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Bioengineering

用于细胞质 siRNA 传递的带电反应性聚合物纳米粒子的制备

Published: May 2, 2019 doi: 10.3791/59549

Summary

介绍了制备和表征含中子、ph 响应的 siRNA 纳米粒子的物理化学特性和生物活性的方法。讨论了成功的 siRNA 纳米胺的标准, 如大小、形态、表面电荷、siRNA 负载和基因沉默。

Abstract

SiRNA 作为靶向分子医学的成功取决于它对病理组织内细胞的有效细胞质传递。用 siRNA 治疗以前 "不可吸毒" 的肝病目标的临床成功已经取得。然而, 有效的肿瘤 siRNA 传递需要额外的药代动力学设计考虑, 包括长循环时间, 逃避清除器官 (如肝脏和肾脏), 以及肿瘤的渗透和保留。在这里, 我们描述了聚合物纳米粒子的制备和体外物理化学生物学特性, 设计用于高效 siRNA 传递, 特别是非肝组织, 如肿瘤。SiRNA 纳米颗粒是通过 siRNA 和多聚二块共聚物 (乙二醇-b-[2-(二甲基氨基) 甲基丙烯酸乙酯) (peg-db) (聚乙二醇-db) (聚乙二醇-db) 制备的聚离子复合物 ((即 siRNA 被隔离在多聚核中, PEG 形成亲水性、含中子电晕。此外, DB 阻滞成为膜溶解作为囊泡的内皮溶酶体途径酸化 (< pH 6.8), 触发内染色体逃逸和细胞质传递 siRNA。介绍了分析 siRNA 纳米粒子的大小、表面电荷、粒子形态和 siRNA 负载等物理化学特性的方法。以荧光素酶为模型基因, 测定了 siRNA 纳米粒子的生物活性, 并进行了快速、高通量的基因沉默检测。通过这些初步测试的设计 (如基于 Peg-dbs 的多指) 被认为适合转换为评估 siRNA 输送到肿瘤或其他病理部位的临床前动物研究。

Introduction

由于 sirna 抑制了蛋白质从 mrna 序列中的转化, 理论上可以用于药物治疗所有已知的疾病1,2,3,4,5。然而, sirna 在医学中的应用受到 sirna分子 6,7的综合不良药代动力学特性的限制。静脉注射时, sirna 通过肾脏迅速清除, 并被核酸酶8, 9 降解。由于其巨大的体积和负电荷, siRNA 不能进入细胞或逃避内皮溶酶体通路, 以访问存在于细胞溶胶 10,11,12中的 rna 诱导沉默复合体 (risc), 13岁因此, 广泛的努力集中在 siRNA 交付战略设计和实施14。这项工作主要集中在开发基于脂质和聚合物的纳米粒子, 这些纳米颗粒包裹 sirna, 保护其免受体内清除和降解, 并通过可电离的阳离子胺基团启动细胞吸收和体内逃逸。临床前的许多成功已经报告, 最近, 第一个临床成功已报告纳米颗粒为基础的肝 siRNA 交付治疗遗传性转胸腺素介导 (hATTR) 淀粉样变 15.

目前有许多致癌基因被传统的药理学 (即小分子药物) "不能下药", 这些基因激励着聚合物 siRNA 纳米颗粒 (si-NPs) 的设计来治疗癌症16。然而, 对于非肝 siRNA 的传递, 必须考虑一组单独的设计参数。输送系统必须保护导致全身循环内的阳离子电荷17,18,19。具体而言, 对于肿瘤的传递, si-np 稳定性对于延长循环, 从而通过增强的渗透性和保留率 (epr) 效应20,21增加肿瘤内的积累是必不可少的。此外, 控制 si-NP 尺寸是必不可少的, 因为只有纳米颗粒直径约 20-200 nm 大小利用 EPR22, 和较小的 si-NP (~ 20–50 nm 直径) 表现出更好的肿瘤渗透比较大的纳米粒子和微粒子23

为了解决这些额外的设计限制, 在静脉给药后的 siRNA 的系统肿瘤交付, 已经开发出了中电性强的、抗 ph 反应的 sinps (图 1)24。这些硅-nps 是聚乙二醇化的, 或最近的, Zwitter电离 25, 用于中性表面电荷和抗蛋白质吸附和在循环中的光氧化。由于他们不能仅仅依靠阳离子性质来驱动细胞内的传递, 非常有效的子宫内膜逃逸是实现强大的基因沉默的必要条件。因此, 这些 si-NPs 的核心是由一个高度内溶酶的核心, 在细胞外 pH 值 (7.4) 时是惰性的, 但在内索染色体通路的酸化条件下, 这种核心是以类似开关的方式触发的 [pH 6.8 (早期内生体)-5.0 (溶酶体)]。最后, 锡素核心中的阳离子和疏水含量的混合物提供静电和范德华稳定力, 与单纯的阳离子系统相比, 提高了血液中西诺的稳定性。

