Исследование трансфекции клеток наночастицами полиплексов на основе полиэтиленимина

Уласов, Алексей Валентинович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Исследование трансфекции клеток наночастицами полиплексов на основе полиэтиленимина
ВАК РФ 03.01.03, Молекулярная биология

Автореферат диссертации по теме "Исследование трансфекции клеток наночастицами полиплексов на основе полиэтиленимина"

на правах рукописи

УЛАСОВ АЛЕКСЕИ ВАЛЕНТИНОВИЧ

Исследование трансфекции клеток наночастицами полиплексов на основе полиэтиленимина

Специальность 03.01.03 - молекулярная биология

АВТОРЕФЕРАТ

4843842

Диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 2011

4843842

Работа выполнена в лаборатории молекулярной генетики внутриклеточного транспорта Учреждения Российской академии наук Института биологии гена РАН

Научный руководитель:

доктор биологических нау^ профессор Соболев Александр Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор, член-корреспондент РАН Лукьянов Сергей Анатольевич

доктор биологических наук Коробко Игорь Викторович

Ведущая организация:

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, факультет фундаментальной медицины.

Защита диссертации состоится^ марта 2011 года в час. на заседании Диссертационного совета Д 002.037.01 при Учреждении Российской академии наук Институте биологии гена РАН по адресу: 119334, Москва, ул. Вавилова, д. 34/5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН по адресу: 119991, Москва, ул. Вавилова, д. 32.

Автореферат разослан февраля 2011 года. Ученый секретарь диссертационного совета,

канд. фарм. наук

Грабовская Л.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Гемотерапия представляет собой совокупность методов, направленных на внесение генетической информации в клетки с целью лечения как наследственных, так и приобретенных заболеваний. Данная технология основана на корректировании механизмов заболеваний и/или их причин с помощью доставки и последующей экспрессии экзогенных молекул ДНК, кодирующих отсутствующие или поврежденные продукты генов. В 1990 г. генотерапевтический подход (доставка гена аденозиндезаминазы в Т-клетки) впервые был использован в клинике при лечении 4-летней девочки, страдающей тяжелым комбинированным иммунодефицитом (Опос1ега е! а1., 1998). С тех пор данная технология была существенно развита, и многочисленные клинические испытания были проведены и проводятся. Ключевым моментом генотерапии являются методы адресной доставки генетической информации в клетки-мишени.

В качестве возможных векторов рассматриваются невирусные системы доставки, одним из представителей которых являются полиплексы. Использование синтетических невирусных векторов - полиплексов, комплексов поликатионов с ДНК, для доставки генетической информации в клетки является перспективным за счет относительно низкой иммуногенности, отсутствия ограничений на размер переносимых ДНК, широких возможностей для модификаций полиплексов, возможности легкого и более дешевого, чем для вирусных векторов, масштабирования производства (ЕНаЬи с! а!., 2005; КюЫег е1 а!., 2004). Адресное воздействие может быть осуществлено с помощью введения в состав полиплекса лиганда, определяющего клеточную специфичность. Другим подходом является включение в состав переносимой плазмидной ДНК специфичных промоторов и энхансеров, активирующихся в определенных типах клеток. Их активация индуцируется различными факторами (гормонами, цитокинами, факторами роста) посредством связывания с респонсивными элементами.

Часто используемой стратегией генотерапии злокачественных новообразований является, так называемая суицидная генотерапия, то есть доставка в раковые клетки-мишени «генов-убийц», кодирующих фермент, как правило, вирусного или бактериального происхождения, которые модифицируют свой субстрат, превращая его из нетоксичного в токсичный для клетки. Тактика использования таких генов в терапии рака состоит в экспрессии данных белков в раковых клетках с последующим введением субстрата, который ферментом превращается в токсин и раковая клетка гибнет. Первым было предложено использовать систему тимидинкиназа вируса простого герпеса первого типа (Н5У1к)/гаяцикловир. ШУИс - это вирусный фермент, осуществляющий фосфорилирование аналогов нуклеозидов таких, как антивирусные препараты семейства

ганцикловира. Фосфорилированный ганцикловир подавляет синтез ДНК в клетке, и она погибает от апоптоза.

Проблемой, ограничивающей использование полиплексов как векторов для переноса генетической информации в клетки, считается их невысокая трансфицирующая способность по сравнению с вирусными векторами. Для создания высокоэффективных векторов на основе поликатионов важно понимание внутриклеточных механизмов доставки генетической информации с целью обнаружения лимитирующих стадий, что позволит направленно модифицировать полиплексы для преодоления этих барьеров. Решению этих проблем и посвящена настоящая работа.

