération si-ARN contrôlée et la complexité des modèles a considérablement limité leur utilité 27 . Ces lacunes mettent en évidence un besoin non satisfait de nouveaux matériaux capables d'obtenir une version de siRNA à réglage précis combinée à des modèles cinétiques prédictifs simplifiés et faciles à utiliser.
Notre méthode aborde tous ces défis grâce à l'intégration d'une plate-forme nanocarrier sensible à la lumière avec des méthodes couplées pour quantifier la dynamique de l'ARNi siRNA et du modèle. En particulier, la version de siRNA 28 contrôlée avec précision de notre plate-forme est surveillée par deux méthodes complémentaires pour quantifier avec précision encapsulated vs. unUn siRNA lié. Les données expérimentales de ces essais sont entrées dans un modèle cinétique simple pour prédire l'efficacité du silence génétique a priori 29 . Enfin, la nature marche / arrêt des nanocarriers est facilement exploitée pour générer des modèles cellulaires dans l'expression des gènes avec un contrôle spatial sur l'échelle de longueur cellulaire. Ainsi, cette méthode fournit une méthode facilement adaptable pour contrôler et prédire le silence des gènes dans une variété d'applications qui bénéficieraient de la régulation spatiotemporelle du comportement cellulaire.