使用可逆加法-碎片链转移 (RAFT) 控制聚合来生产结构复杂、成分精确的聚合物, 可以将许多功能集成到相对简单的设计中。为了生产具有中性表面电荷、ph 响应能力和 NP 稳定性的硅-NP, RAFT 用于合成聚 (乙二醇-b-[2-[二甲基) 乙基甲基丙烯酸甲酯 (peg-db);图 1a)。PEG-DB 与 siRNA 静电络合, 形成具有 PEG 电晕和 Db/sirna 核的 Sip-nps (图 1b)。PEG 在 si-NP 日冕上形成一个惰性的、带电的亲水层。DB 块由50:50 摩尔比 2-(二甲基氨基) 甲基丙烯酸乙酯 (DMAEMA) 和甲基丙烯酸丁酯 (BMA) 组成。阳离子 DMAEMA 静电复合物负电荷 siRNA。BMA 自联内的 np 核心由范德华斯相互作用, 提高 NP 稳定性。DMAEMA 和 BMA 结合在一起, 将 ph 依赖性脂质双裂解行为传递给 db 聚合物块。在细胞外 pH 值时, DB 块被隔离到 si-NP 核, 并对脂质双层体惰性。在酸性条件下, 如在内皮酶体途径内, DB 块内的可电离 DMAEMA 促进了海绵上的原生质效应, 其中子宫内膜缓冲导致渗透肿胀和破裂26。此外, DB 块内的疏水 BMA 摩尔体积极整合和裂解脂质双层, 从而产生有效的内溶。因此, siRNA 与 PEG-DB 相结合, 形成在细胞外 pH 值时具有中子电荷和高度稳定的 sinps, 但在酸性 pH 值时会破坏脂质双层, 从而确保 siRNA 有效载荷的细胞质传递。

本文介绍了从 PEG-DB 中生产锡-Nps 的实验过程。提出并讨论了测定西-np 理化参数和生物活性的方法。为了快速评估 si-NP 的生物活性, 利用荧光素酶作为敲除研究的模型基因。萤火虫荧光素酶是导致萤火虫 "发光" 的蛋白质.因此, 用萤火虫荧光素酶基因转染的哺乳动物细胞产生一种生物发光 "辉光", 可以使用流量计来量化荧光酶表达水平。在这里, 我们使用荧光素酶来评估西 n 的生物活性, 通过传递 siRNA 来对抗荧光素酶, 并量化与接收拼接 sirna 的细胞相比, 荧光素表达细胞中生物发光的相应减少。

