Regularization and singular perturbation techniques for non-smooth systems

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Sliding Vector Fields via Slow-Fast Systems

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

RNA Interference and cyclooxygenase-2 (COX-2) regulation in colon cancer cells

Despite new methods and combined strategies, conventional cancer chemotherapy still lacks specificity and induces drug resistance. Gene therapy can offer the potential to obtain the success in the clinical treatment of cancer and this can be achieved by replacing mutated tumour suppressor genes, inhibiting gene transcription, introducing new genes encoding for therapeutic products, or specifically silencing any given target gene. Concerning gene silencing, attention has recently shifted onto the RNA interference (RNAi) phenomenon. Gene silencing mediated by RNAi machinery is based on short RNA molecules, small interfering RNAs (siRNAs) and microRNAs (miRNAs), that are fully o partially homologous to the mRNA of the genes being silenced, respectively. On one hand, synthetic siRNAs appear as an important research tool to understand the function of a gene and the prospect of using siRNAs as potent and specific inhibitors of any target gene provides a new therapeutical approach for many untreatable diseases, particularly cancer. On the other hand, the discovery of the gene regulatory pathways mediated by miRNAs, offered to the research community new important perspectives for the comprehension of the physiological and, above all, the pathological mechanisms underlying the gene regulation. Indeed, changes in miRNAs expression have been identified in several types of neoplasia and it has also been proposed that the overexpression of genes in cancer cells may be due to the disruption of a control network in which relevant miRNA are implicated. For these reasons, I focused my research on a possible link between RNAi and the enzyme cyclooxygenase-2 (COX-2) in the field of colorectal cancer (CRC), since it has been established that the transition adenoma-adenocarcinoma and the progression of CRC depend on aberrant constitutive expression of COX-2 gene. In fact, overexpressed COX-2 is involved in the block of apoptosis, the stimulation of tumor-angiogenesis and promotes cell invasion, tumour growth and metastatization. On the basis of data reported in the literature, the first aim of my research was to develop an innovative and effective tool, based on the RNAi mechanism, able to silence strongly and specifically COX-2 expression in human colorectal cancer cell lines. In this study, I firstly show that an siRNA sequence directed against COX-2 mRNA (siCOX-2), potently downregulated COX-2 gene expression in human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) and inhibited PMA-induced angiogenesis in vitro in a specific, non-toxic manner. Moreover, I found that the insertion of a specific cassette carrying anti-COX-2 shRNA sequence (shCOX-2, the precursor of siCOX-2 previously tested) into a viral vector (pSUPER.retro) greatly increased silencing potency in a colon cancer cell line (HT-29) without activating any interferon response. Phenotypically, COX-2 deficient HT-29 cells showed a significant impairment of their in vitro malignant behaviour. Thus, results reported here indicate an easy-to-use, powerful and high selective virus-based method to knockdown COX-2 gene in a stable and long-lasting manner, in colon cancer cells. Furthermore, they open up the possibility of an in vivo application of this anti-COX-2 retroviral vector, as therapeutic agent for human cancers overexpressing COX-2. In order to improve the tumour selectivity, pSUPER.retro vector was modified for the shCOX-2 expression cassette. The aim was to obtain a strong, specific transcription of shCOX-2 followed by COX-2 silencing mediated by siCOX-2 only in cancer cells. For this reason, H1 promoter in basic pSUPER.retro vector [pS(H1)] was substituted with the human Cox-2 promoter [pS(COX2)] and with a promoter containing repeated copies of the TCF binding element (TBE) [pS(TBE)]. These promoters were choosen because they are partculary activated in colon cancer cells. COX-2 was effectively silenced in HT-29 and HCA-7 colon cancer cells by using enhanced pS(COX2) and pS(TBE) vectors. In particular, an higher siCOX-2 production followed by a stronger inhibition of Cox-2 gene were achieved by using pS(TBE) vector, that represents not only the most effective, but also the most specific system to downregulate COX-2 in colon cancer cells. Because of the many limits that a retroviral therapy could have in a possible in vivo treatment of CRC, the next goal was to render the enhanced RNAi-mediate COX-2 silencing more suitable for this kind of application. Xiang and et al. (2006) demonstrated that it is possible to induce RNAi in mammalian cells after infection with engineered E. Coli strains expressing Inv and HlyA genes, which encode for two bacterial factors needed for successful transfer of shRNA in mammalian cells. This system, called “trans-kingdom” RNAi (tkRNAi) could represent an optimal approach for the treatment of colorectal cancer, since E. Coli in normally resident in human intestinal flora and could easily vehicled to the tumor tissue. For this reason, I tested the improved COX-2 silencing mediated by pS(COX2) and pS(TBE) vectors by using tkRNAi system. Results obtained in HT-29 and HCA-7 cell lines were in high agreement with data previously collected after the transfection of pS(COX2) and pS(TBE) vectors in the same cell lines. These findings suggest that tkRNAi system for COX-2 silencing, in particular mediated by pS(TBE) vector, could represent a promising tool for the treatment of colorectal cancer. Flanking the studies addressed to the setting-up of a RNAi-mediated therapeutical strategy, I proposed to get ahead with the comprehension of new molecular basis of human colorectal cancer. In particular, it is known that components of the miRNA/RNAi pathway may be altered during the progressive development of colorectal cancer (CRC), and it has been already demonstrated that some miRNAs work as tumor suppressors or oncomiRs in colon cancer. Thus, my hypothesis was that overexpressed COX-2 protein in colon cancer could be the result of decreased levels of one or more tumor suppressor miRNAs. In this thesis, I clearly show an inverse correlation between COX-2 expression and the human miR- 101(1) levels in colon cancer cell lines, tissues and metastases. I also demonstrate that the in vitro modulating of miR-101(1) expression in colon cancer cell lines leads to significant variations in COX-2 expression, and this phenomenon is based on a direct interaction between miR-101(1) and COX-2 mRNA. Moreover, I started to investigate miR-101(1) regulation in the hypoxic environment since adaptation to hypoxia is critical for tumor cell growth and survival and it is known that COX-2 can be induced directly by hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1). Surprisingly, I observed that COX-2 overexpression induced by hypoxia is always coupled to a significant decrease of miR-101(1) levels in colon cancer cell lines, suggesting that miR-101(1) regulation could be involved in the adaption of cancer cells to the hypoxic environment that strongly characterize CRC tissues.

