DNA charge neutralisation by linear polymers I: irreversible binding

We develop a deterministic mathematical model to describe the way in which polymers bind to DNA by considering the dynamics of the gap distribution that forms when polymers bind to a DNA plasmid. In so doing, we generalise existing theory to account for overlaps and binding cooperativity whereby the polymer binding rate depends on the size of the overlap The proposed mean-field models are then solved using a combination of numerical and asymptotic methods. We find that overlaps lead to higher coverage and hence higher charge neutralisations, results which are more in line with recent experimental observations. Our work has applications to gene therapy where polymers are used to neutralise the negative charges of the DNA phosphate backbone, allowing condensation prior to delivery into the nucleus of an abnormal cell.

Desenvolvimento de nanosistemas farmacêuticos para terapia gênica

Gene therapy is one of the major challenges of the post-genomic research and it is based on the transfer of genetic material into a cell, tissue or organ in order to cure or improve the patient s clinical status. In general, gene therapy consists in the insertion of functional genes aiming substitute, complement or inhibit defective genes. The achievement of a foreigner DNA expression into a population of cells requires its transfer to the target. Therefore, a key issue is to create systems, vectors, able to transfer and protect the DNA until it reaches the target. The disadvantages related to the use of viral vectors have encouraged efforts to develop emulsions as non-viral vectors. In fact, they are easy to produce, present suitable stability and enable transfection. The aim of this work was to evaluate two different non-viral vectors, cationic liposomes and nanoemulsions, and the possibility of their use in gene therapy. For the two systems, cationic lipids and helper lipids were used. Nanoemulsions were prepared using sonication method and were composed of Captex® 355; Tween® 80; Spam® 80; cationic lipid, Stearylamine (SA) or 1,2-dioleoyl-3-trimethylammoniumpropane (DOTAP) and water (Milli-Q®). These systems were characterized by average droplet size, Polidispersion Index (PI) and Zeta Potential. The stability of the systems; as well as the DNA compaction capacity; their cytotoxicity and the cytotoxicity of the isolated components; and their transfection capacity; were also evaluated. Liposomes were made by hydration film method and were composed of DOTAP; 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (DOPE), containing or not Rhodaminephosphatidylethanolamine (PE- Rhodamine) and the conjugate Hyaluronic Acid DOPE (HA-DOPE). These systems were also characterized as nanoemulsions. Stability of the systems and the influence of time, size of plasmid and presence or absence of endotoxin in the formation of lipoplexes were also analyzed. Besides, the ophthalmic biodistribution of PE-Rhodamine containing liposomes was studied after intravitreal injection. The obtained results show that these systems are promising non-viral vector for further utilization in gene therapy and that this field seems to be very important in the clinical practice in this century. However, from the possibility to the practice, there is still a long way

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.

Enhancement of non-viral transfection efficiency with nuclear localization signal peptides

Dissertação de Mestrado, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2016

Registro de pacientes con distrofinopatías en Colombia

INTRODUCCIÓN. La distrofia muscular de Duchenne es una enfermedad neuromuscular con una herencia recesiva ligada al X que afecta a 1 de cada 3500 niños nacidos vivos. Se produce por mutaciones en el gen DMD que codifica para la distrofina. Se caracteriza por manifestaciones clínicas variables típicas de una distrofia muscular proximal progresiva. OBJETIVO. Realizar el primer registro en Colombia de los pacientes identificados con distrofinopatías, teniendo en cuenta características clínicas y paraclínicas, así como las mutaciones causales de esta patología. METODOLOGÍA Es un estudio descriptivo, transversal, de la revisión de historias clínicas de los pacientes con diagnóstico de DMD atendidos en la consulta de Genética de la Universidad del Rosario durante los años 2006 a 2015. RESULTADOS Se identificaron 99 pacientes, de los cuales 56 (56,56%) corresponden al fenotipo Duchenne y 12 (12,12%) al Becker. No fue posible clasificar a 31 pacientes (31,3%) por falta de datos clínicos. La edad de inicio de los síntomas fue en promedio de 4,41 años. Las mutaciones más frecuentes fueron las deleciones (69%), seguidas por las mutaciones puntuales(14%), las duplicaciones (11%) y por otras mutaciones (4%). CONCLUSIONES Este registro de distrofinopatías es el primero reportado en Colombia y el punto de partida para conocer la incidencia de la enfermedad, caracterización clínica y molecular de los pacientes, garantizando así el acceso oportuno a los nuevos tratamientos de medicina de precisión que permitan mejorar la calidad de vida de los pacientes y sus familias.