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Protocol

1. 西门子的制备和表征

  1. si-NP 制剂
    1. 将聚合物溶解在 10 mM 柠檬酸缓冲液 (pH 4.0) 中 3.33 mg/mL。聚合物可以首先在乙醇中的10倍浓度下溶解, 以确保溶解。
      注: 聚合物可以在较低的浓度下溶解, 但在浓度高于 3.33 Mg\ ml 的情况下使用可以防止均匀的 NP 形成。
    2. 加入 siRNA (直径50μm), 使 n +:P-比率为 10.通过移液将聚合物和 siRNA 溶液彻底混合, 孵育30分钟。N+:P-比率表示聚合物上的正电荷胺基团的数量与 sirna 上的负电荷磷酸盐基团的数量, 并通过以下公式计算:
      Equation
      其中, mol pol 是聚合物的摩尔量, RU 胺是每种聚合物的正电荷胺的重复单位数, mol siRNA 是 siRNA 的摩尔量, 而 bp siRNA 是每个 siRNA 分子的碱基对数。
    3. 加入5倍的过剩 10 mm 磷酸盐缓冲液 (pH 值 8.0), 通过移液或倒置管轻轻混合。为了确认最终的 pH 值是中性的 (~ 7.2-7.5), 将 sice-np 溶液的液滴10Μl 放在 pH 测试条上。
      注: 柠檬酸和磷酸盐缓冲液是根据米理多孔西格玛缓冲器参考中心图制备的。
  2. 硅-nps 的理化表征
  3. 使用动态光散射 (DLS) 记录产生的 sinps 的大小和表面电荷。通过将1毫升的 si-NPs (0.1–1.0 mg/mL) 通过0.45μm 孔大小的注射器过滤器过滤成方形石英或聚苯乙烯立方, 制备 DLS 样品。根据制造商的规格, 使用 DLS 仪器记录尺寸和表面电荷测量。
    1. 利用透射电子显微镜 (TEM) 进行成像分析, 确定 si-NPs 的大小和形态。
      1. 在 tem 栅格中加入5μl 的 si-NP 溶液, 孵育 60秒. 干3。
      2. 加入5μl 的3% 醋酸铀溶液, 孵育20秒干燥 3个月. 干燥后过夜。
      3. 根据为使用特定显微镜而建立的协议建立的图像网格。
    2. 利用琼脂糖凝胶阻滞法, 以不同的 N+:P表征西 rna 在锡氮素中的负载。
      1. 在 pH 值8.0 时, 在 1X tae (醋酸-edta) 缓冲液中加入2克电泳级琼脂糖粉。搅拌暂停琼脂糖。微波中发现的热量, 直到所有琼脂糖溶解 (1-3分钟)。
      2. 冷却后, 加入5μl 溴化乙酯 (h2o 中的 10 mgml), 搅拌均匀。将琼脂糖倒进凝胶盘中, 放置梳子产生井, 让干燥 30分钟, 小心地取出梳子留下装载井, 用 1x tae 缓冲液将凝胶托盘填充到最大填充线。
      3. 在0、1、2、5、7、10、20和 40n +:P比率时生成 sin (根据上述程序)。将2μl 负载染料 (无 SDS 和还原剂) 放入每个 si-NP 配方的石蜡膜上。用移液器将10Μl 的 si-NP 溶液与加载染料混合在石蜡膜上。
      4. 在琼脂糖凝胶井中加入西-np加载染料溶液。在 100 V 处运行电压源 35分钟 (或直到样品穿过凝胶长度的 80%)。
      5. 根据制造商的规格, 在 UV 透射灯上可视化 sirna 带。

2. 西-np 的体外生物活性测定

  1. 模型基因荧光素酶的击倒
    1. 使用荧光素酶 siRNA 生成荧光素酶 si-NPs (根据上述程序), 并使用拼接 sirna 序列作为对照进行拼接。在相同的最终 N+:P和琼脂糖凝胶阻滞研究确定的最佳比, formualte 都是 si-nps。示例 siRNA 序列包含在材料表中
    2. 种子荧光素表达细胞 [Mda-mb-23er 路长酶 (Bsd) 稳定细胞] 在96孔的黑壁板上, 密度为每口 2, 000 细胞。允许在孵化器 (37°C, 5% CO 2, 95% 湿度) 中全介质 (DMEM, 10% FBS) 过夜.
    3. 将 si-NPs 稀释到完整的血清培养基中, 最终体积为每口 100μl, siRNA 浓度为 100 nM。用 si-NPs 治疗24小时细胞。
    4. 24小时后, 取出治疗, 用含有 150μgml d-荧光素的完整血清介质取代培养基。在根据制造商的规格测量板式读取器或体内光学成像系统上的发光之前, 对细胞进行5分钟的孵化。
    5. 将含荧光素的培养基更换为新鲜的、完整的血清培养基, 再孵育24小时。重复上述步骤, 去除培养基, 用含有 150μgml d-荧光素的全血清介质取代, 然后在48小时测量48小时的时间点上的发光时间前进行5分钟的孵育。
    6. 对于纵向研究, 在测量发光时, 在无菌条件下保持细胞。更换含荧光素后, 在测量之间继续在新鲜、完整的介质中培养。
      注: 适当的 siRNA 浓度会因不同的 sinp 和 siRNA 分子而异。当使用具有共锁溶解核 (例如 PEG-DB) 的中压多管时, 100 nM 通常能被细胞耐受性良好, 并产生 & gt;75% 的荧光素酶敲除。PEG-DB 与 Sirna 在 10n +:P 和100 nm sirna 处理 (假设为 26 bp sirna) 下的质量比率为 23.3, 即每 1.0 ng sirna 添加 23.3 ng peg-db。例如, 在96孔板 (每口100毫升介质体积) 中, 为 166.5 ng 的 siRNA 添加1.16μl 的 3.33 Mg/ml 聚合物, 以在 100 nm 的水平上处理一口井。