Цель и задачи исследования. В рамках настоящей работы была поставлена цель выявить и изучить факторы, влияющие на эффективность трансфекции клеток полиплексными наночастицами на основе полизтиленимина. Для выполнения этой цели предполагалось решить следующие задачи:

1. получить модифицированные полиплексные наночастицы на основе блок-сополимеров полиэтиленимин (ПЭИ)-полиэтиленгликоль (ПЭГ)

2. исследовать трансфекцию различных клеточных линий при помощи полученных полиплексов и определить наиболее эффективные варианты полиплексов

3. оптимизировать полученные полиплексы с целью увеличения специфичности трансфекции клеток-мишеней

Научная новизна и практическая значимость. Настоящая работа посвящена исследованию и оптимизации процесса доставки генетического материала в клетки с - помощью наночастиц на основе полизтиленимина. Улучшение эффективности доставки генетического материла полиплексами в клетку неразрывно связано с исследованием механизмов доставки ДНК в клетки. На основании результатов таких исследований возможно создание рациональных стратегий для трансфекции клеток-мишеней.

В работе на основании исследования В различных клеточных линий определены такие соотношения компонентов полиплексов, при которых наблюдается наилучшая трансфекция; оказалось, что эти соотношения практически одинаковы для всех изученных клеточных линий. Предполагается, что выявленные закономерности будут наблюдаться и на других клеточных линиях.

Впервые показано, что разная эффективность трансфекции клеточных линий одним типом полиплексов определяется различиями во внутриклеточных процессах доставки генетической информации: ингернализацией и выходом из эндосом нераспакованных полиплексов. Знание этапов и механизмов невирусной доставки генетической информации является важной составляющей, игнорирование которой может привести к неэффективной трансфекции клеток-мишеней.

Созданы новые полиплексы на основе блок-сополимеров ПЭИ-ПЭГ-пептид, специфического для меланокортиновых рецепторов первого типа, которые сверхэкспрессировапы на клетках многих меланом человека (Salazar-Onfray et al., 2002). Выявлена специфичность в отношении клеток меланомы у полученных полиплексов.

Полученные данные важны не только с точки зрения разработки невирусных векторов на основе поликатионов. Так для вирусных векторов, да и для вирусов вообще, важное значение для трансфекции (или инфекции для вирусов) имеют те же этапы: связывание с клеткой-мишенью, интернализация, распаковка внутри клетки. Таким образом, такого рода модельные исследования позволяют достичь лучшего понимания естественных процессов доставки в клетки и считывания ими чужеродной генетической информации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на конференциях: 1) «Химическая биология - Фундаментальные проблемы бионанотехнологии», 10-14 июня 2009 г., Новосибирск, Россия; 2) «Наноматериалы и ншютехнологии в живых системах», 29 июня - 4 июля 2009 г., Москва, Россия; 3) Второй Международный форум по нанотехнологиям, 6-8 октября 2009 г., Москва, Россия; 4) Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2010», 12-25 апреля 2010 г., Москва, Россия; 5) International Symposium «Control of Gene Expression», 21-25 июня 2010 г., Москва, Россия; 6) Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Нанобиотехнология», 6-9 октября 2010 г., Белгород, Россия; 7) Конференция НАНОБИО-ПАРК 2010, 15 сентября 2010 г., Москва, Россия; 8) Третий Международный форум по нанотехнологиям, 1-3 ноября 2010 г., Москва, Россия. Работа также была представлена на межлабораторном семинаре ИБГ РАН (2010 г.).

Публикации. По материалам работы опубликовано 12 печатных работ. Из них 2 статьи в международных рецензируемых журналах и 10 тезисов докладов и материалов конференций.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на /(^страницах, включает таблиц рисунков и состоит из введения, обзора литературы, материалов и

методов, результатов, обсуждения результатов, выводов и списка литературы, включающего /¿'^источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Синтез носителя - блок-сополимера.