Transfer von antitumoralen Effektoren mittels viraler Vektoren zur experimentellen Tumortherapie

Retrovirale Vektoren basierend auf dem murinen Leukämievirus (MLV) gehören zu den zurzeit am häufigsten verwendeten Vektoren in der Gentherapie. MLV besitzt einen natürlichen Tropismus für sich teilende Zellen und ist somit besonders für die Krebs-Gentherapie geeignet.rnIn der vorliegenden Arbeit wurde zuerst der direkte Transport von pri-miRNA durch deren Aufnahme in MLV-Partikel untersucht, aber keine positiven Effekte beobachtet. Dabei blieb unklar, ob keine Verpackung der pri-miRNA erfolgte, oder die pri-miRNA nach Transduktion der Zellen nicht funktionell war.rnReplizierende MLVs sind eine vielversprechende Alternative zu replikationsinkompetenten Vektoren. Sie können das Transgen im gewünschten Gewebe verteilen und durch Integration ins Genom stabil exprimieren. Es wurden verschiedene Ansätze zur Herstellung von onkolytisch wirkenden MLVs untersucht. Dabei wurde gezeigt, dass der Einsatz des viralen Proteins R (VPR) als toxisches Gen eine Anzucht VPR-kodierender Viren erschwert, da bereits die VPR-exprimierenden Zellen abgetötet werden. Das Ergebnis zeigt den Bedarf weiterer Optimierungen, z.B. durch geeignete Anzuchtzellen oder induzierbare Promotoren zur Transgenexpression.rnEs konnte gezeigt werden, dass Expressionskassetten mit antitumoralen sh/miRNAs als therapeutisches Effektormolekül gegen die Proteinkinase PLK1 und den Transkriptionsfaktor STAT3 erfolgreich durch replizierende MLVs in Zielzellen übertragen werden und die Herabregulation der Genprodukte zu einer deutlichen Wachstumshemmung der Tumorzellen führt. Dabei konnten Expressionskassetten bis zu einer Größe von 1,6kb stabil in die 3´-UTR von Env inseriert werden. Es konnte ein reduziertes Tumorwachstum von HT1080-Zellen in SCID-Mäusen nach intratumoraler Applikation von aMLV, welches für eine miRNA gegen PLK1 kodiert, erreicht werden ohne dass die Viren mutierten (Schaser et al., 2011). Durch eine intravenöse Verabreichung der Viren oder der Applikation von vorinfizierten Tumorzellen in SCID-Mäuse mutierten die miRNA-Expressionskassetten aus ungeklärten Gründen vollständig. Durch die Balance zwischen Virusverbreitung und induziertem Zelltod sind modifizierte MLVs eine perfekte Waffe gegen entartete Zellen.rnrn