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Representative Results

有效的 sinp 在体内 Srna 传递的一些基本特征是适当的大小 (约 20-200 nm 直径)、siRNA 包装和基因沉默的生物活性。虽然这不是一个详尽无遗的清单 (如讨论中所述), 但在考虑进一步测试某一提法之前, 应确认这些基本特征。

图 2说明了在配方时 si-NP 尺寸和表面电荷的特性。DLS 和 TEM 被用作观察 si-NP 尺寸 (两者)、多分散性 (DLS) 和形态学 (TEM) 的补充方法。DLS 测量表明, si-NP 1 的平均直径为 35 nm, 单峰分布由单个峰值的存在表示, 而较低的分散性表现为相对较窄的峰值宽度 (图 2a)。透射电镜测量证实了 DLS 的尺寸测量, 表明存在一个均匀的 sinps 种群, 并揭示了西门子的球状形态 (图 2C)。对 si-np 2 的 dls 和 tem 测量显示, 它的平均直径 gt;200 为 1, 500 纳米、多模态和多分散群以及溶液中的集合体, 没有形成明显的颗粒形态 (图 2b, d)).Si-NPs 1 和2都显示中性表面电荷, 由接近零的平均值 zeta 势值表示 (图 2e)。

采用琼脂糖凝胶阻滞法表征了 siRNA 在 si-NPs 中的负载效率。未络合 siRNA 通过琼脂糖凝胶迁移, 并在凝胶底部进行可视化 (由于溴化乙酯的结合)。当 siRNA 与聚合物复合形成 si-NPs 时, 通过琼脂糖凝胶的迁移会受阻, siRNA 会在凝胶顶部 (或被装入油井的地方) 被可视化。对于基于 Peg-dbs 的 si-NPs, 在以 ~10-20 n +:P 比实现完全络合之前, 复用会随着 n +:P 比的增加而增加 (图 3)。

荧光素酶作为快速评估西-np 基因沉默生物活性的模型基因。通过平板读取器或体内光学成像系统进行生物发光测量, 可以快速、高通量地定量荧光酶蛋白的良好表达。与通过 PCR (基因表达) 和西方印迹 (蛋白质表达) 等传统分子分析分析基因沉默相比, 这种技术的速度更快、更便宜、负担更轻。该方法用荧光素酶西-nps 和拼接硅-nps (作为对照) 处理荧光素酶表达细胞, 并通过将发光信号与未经处理的细胞进行比较, 计算出% 荧光素酶活性。与拼接的 si-np 对照相比, 生物活性荧光素酶 si-NPs 的荧光素酶活性会显著降低, 如图 4中的 si-NP 1 所示。相反, 与拼凑的 si-np 控制 (如 si-np 2) 相比, 不会降低荧光素酶活性的荧光素酶 Si-NPs 不被视为生物活性 (图 4)。通常48小时是最大的基因沉默时间 (图 4), 但我们观察到, 在治疗后的时间点, 基因沉默的时间很大。

Figure 1
图1。聚合物化学和四五分式神经网络原理图.(A) PEG-DB 偶联剂的化学成分, 它构成了 si-NPs 并赋予中性表面电荷 (peg 块) 和 ph 响应行为 (db 块)。(B) 西门子的自组装。在 pH 值4.0 时, DB 块是水溶性的, 因为 DMAEMA 三胺具有很高的质子化作用。正电荷 DB 阻断静电复合物负电荷 siRNA 分子。然后, 通过添加 5倍 pH 值8.0 磷酸盐缓冲液, 将 PH 值调整到 ~ 7.4, 从而导致 DB 块的 "亲水化", 并在 sinps 的核心中对 sirna 和 DB 进行固存. 请点击此处查看此图的更大版本.

Figure 2
图2。Si-NP 尺寸、表面电荷和形貌的 DLS 和 TEM 特性.(A, c) Si-np 1 代表一个具有适当尺寸 (~ 50-100 nm 直径) 的均匀样本, 而 (b, d) si-np 2 则形成了不受欢迎的、大的和多分散的聚集体。(E) 两个 si-nps 都显示近中性表面电荷 (zeta 电位)。错误条表示标准错误。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 3
图3。琼脂糖凝胶阻滞法评价西-np siRNA 加载效率.凝胶底部 siRNA 带的消失表明 siRNA 与聚合物的络合。聚合物络合 siRNA 无法通过凝胶迁移, 因此在装填井附近的凝胶顶部进行可视化。随着 N+:P比的增加, sirna 络合增加, 如凝胶底部 sirna 带强度降低所示。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 4
图4。西 np 介导的模型基因荧光素酶在荧光素酶 MDA-MB-231 细胞中的敲除.在 (a) 24小时和 (b) 48小时后处理的荧光素酶活性与拼接的西-nM 或荧光素酶西-NM 在 10n +:P -比率和 100 nm sirna 剂量。% 荧光素酶活性是通过将处理样品 (拼接和荧光素酶) 的发光信号除以未经处理的细胞的发光信号来计算的。注: si-NP 1 代表了具有基因沉默生物活性的有效制剂, 而 si-NP 2 代表了一种没有基因沉默生物活性的制剂。(*) 表示与给定时间点的配方的拼接组相比, 有统计学意义上的差异 (p < 0.05)。错误条表示标准错误。请点击这里查看此图的较大版本.

