Evaluation of polymeric nanocarriers for RNA delivery

Therapeutic RNAs, especially siRNAs, are a promising approach for treating diseases like cancer, neurodegenerative disorders and viral infections. Their application, however, is limited due to a lack of safe and efficient delivery systems. Nanosized carriers with the ability to either complex or entrap RNA species are a promising option. rn rn rnSuch a carrier has to meet a lot of requirements, some of which are even partly contradictive. Understanding and controlling the interplay between the different demands would advance a strategic design at an early stage of therapeutic development. rn rn This work is centered around a systematic evaluation of polyplexes, such carriers that are able to complex siRNA due to electrostatic interactions. Six structurally and chemically diverse candidates, poly-L-lysine brushes, block copolymers, cationic peptides, cationic lipids, nanohydrogels, and manganese oxide particles, were tested in a simultaneous fashion. The assays, mostly based on fluorescently labeled siRNA, ranged from the evaluation of polyplex formation and stability to in vitro parameters like cellular uptake and knockdown capability. The analysis from several perspectives offered insight into the interplay between the specifications of one polyplex. Assessing the different carriers under exactly the same experimental conditions also allowed conclusions about favourable traits and starting points for further optimization. This comparative approach also revealed weaknesses of some of the conventional protocols, which were therefore contrasted with alternative methods. In addition, in vitro knockdown assays were optimized and the impact of fluorescently labeled siRNA on knockdown efficiency was assessed. rn rn rn A second class of carriers, which share the ability to entrap siRNA inside their matrix, are briefly addressed. Nanocapsules, dextran particles and liposomes were assessed for basic features like siRNA encapsulation and knockdown capability. rn rn rn rn In an approach towards targeted delivery of RNA, liposomes were endowed with mitochondriotropic tags. Despite successful functionalization, no colocalization between the liposomal cargo and mitochondria was so far observed, which makes further optimization necessary.

Therapeutische Ribonukleinsäuren, vor allem siRNA, stellen eine vielversprechende Behandlungsoption für eine Vielzahl von Krankheiten dar. Ihre Anwendung ist jedoch eingeschränkt aufgrund der Schwierigkeit, ein sicheres und effizientes Transportsystem zu finden. Der Transport von siRNA mit Hilfe nanometergroßer Polymere, die siRNA entweder einschließen oder komplexieren, stellt eine aussichtsreiche Strategie dar. rn rnEin solches Transportsystem muss eine Reihe von Anforderungen erfüllen, von denen einige sich sogar teilweise widersprechen. Ein strategisches Design solcher Systeme könnte vorangebracht werden, wenn es gelänge, das Zusammenspiel zwischen den verschiedenen Anforderungen zu verstehen und zu kontrollieren. rn rn Diese Arbeit beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit einer systematischen Evaluation von Polymeren, die mit siRNA aufgrund elektrostatischer Wechselwirkungen Polyplexe bilden. Dazu wurden sechs Kandidaten, Poly-L-Lysin Bürsten, Block Kopolymere, kationische Peptide, kationische Lipide, Nanohydrogele und Manganoxidpartikel, vergleichend untersucht. Die angewandten Tests überprüften Polyplexbildung und -stabilität sowie in vitro Parameter wie zelluläre Aufnahme und Knockdown Effizienz. Diese Analyse ermöglichte es, Stärken und Schwächen einzelner Polyplexe sowie Ansatzpunkte für deren Optimierung herauszuarbeiten. rnrnDer Vergleich zeigte darüber hinaus Schwachpunkte einiger etablierter Protokolle, denen aus diesem Grund alternative Methoden gegenübergestellt wurden. Zudem wurden in vitro Knockdown Tests optimiert sowie der Einfluss von fluoreszenzgelabelter siRNA auf die Knockdown Effizienz untersucht. rnrnEine weitere Klasse von Trägern, deren Bindungsprinzip im Einschluss von siRNA besteht, wurde kurz gestreift. Dabei wurden Nanokapseln, Dextranpartikel und Liposomen im Hinblick auf siRNA Einschluss sowie Knockdown Effizienz untersucht. rnrnEin erster Schritt hin zu einem zielgerichteten Transport von RNA wurde unternommen, indem Liposomen mit mitochondriotropen Gruppen versehen wurden. Da bislang keine Kolokalisation der in die Liposomen eingeschlossenen Fracht mit Mitochondrien festgestellt werden konnte, ist eine weitere Optimierung nötig.