В работе исследовали полиплексы на основе полиэтиленимина(ПЭИ). Данный тип

полиплексов широко используется для доставки генетической информации как in vitro,

так in vivo за счет ряда преимуществ ПЭИ. ПЭИ можно легко модифицировать, гтолиплексы на их основе способны выходить из эндосом, ПЭИ обеспечивает достаточную степень компактизации доставляемого генетического материала, защиту его от нуклеаз. Для снижения избыточного положительного заряда и увеличения гидрофильности комплекса ПЭИ конъюгировали с гетеробифункциональным производным полиэтштенгликоля (ПЭГ) (N-гидроксисукцинимидным эфиром малеимидо-ПЭГ-24). Для облегчения проникновения в клетки к блок-сополимеру ПЭИ-ПЭГ дополнительно присоединяли олигопептиды. В качестве таких пептидов использовался либо фрагмент ТАТ-белка GRKKKRRQRC, придающий блок-сополимеру, в состав которого он входит, способность проникать в клетки (Rudolph С., 2003). Либо присоединяли пептид МК1С: CGYGPKKKRKVSGSGSSIISHFRWGKPV. полужирным шрифтом выделена последовательность, специфичная для связывания с меланокортиновыми рецепторами первого типа, подчеркнута минимальная последовательность сигнала ядерной локализации (NLS) большого Т-антигена вируса SV-40. Синтез и очистку блок-сополимеров ПЭИ-ПЭГ-пептид с различным соотношением компонентов осуществляли согласно общей схеме (рис. 1), предложенной Клеман и др. (Kleemann et al., 2005).

Рис. 1. Схема получения блок-сополимера ПЭИ-ПЭГ-пептид.

Для исследования характеристик полиплексов мы создали полиплексы на основе широкой панели синтезированных блок-сополимеров ПЭИ-ПЭГ-ТАТ. В работе было измерено реальное содержание компонентов в синтезированных блок-сополимерах, что

J pH 5,5

сделало возможным в дальнейшем варьировать содержание компонентов блок-сополимеров при подборе условий наилучшей трансфекции разных клеточных линий.

2. Исследование свойств полученных полиплексов.

В работе были определены и изучены характеристики полиплексов. связанные с эффективностью трансфекции. В сравнении с немодифицированным ПЭИ, созданные блок-сополимеры ПЭИ-ПЕГ-ТАТ обеспечивают большую устойчивость полиплекса к гепарин-индуцированной распаковке и лучшую защиту ДНК в составе полиплексов от ферментативной деградации (рис. 2). Также было показано, что устойчивость ДНК в составе полиплекса к действию ДНКазы увеличивается с увеличением отношения азот ПЭИ/фосфор ДНК (Ы/Р).

а б

Гепарин МЕ -

ПЭИГОГ-ТАТ пэи

НУ; 10 20 30 «I !■>} (-к 10 20 30 40

02 0,3 0,4 0.5 02 0.3 0.4 0.5 02 0,3 0,4 0.5 02 0,3 0,4 0,5 ;02 0,3 0.4 0,5

НвИ&1 » . М (Я*

ЛЭГГОИг \32

72В

С) ДНК »ДНО» (О Дик

Рис. 2. Устойчивость ДНК в составе полиплексов к распаковке гепарином и обработке ДНКазой. (а). Устойчивость полиплексов на основе ПЭИ-ПЭГ-ТАТ и на основе ПЭИ к распаковке возрастающими концентрациями гепарина, (б). Устойчивость ДНК в составе полиплексов на основе ПЭИ-ПЭГ-ТАТ и на основе ПЭИ к ферментативной деградации.

Это свойство особенно важно при трансфекции, так как преждевременная распаковка вне клетки и в клетке (например, в эндосомах), равно как и повышенная чувствительность к нуклеазам, способны негативно сказаться на эффективности доставки генетического материала. В то же время слишком сильная компактизация ДНК в составе полиплекса может привести к неэффективной распаковке внутри клетки, что негативно скажется на общей эффективности трансфекции полиплексами (Но е1 а!., 2006).

Взаимодействие полиплексов с клеточной поверхностью зависит от поверхностного заряда полиплексов, так как связывание полиплексных наночастиц может осуществляться за счет электростатического взаимодействия с отрицательно заряженными компонентами клеточной мембраны. В свою очередь, поверхностный заряд можно охарактеризовать с помощью дзета ©-потенциача данных полиплексов. Знание С,-потенциала позволяет также судить о стабильности полученных полиплексов и распределении заряженных фупп в полиплексе. Все изучаемые полиплексы были заряжены положительно, и полученные значения ^-потенци&та соответствовали литературным данным для полиплексов похожего типа. Для комплексов ПЭИ-ПЭГ с ДНК

¡¡-потенциал меньше, чем для комплексов ПЭИ с ДНК. Это можно объяснить тем, что молекулы ПЭГ находятся на поверхности полиплексов, тем самым экранируя их поверхностный заряд.