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Discussion

这里描述的硅-nps 是由阴离子 siRNA 和阳离子聚合物与聚离子复合物 (聚多层) 的静电结合而成的。PEG-DB 聚合物的静态络合促进了 Peg-db 聚合物的阳离子复合 (4.0)。在 pH 值4.0 时, DMAEMA 具有很高的质子化作用, 因此 DB 块的电脉冲很高。这确保了聚合物作为 unimers 溶解在溶液中, 而不是形成胶束, 并且数据库复合体高效率地与 siRNA。随后, 溶液的 pH 值调整为中性 (pH 7.4), 导致 DB 块的 "疏水化"、胶束的形成, 以及复合 sirna 在所产生的多面体核心中的夹入。这些多孔被设计成 peg 在 DB/siRNA 核周围形成亲水的惰性外壳, 从而产生中性表面电荷, 这是系统给药所必需的。聚合物化学和多普勒斯形成过程如图 1所示。

对 si-NPs 的严格物理化学表征对于确定配方是否适合于生物测试至关重要。尺寸、表面电荷和颗粒形状的形态都是影响生物性能的重要参数。对于肿瘤的系统分娩, si-NP 大小应在直径22 的20-200 纳米之间, 最近的研究表明, 20-50 纳米直径的颗粒是理想的 23。表面电荷应为中性或轻微负电荷, 以最大限度地减少蛋白质的吸附和光氧化28。研究了颗粒形状与药代动力学颗粒清除之间的关系, 表明高长宽比的颗粒比球状颗粒是可取的 29,30,31。然而, 到目前为止, 球形粒子仍然是最常用的, 据我们所知, 是唯一被转化为肿瘤学研究的粒子形状。

需要注意的是, 多层的均匀和一致的形成, 如这里介绍的硅-nps, 取决于一系列物理化学参数。我们的经验发现, 聚 plex 浓度, 溶液的 pH 值, 以及聚合物与 siRNA (N+:P 比)的比率, 都对多普莱克斯的形成产生了巨大的影响。在我们手中, siRNA 浓度对多普类化合物的形成没有很大的影响, 但使用超过 3.33 mgmml 的聚合物浓度会导致形成大型聚集体和不一致的聚类化合物尺寸。由于这些 si-NPs 具有 ph 响应能力, 当 si-NP 溶液的最终 pH 值过于酸性 (< pH 7.2) 时, 可能会出现各种问题。防止这些并发症的两种方法是在纯Dih2o 中对聚合物进行冻干, 以便在溶解时没有盐改变缓冲液成分, 并频繁地重新制造缓冲液, 以防止缓冲 ph 值随着时间的推移 "漂移"。请注意, 在制造 Si-np 之前, 每次都应确认缓冲液的 ph 值, 并且应始终验证 si-NP 溶液的最终 pH 值。最后, 西-nps 的 N+:P 比影响 sirna 加载效率和多聚物理化学参数。通常存在一个理想的 N+:P, 在这个比率中, 所有的 sirna 都被加载, 但没有过多的非络合聚合物, 形成单独的胶束群, 并增加细胞毒性。对于这里介绍的 sinps, N+:P- 10-20 是观察到最佳一致性和性能的范围。

荧光素酶记者细胞系在这里用于快速和高通量分析西-np 生物活性。在开始生物活性分析之前, 必须生成或购买荧光素酶报告细胞系, 因此需要在时间和费用方面进行初步投资。然而, 使用荧光素酶报告细胞来评估基因沉默是更快, 更适合高通量分析, 并更便宜随着时间的推移执行 RT-PCR (以测量 mrna 表达) 或西方斑点 (以测量蛋白质表达)。例如, 在本分析中测量发光通常只需要几分钟, 而不是执行 RT-PCR 或西方印迹所需的全天或多天过程。此外, 发光测量可以在井板上进行, 允许同时对许多样品进行定量 (作者使用了多达96孔板)。最后, D-luciferin 是唯一需要的试剂超越典型的细胞培养试剂, 使这种方法比 RT-PCR 或西方印迹更经济实惠。然而, 应该注意的是, 荧光素酶报告细胞检测仅限于评估模型基因荧光素酶的基因沉默, 不能用于测量其他感兴趣的 "治疗基因" 的基因沉默。因此, 作者向读者推荐了几项研究, 其中 rt-pcr 和/或西方印迹被用来评估感兴趣的治疗基因的基因沉默24,32,33,34