A cellular cleavage pathway for the Moloney murine leukemia virus precursor protein, Pr65$\rm\sp{gag}$: Identification of a new viral protein containing CAp30 and NCp10 sequences

The origin and structure of P55$\sp{\rm gag},$ a gag encoded polyprotein lacking the nucleocapsid protein, NCp10, have been explored. Evidence shows that P55$\sp{\rm gag}$ is formed by non-viral proteolytic cleavage of the Moloney murine leukemia virus (MoMuLV)gag precursor protein, Pr65$\sp{\rm gag}.$ P55$\sp{\rm gag}$ is produced in cells infected by a viral protease deletion mutant and by a recombinant murine sarcoma virus known to lack the protease gene, implying that a cellular protease is responsible for the cleavage. Structural and immunological studies show that the protein cleavage site is upstream of the CAp30-NCp10 viral proteolytic junction, implying that P55$\sp{\rm gag}$ lacks the carboxy-terminal residues of CAp30. During the course of studying P55$\sp{\rm gag},$ another protein was discovered, which I named nucleocapsid-related protein(NCRP). NCRP possesses the portion of CAp30 that is lacking in P55$\sp{\rm gag}.$ NCRP possesses antigenic epitopes present in CAp30 and NCp10. NCRP was observed in virus lysates and in nuclear lysates of MoMuLV infected cells; it was not detected in the cytoplasmic fractions of MoMuLV infected cells. Our results indicated that NCRP originates from Pr65$\sp{\rm gag},$ resulting from the same cellular proteolytic cleavage event that produces the viral cellular protein P55$\sp{\rm gag}.$ P55$\sp{\rm gag}$- and NCRP-like proteins also were observed in AKV murine leukemia virus (AKV MuLV) and feline leukemia virus (FeLV) infected cells and in their respective virus particles. The site of cleavage that yields P55$\sp{\rm gag}$ and NCRP is within the carboxy terminus of CAp30, likely within a motif highly conserved among mammalian type C retroviruses. This new motif, called the capsid conserved motif (CCM), overlaps a region containing both a possible bipartite nuclear targeting sequence and a region homologous with the U1 small nuclear ribonucleoprotein 70-kD protein. This domain, when intact, may act as a nuclear targeting sequence for the gag precursor proteins Pr65$\sp{\rm gag}$ and CAp30. Nuclei of cells infected with MoMuLV were examined for the presence of gag proteins. Both Pr65$\sp{\rm gag}$ and CAp30 were detected in the nuclear fraction of MoMuLV, AKV MuLV and FeLV infected cells. P55$\sp{\rm gag}$ was never detected in the nucleus of MoMuLV, AKV MuLV and FeLV infected cells or in their respective virus particles. I propose that NCRP may be involved in sequestering viral genomic RNA for the purposes of encapsidation and intracellular viral genomic RNA dimerization. ^

Caracterização de nanopartículas pDNA-protamina e pDNA-protamina-lipossoma e avaliação da eficiência de entrega gênica a células de mamífero.