Рядом авторов высказывались предположения, что эффективность трансфекции клеток с использованием полиплексов зависит не только ¡¡-потенциала, но и от размера этих полиплексов (Fisher et al., 2000, Kircheis et al., 2001). Поэтому были определены гидродинамические диаметры получаемых полиплексов с помощью прибора Zeta PALS и размеры полиплексов с помощью АСМ. По данным измерений гидродинамических диаметров размер суперскрученной формы молекулы ДНК pEGFP-N3 составлял 450 нм, а средний размер полиплексов, образованных данной плазмидной ДНК и используемыми блок-сополимерами, на порядок меньше и составлял 26-61 нм, что меньше размеров похожих полиплексов, использованных в работе Клеман (Kleemann et al., 2005). Такой размер полиплексов позволяет им проникать в клетку путём эндоцитоза через покрытые ямки: по данным Грейсона и др. (Grayson et al., 2006) для данного типа эндоцитоза размер частиц должен быть меньше 150 нм. Кроме того, совместно с сотрудниками лаборатории Храмцовым Ю.В., Дурымановым МО. и Трусовым Г.А. была выявлена связь эффективности трансфекции различных линий клеток с размером используемых полиплексов: фракция наночасгиц полиплексов с диапазоном размеров 50-75 нм наилучшим образом коррелирует с трансфекцией. Этот диапазон размеров находится ниже границы в 200 нм, начиная с которой частицы распознаются и эндоцитируются макрофагами in vivo, что может приводить к существенному снижению трансфекции in vivo (Smrekar et al., 2003).

3. Определение эффективности трансфекции клеток полиплексами.

Количественная оценка эффективности трансфекции была получена с помощью полиплексов, содержащих плазмиду pEGFP-N3, кодирующую зеленый флуоресцентный белок (EGFP) под контролем цитомегаловирусного промотора При помощи конфокального микроскопа определяли процент клеток, экспрессирующих EGFP, и анализировали зависимости эффективности трансфекции от соотношений компонентов полиплексов. Исследовав различные параметры (соотношения компонентов в блок-сополимере и в полиплексе) и построив «поверхности трансфекции» (рис. 3), удалось найти условия, при которых подиндексы на основе синтезированных блок-сополимеров при исследовании на различных клеточных линиях показали высокую эффективность доставки генетического материала, достигающую в ряде случаев эффективности, сравнимой с вирусными векторами. Полученные зависимости эффективности трансфекции от отношений ПЭГ/ПЭИ и N/P (профиль поверхностей трансфекции) были по своей форме весьма похожи на разных клеточных линиях. Это позволило нам сделать

предположение, что выявленные закономерности могут проявляться и на других линиях клеток.

Рис. 3. Зависимость уровня трансфекцпи от соотношения ПЭГ/ПЭИ используемого блок-сополимера и от соотношения блок-сополимер/плазмида при приготовлении полиплекса на разных линиях клеток.

Таким образом, варьируя отношения ПЭГ/ПЭИ и Ы/Р на ряде клеточных линий можно достичь 80-100%-ной трансфекции (табл. 1). Уровень трансфекции одними и теми же полиплексами разных клеточных линий может различаться. Так, на большинстве клеточных линий полиплексы показывали высокий (> 50%) уровень трансфекции. В то же время на некоторых клеточных линиях эффективность трансфекции была ниже. Эти различия могут быть вызваны, как минимум, двумя причинами. Во-первых, возможны различия в экспрессии репортерного гена под СМУ-промотором на разных клеточных линиях. Эта гипотеза не подтвердилась при исследовании трансфекции клеточных линий репортерным геном под контролем другого сильного и неспецифичного промотора СЛООБ (вЬор е1 а1., 1997). По СЛСОБ промотору выстраивался такой же ряд значений по эффективности трансфекции, что и при использовании СМУ-промотора. Поэтому мы сделали вывод, что, по-видимому, в данном случае промотор не обуславливает принципиальных различий в уровне трансфекции полиплексами разных клеточных линий. Во-вторых, возможно, что выявленные отличия связаны с механизмами транспорта и распаковки полиплексов на разных клеточных линиях.

Табл. 1. Максимальная эффективность трансфекции полиплексами различных клеточных линий.