除了生物活性, 研究人员最好考虑一个全面的体外生物测试, 以表征西-np 性能。上述荧光素酶检测也可用于通过将炒硅-np 处理细胞的发光信号与未经处理的细胞进行比较, 从而评估细胞的活力。由于 siRNA 是一个非靶向序列, 发光的任何变化都可以归因于 sinps 对细胞活力的非特定影响, 而这种影响通常取决于聚合物化学和摩尔量。流式细胞仪和荧光显微镜技术可用于评估细胞对硅-nps 的吸收使用荧光标记 sirna, 聚合物, 或两者兼而有之。此外, 分子技术, 如干细胞-循环 PCR 和 Argonatt 2 免疫沉淀可用于精确测量细胞内 siRNA 水平。由于 siRNA 只有在被输送到细胞溶胶时才是生物活性的, 在那里它被加载到 RISC 中, sirp 必须触发 siRNA 一旦被细胞内化的内部精子逃逸。用于实验测量子宫内膜逃逸的方法包括红细胞溶血试验 (由 Evans 等介绍 35)、荧光成像荧光成像荧光标记的 si-NP 货物和 LysoTracker 36, 以及最近, 荧光成像招募 galectin 8, 以刺穿内皮囊 37,38。收集数据并综合细胞存活、细胞吸收、子宫内膜逃逸和生物活性的体外实验结果, 为研究人员提供了补充信息, 从中得出解释和获得机械能力关于 si-NP (在) 有效性的洞察。

总之, 能够有效地传递 siRNA 的纳米颗粒具有治疗疾病的巨大潜力。例如, 在肿瘤学中, 许多导致癌症进展、耐药性和转移的基因被传统的药理学 "无法下药", 但可以使用 siRNA 进行治疗。然而, 它们在疾病动物模型中使用的先决条件是, siRNA 纳米胺 (此处称为 si-NPs) 需要广泛的物理化学和生物表征, 以确保其安全性和有效性。为此, 本文介绍了在体外生产和表征西-nps 的方法, 通过这些方法可以评估西-nps 是否适合进行动物研究。

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Disclosures

作者没有透露潜在的利益冲突。

Acknowledgments

作者感谢 Craig Duvall 博士和 Rebecca Cook 博士为开展这项研究提供了数据和实验室资源。作者感谢 Vanderbilt 纳米科学与工程研究所 (VINSE) 获得 DLS 和 TEM (NSF EPS 1004083) 仪器。作者感谢国家科学基金会支持研究生研究奖学金计划 (NSF#1445197)。提交人感谢国家卫生研究院的财政支持 (NIH R01 EB019409)。提交人感谢国防部国会指导医学研究计划提供的财政支持 (DOD CDMRP OR130302)。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
0.45 μm pore-size syringe filters Thermo Fisher Scientific F25133 17 mm diameter, PTFE membrane
0-14 pH test strips Millipore Sigma P4786
10x TAE buffer Thermo Fisher Scientific/Invitrogen AM9869
6-7.7 pH test strips Millipore Sigma P3536
96-well black walled plates Corning 3603 Tissue-culture treated
Agarose Powder Thermo Fisher Scientific/Invitrogen 16500
Citric acid monohydrate Millipore Sigma C1909
dibasic sodium phosphate dihydrate Millipore Sigma 71643
D-luciferin Thermo Fisher Scientific 88294 Monopotassium Salt
DMEM Gibco 11995065 High glucose and pyruvate
Ethanol Millipore Sigma 459836
ethidium bromide Thermo Fisher Scientific/Invitrogen 15585011
FBS Gibco 26140079
loading dye Thermo Fisher Scientific/Invitrogen R0611
Luciferase siRNA IDT N/A Antisense Strand Sequense: GAGGAGUUCAUUAUCAGUGC
AAUUGUU
Sense Strand Sequense: CAAUUGCACU
GAUAAUGAACUCCT*C* *DNA bases
MDA-MB-231 / Luciferase (Bsd) stable cells GenTarget Inc SC059-Bsd Luciferase-expressing cells sued to assess si-NP bioactivity
monobasic sodium phosphate monohydrate Millipore Sigma S9638
Scarmbled siRNA IDT N/A Antisense Strand Sequense: AUACGCGUAUU
AUACGCGAUUAACGAC
Sense Strand Sequense: CGUUAAUCGCGUAUAAUAC
GCGUA*T* *DNA bases
square polystyrene cuvettes Fisher Scientific 14-955-129 4.5 mL capacity
TEM grids Ted Pella, Inc. 1GC50 PELCO Center-Marked Grids, 50 mesh, 3.0mm O.D., Copper
Trisodium citrate dihydrate Millipore Sigma S1804
uranyl acetate Polysciences, Inc. 21447-25