HORMONAL REPLACEMENT THERAPY IN FISH - HUMAN GROWTH-HORMONE GENE-FUNCTION IN HYPOPHYSECTOMIZED CARP

Transgenic common carp, Cyprinus carpio, produced by the microinjection of fertilized eggs with a linearized chimeric plasmid pMThGH, a human growth hormone (hGH) gene with a mouse metallothionein-I (MT) gene promoter in pBR322, were used to produce F1 and F2 transgenics. Following hypophysectomy of the transgenic F2 common carp, non-transgenic common carp and non-transgenic crucian carp, growth was monitored for up to 110 days. In addition, recombinant hGH was injected subcutaenously into a group of the non-transgenic crucian carp. Growth rate analyses indicated that (1) hypophysectomy of non-transgenic common carp and crucian carp results in the cessation of growth, (2) hGH administration can stimulate the growth of hypophysectomized crucian carp and (3) hypophysectomized hGH-transgenic common carp continue to grow in the absence of their own growth hormone, suggesting that the hGH-transgene is being expressed in tissues other than the pituitary.

Clinical potential of gene-directed enzyme prodrug therapy to improve radiation therapy in prostate cancer patients

Despite the advances in prostate cancer diagnosis and treatment, current therapies are not curative in a significant proportion of patients. Gene-directed enzyme prodrug therapy (GDEPT), when combined with radiation therapy, could improve the outcome of treatment for prostate cancer, the second leading cause of cancer death in the western world. GDEPT involves the introduction of a therapeutic transgene, which can be targeted to the tumour cells. A prodrug is administered systemically and is converted to its toxic form only in those cells containing the transgene, resulting in cell kill. This review will discuss the clinical trials which have investigated the potential of GDEPT at various stages of prostate cancer progression. The advantages of using GDEPT in combination with radiotherapy will be examined, as well as some of the recent advances which enhance the potential utility of GDEPT.

Single nucleotide polymorphisms in the APCS gene influence geographic atrophy secondary to VEGF inhibition therapy in neovascular macular degeneration.

Introduction: Age-related macular degeneration (AMD) is a leading cause of vision loss in the elderly mostly due to the development of neovascular AMD (nAMD) or geographic atrophy (GA). Intravitreal injections of anti-vascular endothelial growth factor (VEGF) agents are an effective therapeutic option for nAMD. Following anti-VEGF treatments, increased atrophy of the retinal pigment epithelium (RPE) and choriocapillaries that resembles GA has been reported. We sought to evaluate the underlying genetic influences that may contribute to this process. Methods: We selected 68 single nucleotide polymorphisms (SNPs) from genes previously identified as susceptibility factors in AMD, along with 43 SNPs from genes encoding the VEGF protein and its cognate receptors as this pathway is targeted by treatment. We enrolled 467 consecutive patients (Feb 2009 to October 2011) with nAMD who received anti-VEGF therapy. The acutely presenting eye was designated as the study eye and retinal tomograms graded for macular atrophy at study exit. Statistical analysis was performed using PLINK to identify SNPs with a P value < 0.01. Logistic regression models with macular atrophy as dependent variable were fitted with age, gender, smoking status, common genetic risk factors and the identified SNPs as explanatory variables. Results: Grading for macular atrophy was available in 304 study eyes and 70% (214) were classified as showing macular atrophy. In the unadjusted analysis we observed significant associations between macular atrophy and two independent SNPs in the APCS gene: rs6695377: odds ratio (OR) = 1.98; 95% confidence intervals (CI): 1.23, 3.19; P = 0.004; rs1446965: OR = 2.49, CI: 1.29, 4.82; P = 0.006 and these associations remained significant after adjustment for covariates. Conclusions: VEGF is a mitogen and growth factor for choroidal blood vessels and the RPE and its inhibition could lead to atrophy of these key tissues. Anti-VEGF treatment can interfere with ocular vascular maintenance and may be associated with RPE and choroidal atrophy. As such, these medications, which block the effects of VEGF, may influence the development of GA. The top associated SNPs are found in the APCS gene, a highly conserved glycoprotein that encodes Serum amyloid P (SAP) which opsonizes apoptotic cells. SAP can bind to and activate complement components via binding to C1q, a mechanism by which SAP may remove cellular debris, affecting regulation of the three complement pathways.