Линия клеток Максимальный процент трансфекции

1 Карцинома шейки матки человека НеЬа до 100

2 Меланома мышей Клаудмана891 (клонМЗ) 98

3 Эмбриональные клетки почки человека НЕК 293 96

4 Меланома мышей В16Р1 83

5 Легочная карцинома человека Са1и-1 63

6 Эпидермоидная карцинома человека А431 50

7 Легочная карцинома человека N0-11358 46

8 Легочная карцинома человека N01-4292 42

9 Легочная карцинома мышей ЬЬС-1 35

10 Легочная карцинома человека А549 17,7

11 Рак молочной железы человека ВТ-474 4,4

4. Исследования механизмов разной эффективности трансфекции одними и теми же полиплексами различных клеточных линий.

Для изучения механизмов транспорта и распаковки или раздевания полиплексов на разных клеточных линиях мы использовали метод FRET (Förster Resonance Energy

Transfer): резонансный перенос энергии по Фёрстеру. Компоненты полиплексов - ДНК и носитель - блок-сополимер ПЭИ-ПЭГ-ТАТ были помечены 2 флуорофорами. Флуорофоры были подобраны таким образом, чтобы спектр испускания первого флуорофора (квантовых точек, Qd605), то есть донора, перекрывались со спектром поглощения второго флуорофора (AlexaFluor647) - акцептора. На первом этапе исследовали FRET в суспензии полиплексов. Если при возбуждении Qd мы наблюдали флуоресценцию и в канале регистрации Qd, и в канале Alexa, то из этого следовало, что наблюдался перенос энергии и, тем самым, что 2 флуорофора сближены в пространстве, т.е. данный полиплекс не распакован. Почти 100% полиплексов, которые мы в дальнейшем использовали в экспериментах на клетках, были запакованы, так как у них наблюдался FRET.

FRET (Förster Resonance Energy Transfer ) Резонансный перенос энергии по Фёрстеру

канал Qd605 (ДНК)

канал А1еха-б47 (полиплекс)

Рис. 4. Принцип экспериментов с применением FRET. Компоненты полиплексов - ДНК и носитель блок-сополимер были помечены 2 флуорофорами. Если при возбуждении Qd наблюдается флуоресценция и в канале регистрации Qd (зеленые точки), и в канале Alexa (красные точки) то делается вывод, что осуществляется перенос энергии, так как 2 флуорофора сближены в пространстве и данный полиплекс не распакован. Масштаб -1мкм.

Для определения влияния распаковки полиплексов на эффективность трансфекции были выбраны 3 клеточные линии, существенно различающиеся по максимально достигнутому проценту трансфекции (МПТ): легочная карцинома человека А549 и Calu-1, а также меланома мышей Клаудмана S91 (клон МЗ) (17,7, 63,2 и 98,0% соответственно). Для визуализации клеточных компартментов использовали специфические красители: 1) агглютинин зародышей пшеницы, меченный СуЗ, для выявления плазматической мембраны; 2) LysoTracker Green DND-26 для выявления эндосом и лизосом 3) и Hoechst

33258 для окраски ядер. С помощью мультифотонного лазерного конфокального микроскопа LSM-510 Meta NLO были получены оптические срезы и трехмерные изображения живых трансфицированных клеток в различное время после добавления полиплексов к клеткам (от 30 мин до 16 ч). Для каждой исследованной временной точки были получены минимально статистически необходимые серии изображений по Z-оси (не менее 20 изображений в серии), и локализация полиплексов не менее чем в 30 клетках была определена для последующего анализа. Объем, занимаемый флуоресценцией квантовых точек, выраженный в векселях (рис. 5), и локализацию в клетках определяли при помощи программ ObjectCounter3D plugin (Institut Curie, Orsay, France) и Colocalization plugin (Institut Jacques Monod, Service Imagerie, Paris, France) при помощи программы ImageJ (версия 1.43i; http://rsb.info.nih.gov/ii).

a 150

Ц felOO

5 S

5 ^

о и

S w

* g SO

4 8 12

Время, ч

Рис. 5. Временные зависимости поступления и внутриклеточного транспорта полиплексов в клетках, (а) Общее накопление полиплексов в клетках. Линии клеток: ♦ -меланомы мышей Клаудмана (клонМЗ); о - легочной карциномы человека Са1и-1; ■ -легочной карциномы человека А549. (б) Накопление запакованных полиплексах в клетках линии меланомы мышей Клаудмана 891 (клонМЗ) в разных компартментах. • - цигозоль; ■ - эндосомы и лизосомы; Д - ядра. Теоретические кривые проведены по модели, описанной ниже.