Em estudos de terapia gênica e vacinação por DNA, a eficiência e a segurança dos vetores que transportam o material genético terapêutico possuem papel fundamental. Vetores não virais são considerados mais seguros, mas menos eficientes em relação aos vetores virais. Em parte, isso se deve à falta de estudos sistemáticos e comparativos no que diz respeito às características físico-químicas desses vetores quando em soluções biológicas e o efeito delas sobre a eficiência de entrega gênica. O objetivo deste trabalho é avaliar o efeito do pH, da força iônica e do tipo tampão de complexação sobre as características físico-químicas de nanopartículas pDNA-protamina e pDNA-protamina-lipofectamina, visando à entrega gênica para diferentes linhagens celulares. Para isso, nanopartículas formadas em diferentes condições foram caracterizadas através de ensaios de espalhamento dinâmico de luz (DLS) e potencial zeta. Os estudos indicaram que o pH, a força iônica, o tipo de tampão e a presença de meio de cultura e soro no ambiente de complexação alteram significativamente o tamanho, a polidispersidade e o potencial zeta das partículas formadas. Finalmente, buscou-se avaliar o efeito dessas características sobre a eficiência de transfecção in vitro de células de macrófagos IC21 e células HeLa. Os estudos de transfecção em células Hela indicam que tanto a composição como as condições de formação das partículas influenciam significativamente a eficiência de transfecção.

Enhanced dispersibility and deposition of spray-dried powders for pulmonary gene therapy

Spray-drying represents a viable alternative to freeze-drying for preparing dry powder dispersions for delivering macromolecules to the lung. The dispersibility of spray-dried powders is limited however, and needs to be enhanced to improve lung deposition and subsequent biological activity. In this study, we investigate the utility of leucine as a dry powder dispersibility enhancer when added prior to spray-drying a model non-viral gene therapy formulation (lipid:polycation:pDNA, LPD). Freeze-dried lactose-LPD, spray-dried lactose-LPD and spray-dried leucine-lactose-LPD powders were prepared. Scanning electron microscopy showed that leucine, increased the surface roughness of spray-dried lactose particles. Particle size analysis revealed that leucine-containing spray-dried powders were unimodally dispersed with a mean particle diameter of 3.12 μm. Both gel electrophoresis and in vitro cell (A549) transfection showed that leucine may compromise the integrity and biological functionality of the gene therapy vector. The deposition of the leucine containing powder was however significantly enhanced as evidenced by an increase in gene expression mediated by dry powder collected at lower stages of a multistage liquid impinger (MSLI). Further studies are required to determine the potential of leucine as a ubiquitous dispersibility enhancer for a variety of pulmonary formulations. © 2003 Taylor & Francis Ltd.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

A highly efficient and consistent method for harvesting large volumes of high-titre lentiviral vectors

Lentiviral vectors pseudotyped with vesicular stomatitis virus glycoprotein (VSV-G) are emerging as the vectors of choice for in vitro and in vivo gene therapy studies. However, the current method for harvesting lentivectors relies upon ultracentrifugation at 50 000 g for 2 h. At this ultra-high speed, rotors currently in use generally have small volume capacity. Therefore, preparations of large volumes of high-titre vectors are time-consuming and laborious to perform. In the present study, viral vector supernatant harvests from vector-producing cells (VPCs) were pre-treated with various amounts of poly-L-lysine (PLL) and concentrated by low speed centrifugation. Optimal conditions were established when 0.005% of PLL (w/v) was added to vector supernatant harvests, followed by incubation for 30 min and centrifugation at 10 000 g for 2 h at 4 degreesC. Direct comparison with ultracentrifugation demonstrated that the new method consistently produced larger volumes (6 ml) of high-titre viral vector at 1 x 10(8) transduction unit (TU)/ml (from about 3000 ml of supernatant) in one round of concentration. Electron microscopic analysis showed that PLL/viral vector formed complexes, which probably facilitated easy precipitation at low-speed concentration (10 000 g), a speed which does not usually precipitate viral particles efficiently. Transfection of several cell lines in vitro and transduction in vivo in the liver with the lentivector/PLL complexes demonstrated efficient gene transfer without any significant signs of toxicity. These results suggest that the new method provides a convenient means for harvesting large volumes of high-titre lentivectors, facilitate gene therapy experiments in large animal or human gene therapy trials, in which large amounts of lentiviral vectors are a prerequisite.