Development of a multi-gene PCR assay for the prediction of the response to hormone therapy in breast cancer

Deux tiers des cancers du sein expriment des récepteurs hormonaux ostrogéniques (tumeur ER-positive) et la croissance de ces tumeurs est stimulée par l’estrogène. Des traitements adjuvant avec des anti-estrogènes, tel que le Tamoxifen et les Inhibiteurs de l’Aromatase peuvent améliorer la survie des patientes atteinte de cancer du sein. Toutefois la thérapie hormonale n’est pas efficace dans toutes les tumeurs mammaires ER-positives. Les tumeurs peuvent présenter avec une résistance intrinsèque ou acquise au Tamoxifen. Présentement, c’est impossible de prédire quelle patiente va bénéficier ou non du Tamoxifen. Des études préliminaires du laboratoire de Dr. Mader, ont identifié le niveau d’expression de 20 gènes, qui peuvent prédire la réponse thérapeutique au Tamoxifen (survie sans récidive). Ces marqueurs, identifié en utilisant une analyse bioinformatique de bases de données publiques de profils d’expression des gènes, sont capables de discriminer quelles patientes vont mieux répondre au Tamoxifen. Le but principal de cette étude est de développer un outil de PCR qui peut évaluer le niveau d’expression de ces 20 gènes prédictif et de tester cette signature de 20 gènes dans une étude rétrospective, en utilisant des tumeurs de cancer du sein en bloc de paraffine, de patients avec une histoire médicale connue. Cet outil aurait donc un impact direct dans la pratique clinique. Des traitements futiles pourraient être éviter et l’indentification de tumeurs ER+ avec peu de chance de répondre à un traitement anti-estrogène amélioré. En conséquence, de la recherche plus appropriée pour les tumeurs résistantes au Tamoxifen, pourront se faire.

Neurotrophic gene polymorphisms and response to psychological therapy

Therapygenetics, the study of genetic determinants of response to psychological therapies, is in its infancy. Here, we investigate whether single-nucleotide polymorphisms in nerve growth factor (NGF) (rs6330) and brain-derived neutrotrophic factor (BDNF) (rs6265) genes predict the response to cognitive behaviour therapy (CBT). Neurotrophic genes represent plausible candidate genes: they are implicated in synaptic plasticity, response to stress, and are widely expressed in brain areas involved in mood and cognition. Allelic variation at both loci has shown associations with anxiety-related phenotypes. A sample of 374 anxiety-disordered children with white European ancestry was recruited from clinics in Reading, UK, and in Sydney, Australia. Participants received manualised CBT treatment and DNA was collected from buccal cells using cheek swabs. Treatment response was assessed at post-treatment and follow-up time points. We report first evidence that children with one or more copies of the T allele of NGF rs6330 were significantly more likely to be free of their primary anxiety diagnosis at follow-up (OR=0.60 (0.42–0.85), P=0.005). These effects remained even when other clinically relevant covariates were accounted for (OR=0.62 (0.41–0.92), P=0.019). No significant associations were observed between BDNF rs6265 and response to psychological therapy. These findings demonstrate that knowledge of genetic markers has the potential to inform clinical treatment decisions for psychotherapeutic interventions.

Clinical outcomes of periodontal therapy are not influenced by the ATC/TTC haplotype in the IL8 gene

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)