Polyethylenimine-based polyplex delivery of self-replicating RNA vaccines

Self-amplifying replicon RNA (RepRNA) are large molecules (12-14kb); their self-replication amplifies mRNA template numbers, affording several rounds of antigen production, effectively increasing vaccine antigen payloads. Their sensitivity to RNase-sensitivity and inefficient uptake by dendritic cells (DCs) - absolute requirements for vaccine design - were tackled by condensing RepRNA into synthetic, nanoparticulate, polyethylenimine (PEI)-polyplex delivery vehicles. Polyplex-delivery formulations for small RNA molecules cannot be transferred to RepRNA due to its greater size and complexity; the N:P charge ratio and impact of RepRNA folding would influence polyplex condensation, post-delivery decompaction and the cytosolic release essential for RepRNA translation. Polyplex-formulations proved successful for delivery of RepRNA encoding influenza virus hemagglutinin and nucleocapsid to DCs. Cytosolic translocation was facilitated, leading to RepRNA translation. This efficacy was confirmed in vivo, inducing both humoral and cellular immune responses. Accordingly, this paper describes the first PEI-polyplexes providing efficient delivery of the complex and large, self-amplifying RepRNA vaccines.

Low Molecular Weight Chitosan (LMWC)-based Polyplexes for pDNA Delivery: From Bench to Bedside

Non-viral gene delivery vectors are emerging as a safer alternative to viral vectors. Among natural polymers, chitosan (Ch) is the most studied one, and low molecular weight Ch, specifically, presents a wide range of advantages for non-viral pDNA delivery. It is crucial to determine the best process for the formation of Low Molecular Weight Chitosan (LMWC)-pDNA complexes and to characterize their physicochemical properties to better understand their behavior once the polyplexes are administered. The transfection efficiency of Ch based polyplexes is relatively low. Therefore, it is essential to understand all the transfection process, including the cellular uptake, endosomal escape and nuclear import, together with the parameters involved in the process to improve the design and development of the non-viral vectors. The aim of this review is to describe the formation and characterization of LMWC based polyplexes, the in vitro transfection process and finally, the in vivo applications of LMWC based polyplexes for gene therapy purposes.

Effect of acyl chain length on transfection efficiency and toxicity of polyethylenimine

Polyethylenimine (PEI) is an efficient nonviral gene delivery vector because of its high buffering capacity and DNA condensation ability. In our study, the amino groups on the polymeric backbone were acylated using acetic or propionic anhydride to alter the protonation behaviour and the hydrophilic/hydrophobic balance of the polymer. The concentration of acylated primary amines was determined using trinitrobenzene sulphonic acid assay. Results showed that our modified polymers had lower buffering capacities in solutions compared to PEI. The polymers were complexed with plasmid encoding enhanced green fluorescent protein at three different ratios (1:1, 1:2 and 1:10 w/w DNA to polymer) to form polyplexes and their toxicities and transfection efficiencies were evaluated in HEK 293 cells. Acylation reduced the number of primary amines on the polymer and the surface charge, improving haemocompatibility and reducing cytotoxicity. The reduction in the concentration of amino groups helped to optimise DNA compaction and facilitated polyplex dissociation in the cell, which increased transfection efficiency of the modified polymers compared to the parent polymer. Polymers with buffering capacities greater than 50% and less than 80% relative to PEI, showed higher transfection efficiencies than PEI. The propionic anhydride modified polymers had appropriate interactions with DNA which provided both DNA compaction and polyplex dissociation. These systems interacted better with the cell membrane because of their slightly higher lipophilicity and formed polyplexes which were less cytotoxic than polyplexes of acetic anhydride modified polymers. Among the vectors tested, 1:0.3 mol/mol PEI:propionic anhydride in a 1:2 w/w DNA:polymer composition provided the best transfection system with improved transfection efficiency and reduced cytotoxicity.

A comparison of thiolated and disulfide‐crosslinked polyethylenimine for nonviral gene delivery

Branched polyethylenimine (25 kDa) is thiolated and compared with redox-sensitive crosslinked derivatives. Both polymers thiol contents are assessed; the thiolated polymers have 390–2300 mmol SH groups/mol, whereas the crosslinked polymers have lower thiol contents. Cytotoxicity assays show that both modified polymers give lower hemolysis than unmodified PEI. Increased thiol content increases gene transfer efficiency but also elevates cytotoxicity. Crosslinking improves plasmid DNA condensation and enhances transfection efficiency, but extensive crosslinking overstabilizes the polyplexes and decreases transfection, emphasizing the need to balance polyplex stabilization and unpacking. Thus, at low levels of crosslinking, 25 kDa PEI can be an efficient redox-sensitive carrier system.

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.

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.

The effects of PVP(FE(III)) catalyst and polymer molecular weight on gene delivery via biodegradable crosslinked polyethylenimine

Human gene therapy has faced many setbacks due to the immunogenicity and oncogenity of viruses. Safe and efficient alternative gene delivery vehicles are needed to implement gene therapy in clinical practice. Polymeric vectors are an attractive option due to their availability, simple chemistry, and low toxicity and immunogenicity. Our group has previously reported biodegradable polyethylenimines (PEI) that show high transfection efficiency and low toxicity by cross-linking 800 Da PEI with diacrylate cross-linkers using Michael addition. However, the synthesis was difficult to control, inconsistent, and resulted in polymers with a narrow range of molecular weights. In the present work, we utilized a heterogenous PVP(Fe(III)) catalyst to provide a more controllable PEI crosslinking reaction and wider range of biodegradable PEIs. The biodegradable PEIs reported here have molecular weights ranging from 1.2 kDa to 48 kDa, are nontoxic in MDA-MB-231 cells, and show low toxicity in HeLa cells. At their respective optimal polymer:DNA ratios, these biodegradable PEIs demonstrated about 2-5-fold higher transfection efficiency and 2-7-fold higher cellular uptake, compared unmodified 25 kDa PEI. The biodegradable PEIs show similar DNA condensation properties as unmodified PEI but more readily unpackage DNA, based on ethidium bromide exclusion and heparan sulfate competitive displacement assays, which could contribute to their improved transfection efficiency. Overall, the synthesis reported here provides a more robust, controlled reaction to produce cross-linked biodegradable PEIs that show enhanced gene delivery, low toxicity, and high cellular uptake and can potentially be used for future in vivo studies.

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