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References

  1. Fire, A., et al. Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature. 391 (6669), 806-811 (1998).
  2. Elbashir, S. M., et al. Duplexes of 21-nucleotide RNAs mediate RNA interference in cultured mammalian cells. Nature. 411 (6836), 494-498 (2001).
  3. Soutschek, J., et al. Therapeutic silencing of an endogenous gene by systemic administration of modified siRNAs. Nature. 432 (7014), 173-178 (2004).
  4. Hannon, G. J. RNA interference. Nature. 418, 244 (2002).
  5. Dykxhoorn, D. M., Palliser, D., Lieberman, J. The silent treatment: siRNAs as small molecule drugs. Gene Therapy. 13 (6), 541-552 (2006).
  6. Wittrup, A., Lieberman, J. Knocking down disease: a progress report on siRNA therapeutics. Nature Reviews Genetics. 16 (9), 543 (2015).
  7. Li, H. E., Nelson, C. C., Evans, B., Duvall, C. Delivery of Intracellular-Acting Biologics in Pro-Apoptotic Therapies. Current Pharmaceutical Design. 17 (3), 293-319 (2011).
  8. Bartlett, D. W., Davis, M. E. Effect of siRNA nuclease stability on the in vitro and in vivo kinetics of siRNA-mediated gene silencing. Biotechnology and Bioengineering. 97 (4), 909-921 (2007).
  9. Zuckerman, J. E., Choi, C. H., Han, H., Davis, M. E. Polycation-siRNA nanoparticles can disassemble at the kidney glomerular basement membrane. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 109 (8), 3137-3142 (2012).
  10. Dominska, M., Dykxhoorn, D. M. Breaking down the barriers: siRNA delivery and endosome escape. Journal of Cell Science. 123 (Pt 8), 1183-1189 (2010).
  11. Gilleron, J., et al. Image-based analysis of lipid nanoparticle–mediated siRNA delivery, intracellular trafficking and endosomal escape. Nature Biotechnology. 31 (7), 638 (2013).
  12. Sahay, G., et al. Efficiency of siRNA delivery by lipid nanoparticles is limited by endocytic recycling. Nature Biotechnology. 31 (7), 653-658 (2013).
  13. Wittrup, A., et al. Visualizing lipid-formulated siRNA release from endosomes and target gene knockdown. Nature Biotechnology. 33 (8), 870-876 (2015).
  14. Kanasty, R., Dorkin, J. R., Vegas, A., Anderson, D. Delivery materials for siRNA therapeutics. Nature Materials. 12 (11), 967-977 (2013).
  15. Adams, D., et al. Patisiran, an RNAi Therapeutic, for Hereditary Transthyretin Amyloidosis. New England Journal of Medicine. 379 (1), 11-21 (2018).
  16. Dang, C. V., Reddy, E. P., Shokat, K. M., Soucek, L. Drugging the 'undruggable' cancer targets. Nature Reviews Cancer. 17 (8), 502 (2017).
  17. Alexis, F., Pridgen, E., Molnar, L. K., Farokhzad, O. C. Factors affecting the clearance and biodistribution of polymeric nanoparticles. Molecular Pharmaceutics. 5 (4), 505-515 (2008).
  18. Verbaan, F. J., et al. The fate of poly(2-dimethyl amino ethyl)methacrylate-based polyplexes after intravenous administration. International Journal of Pharmaceutics. 214 (1-2), 99-101 (2001).
  19. Lv, H., Zhang, S., Wang, B., Cui, S., Yan, J. Toxicity of cationic lipids and cationic polymers in gene delivery. Journal of Controlled Release. 114 (1), 100-109 (2006).
  20. Shi, J., Kantoff, P. W., Wooster, R., Farokhzad, O. C. Cancer nanomedicine: progress, challenges and opportunities. Nature Reviews Cancer. 17 (1), 20 (2016).
  21. Torchilin, V. Tumor delivery of macromolecular drugs based on the EPR effect. Advanced Drug Delivery Reviews. 63 (3), 131-135 (2011).
  22. Duncan, R. The dawning era of polymer therapeutics. Nature Reviews Drug Discovery. 2 (5), 347 (2003).