В ходе работы были использованы модели (автор - Ю.В. Храмцов), характеризующие различные стадии многоступенчатого процесса трансфекции клеток. Распакованные (возможно на поверхности клеток) полиплексы появлялись в клетках линий А549 и МЗ раньше запакованных. Поэтому была предложена модель (рис. 6), объясняющая оба процесса входа полиплексов в клетки (запакованных и распакованных), и хорошо описывающая экспериментальные данные (коэффициент корреляции больше 0.95). Нами не были обнаружены запакованные полиплексы в ядрах клеток в течение первых 16 часов после трансфекции. Возможно, доставка в ядро ДНК происходит после распаковки полиплексов анионными молекулами в гиалоплазме и последующей запаковки ДНК с помощью клеточных белков или же полиплексы, в том числе и нераспакованные, попадают в ядро во время митоза.

Рис. 6. Общая модель транспорта и распаковки полиплексов в клетке. Количество подиндексов характеризуется вексельным объёмом квантовых точек, для которых не наблюдается FRET: в ядре (N), цитозоле (С„) и эндо/лизосомах (Lui и L^), а также воксельным объёмом квантовых точек, для которых наблюдается FRET: в цитозоле (Ср) и эндо/лизосомах (Lp) в расчете на одну клетку. Указаны: vo - начальная скорость входа запакованных полиплексов (наблюдается FRET) в клетку, ко - константа, характеризующая уменьшение скорости входа полиплексов, vj - начальная скорость входа распакованных полиплексов (не наблюдается FRET) в клетку, к\ - константа, характеризующая уменьшение скорости входа полиплексов, ки„ь - константа скорости распаковки полиплексов в эндо/лизосомах, кшс - константа скорости распаковки полиплексов в цитозоле, i2p, feu - константы скорости выхода запакованных и распакованных полиплексов из эндо/лизосом, соответственно; feu - константа входа распакованных полиплексов в ядро.

Нами были получены значения констант, описывающих транспорт и распаковку полиплексов в клетке (табл. 2). Как показывают эти результаты, по-видимому, существуют несколько причин различной эффективности трансфекции данными полиплексами разных клеточных линий. Так, нами обнаружены отрицательные линейные корреляция между обратной скоростью входа полиплексов в клетку 1/v и ТЕтах и между константой распаковки полиплесков в закисляемых компартментах ктL и МПТ.

Таблица 2. Кинетические параметры, достоверно коррелирующие с максимальной эффективностью трансфекции.

Параметр А549 Calu-1 мз

МПТ(%) 17,7 ±5,2 63,2 ± 1,8 98,0 ± 0,8

v (воксель/ч) 9,4 ± 1,0 18 ± 2 68 ± 10

1/v (ч/воксель) 0,107 ±0,011 0,055 ± 0,008 0,015 ±0,002

fenL (ч1) 0,49 ± 0,05 0,217 ±0,007 0,063 ± 0,006

V и 1/у - скорость входа и обратная скорость входа полиплексов в клетку; кшь ~ константа распаковки полиплексов в закисляемых компартментах (эндо/лизосомы); представлены оценки рассчитанных при помощи модели величин + стандартная ошибка.

Иными словами, низкая эффективность трансфекции клеток коррелирует с низкой

скоростью входа, а также с распаковкой в закисляемых компартментах, где ДНК, скорее

всего, будет деградировать. Таким образом, наиболее выражены характеристики,

ухудшающие транспорт и распаковку полиплексов, у клеток линии А549, наименее выражены - у клеток линии меланомы мышей Клаудмана S91 (клонМЗ). Промежуточное положение занимает линия Calu-1, что соответствует наблюдаемой максимальной эффективности трансфекции in vitro. Используя полученные знания по различиям в транспорте и распаковке полиплексов на разных клеточных линиях, можно направленно модифицировать компоненты полиплексов под определенный тип клеток.

5. Придание полиплексам специфичности за счет включения в них лигандов к рецепторам.