Dextran and protamine-based solid lipid nanoparticles as potential vectors for the treatment of X-linked juvenile retinoschisis

This is a copy of an article published in the Human gene therapy © 2012 copyright Mary Ann Liebert, Inc.; Human gene therapy is available online at: http://online.liebertpub.com.

Desarrollo de nanopartículas sólidas lipídicas como sistemas de administración de ADN para terapia génica

290 p. (Bibliogr. 257-290) Correo electrónico de la autora: ana.delpozo@ehu.es

Interaction of low-molecular-weight chitosan with mimic membrane studied by electrochemical methods and surface plasmon resonance

Chitosan has shown its potential as a non-viral gene carrier and an adsorption enhancer for subsequent drug delivery to cells. These results showed that chitosan acted as a membrane perturbant. However, there is currently a lack of direct experimental evidence of this membrane perturbance effect, especially for chitosans with low molecular weight (LMW). In this report, the interaction between a lipid (didodecyl dimethylammonium bromide; DDAB) bilayer and chitosan with molecular weight (MW) of 4200 Da was studied with cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy and surface plasmon resonance (SPR). A lipid bilayer was formed by-fusion of oppositely charged lipid vesicles on a mercaptopropionic acid (MPA)-modified gold surface to mimic a cell membrane. The results showed that the LMW chitosan could disrupt the lipid bilayer, and the effect seemed,to be in a concentration-dependent manner.

Modulation of surface charge, particle size and morphological properties of chitosan-TPP nanoparticles intended for gene delivery

This work investigates the polyanion initiated gelation process in fabricating chitosan-TPP (tripolyphosphate) nanoparticles in the size range of 100-250 nm intended to be used as carriers for the delivery of gene or protein macromolecules. It demonstrates that ionic gelation of cationic chitosan molecules offers a flexible and easily controllable process for systematically and predictably manipulating particle size and surface charge which are important properties in determining gene transfection efficacy if the nanoparticles are used as non-viral vectors for gene delivery, or as delivery carriers for protein molecules. Variations in chitosan molecular weight, chitosan concentration, chitosan to TPP weight ratio and solution pH value were examined systematically for their effects on nanoparticle size, intensity of surface charge, and tendency of particle aggregation so as to enable speedy fabrication of chitosan nanoparticles with predetermined properties. The chitosan-TPP nanoparticles exhibited a high positive surface charge across a wide pH range, and the isoelectric point (IEP) of the nanoparticles was found to be at pH 9.0. Detailed imaging analysis of the particle morphology revealed that the nanoparticles possess typical shapes of polyhedrons (e.g., pentagon and hexagon), indicating a similar crystallisation mechanism during the particle formation and growth process. This study demonstrates that systematic design and modulation of the surface charge and particle size of chitosan-TPP nanoparticles can be readily achieved with the right control of critical processing parameters, especially the chitosan to TPP weight ratio. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Development of a method to quantify the DNA content in DNA- cationic peptide nanoparticles

Gene therapy has the potential to provide safe and targeted therapies for a variety of diseases. A range of intracellular gene delivery vehicles have been proposed for this purpose. Non-viral vectors are a particularly attractive option and among them cationic peptides have emerged as promising candidates. For the pharmaceutical formulation and application to clinical studies it is necessary to quantify the amount of pDNA condensed with the delivery system. There is a severe deficiency in this area, thus far no methods have been reported specifically for pDNA condensed with cationic peptide to form nanoparticles. The current study seeks to address this and describes the evaluation of a range of disruption agents to extract DNA from nanoparticles formed by condensation with cationic fusogenic peptides RALA and KALA. Only proteinase K exhibited efficient and reproducible results and compatibility with the PicoGreen reagent based quantification assay. Thus we report for the first time a simple and reliable method that can quantify the pDNA content in pDNA cationic peptide nanoparticles.