  23. Tang, L., et al. Investigating the optimal size of anticancer nanomedicine. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 111 (43), 15344-15349 (2014).
  24. Nelson, C. E., et al. Balancing Cationic and Hydrophobic Content of PEGylated siRNA Polyplexes Enhances Endosome Escape, Stability, Blood Circulation Time, and Bioactivity in vivo. ACS Nano. 7 (10), 8870-8880 (2013).
  25. Jackson, M. A., et al. Zwitterionic Nanocarrier Surface Chemistry Improves siRNA Tumor Delivery and Silencing Activity Relative to Polyethylene Glycol. ACS Nano. , (2017).
  26. Akinc, A., Thomas, M., Klibanov, A. M., Langer, R. Exploring polyethylenimine-mediated DNA transfection and the proton sponge hypothesis. The Journal of Gene Medicine. 7 (5), 657-663 (2005).
  27. de Wet, J. R., Wood, K. V., DeLuca, M., Helinski, D. R., Subramani, S. Firefly luciferase gene: structure and expression in mammalian cells. Molecular and Cellular Biology. 7 (2), 725-737 (1987).
  28. Aggarwal, P., Hall, J. B., McLeland, C. B., Dobrovolskaia, M. A., McNeil, S. E. Nanoparticle interaction with plasma proteins as it relates to particle biodistribution, biocompatibility and therapeutic efficacy. Advanced Drug Delivery Reviews. 61 (6), 428-437 (2009).
  29. Geng, Y., et al. Shape effects of filaments versus spherical particles in flow and drug delivery. Nature Nanotechnology. 2 (4), 249 (2007).
  30. Chauhan, V. P., et al. Fluorescent nanorods and nanospheres for real-time in vivo probing of nanoparticle shape-dependent tumor penetration. Angewandte Chemie International Edition. 50 (48), 11417-11420 (2011).
  31. Chu, K. S., et al. Plasma, tumor and tissue pharmacokinetics of Docetaxel delivered via nanoparticles of different sizes and shapes in mice bearing SKOV-3 human ovarian carcinoma xenograft. Nanomedicine. 9 (5), 686-693 (2013).
  32. Werfel, T. A., et al. Selective mTORC2 Inhibitor Therapeutically Blocks Breast Cancer Cell Growth and Survival. Cancer Research. 78 (7), 1845-1858 (2018).
  33. Sarett, S. M., et al. Lipophilic siRNA targets albumin in situ and promotes bioavailability, tumor penetration, and carrier-free gene silencing. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 114 (32), E6490-E6497 (2017).
  34. Williams, M. M., et al. Intrinsic apoptotic pathway activation increases response to anti-estrogens in luminal breast cancers. Cell Death and Disease. 9 (2), 21 (2018).
  35. Evans, B. C., et al. Ex Vivo Red Blood Cell Hemolysis Assay for the Evaluation of pH-responsive Endosomolytic Agents for Cytosolic Delivery of Biomacromolecular Drugs. Journal of Visualized Experiments. (73), e50166 (2013).
  36. Werfel, T., et al. Combinatorial Optimization of PEG Architecture and Hydrophobic Content Improves siRNA Polyplex Stability, Pharmacokinetics, and Potency In vivo. Journal of Controlled Release. , (2017).
  37. Kilchrist, K. V., Evans, B. C., Brophy, C. M., Duvall, C. L. Mechanism of Enhanced Cellular Uptake and Cytosolic Retention of MK2 Inhibitory Peptide Nano-polyplexes. Cellular and Molecular Bioengineering. 9 (3), 368-381 (2016).
  38. Kilchrist, K. V., et al. Gal8 Visualization of Endosome Disruption Predicts Carrier-Mediated Biologic Drug Intracellular Bioavailability. ACS Nano. , (2019).

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Hendershot, J., Smith, A. E., Werfel, T. A. Preparation of Neutrally-charged, pH-responsive Polymeric Nanoparticles for Cytosolic siRNA Delivery. J. Vis. Exp. (147), e59549, doi:10.3791/59549 (2019).

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