Одной из возможностей снизить влияние лимитирующих стадий при трансфекции клеток-мишеней и заодно придать им клеточную специфичность является направленная модификация полиплексов с помощью лигандов к рецепторам, сверхэкспрессированным на поверхностях клеток-мишеней. Развивая эту идею, мы сконструировали полиплексы, несущие лиганд к рецепторам на поверхности клеток линии меланомы мышей Клаудмана S91 (клон МЗ). Эти клетки характеризуются сверхэкспрессией рецептора меланоцит-стимулирующего гормона - одного из типов меланокортиновых рецепторов. Нами был использован пептидный лиганд, МК1С, с последовательностью обладающей высоким сродством и специфичностью к данному типу рецепторов (Szardenings et al., 2000). Эксперименты на клетках показали большую специфичность и эффективность лигандированного полиплекса по сравнению с нелигандированным аналогом (рис. 7).

-о 60

о4

и 50

¡S

3 40

а»

-е- зо

* 20 а.

н 10

ШШ&

Рис. 7. Влияние добавления избытка свободного а-меланоцитстимулирующего гормона (а-МСГ) к специфическому полиплексу ПЭИ-ПЭГ-МК1С (ЪГ/Р=30) на эффективность трансфекции клеток меланомы мышей Клаудмана 891 (клон МЗ). 1- ПЭИ-ПЭГ-МК1С; 2 - ПЭИ-ПЭГ-МК1С + а-МСГ; 3- ПЭИ-ПЭГ; 4- ПЭИ-ПЭГ + а-МСГ. а-МСГ в конечной концентрации 1 мкМ был добавлен к клеткам за 5 минут до добавления полиплекса.

Нами был изучен транспорт лигандированных и нелигандированных полиплексов в клетках мышиной меланомы Клаудмана 891 (клонМЗ). Данные, представленные на рис. 8

показывают, что фракция нераспакованных подиндексов в случае лигандированного полиплекса появляется в клетке примерно на 6 часов раньше, чем для нелигандированного. Преимущественное накопление нераспакованных лигандированных полиплексов также показано и для эндосом/лизосом.

Время, ч

Рис. 8. Накопление запакованных лигандированных и нелигандированных полиплексов в цитоплазме. ■ - ПЭИ-ПЭГ-МК1С; ♦ - ПЭИ-ПЭГ.

Подобные различия в характеристиках входа лигандированных и нелигандированных полиплексов являются следствием использования лиганда к рецепторам на поверхности клеток-мишеней. В дальнейших экспериментах in vivo были использованы выявленные кинетические отличия между лигандированными и нелигандированными полиплексами.

8. Исследовании траисфекции полиплексами in vivo.

Исследовав и оптимизировав параметры полиплексов, при которых достигается высокая и специфическая трансфекция in vitro, мы исследовали трансфекцию лигандированными и нелигандированными полиплексами in vivo. Исследования активности люциферазы при внутриопухолевом введении кодирующего её гена продемонстрировали достоверно лучшую трансфекцию опухолей в случае лигандированных полиплексов, чем в случае нелигандированных полиплексов, что свидетельствует о большей эффективности лигандированных полиплексов ПЭИ-ПЭГ-МК1С. Так, для лигандированного полиплекса активность люциферазы в опухоли составила (66,3 ± 17,8)-103 отн. ед./мг белка (N=7, среднее + ст. ошибка), в то время как для нелигандированного полиплекса активность была в 2,6 раза ниже: (25,7 ± 6,6)-103 отн. ед./мг белка (N=5).

Нами была оценена экспрессия мРНК репортерного гена люциферазы in vivo при внутриопухолевом введении лигандированных и нелигандированных полиплексов. Эксперименты были поставлены на 2 группах (по 3 мыши каждая) мышей DBA/2y с

привитыми клетками меланомы Клаудмана 891 (клон МЗ), стабильно экспрессирующими зеленый флуоресцентный белок. Отнесение клеток на срезе (рис. 9) к опухолевым проводили по флуоресцентному свечению в характерной зеленой области спектра (так как привитые раковые клетки стабильно экспрессировали зеленый флуоресцентный белок) и по более темной окраске в проходящем свете (из-за пигментированности клеток меланомы).

Рис. 9. Типичное изображение срезов мышиных опухолей меланомы Клаудмана S91 (клон МЗ), стабильно трансфицированных EGFP. Мышам каждой группы внутриопухолево вводили либо лигандированный, либо нелигандированный полигшекс. Через 6 часов мыши были подвергнуты эвтаназии, опухоли вырезаны и заморожены. На криостате были получены срезы, которые использовали для лазерной микродиссекции с помощью прибора PALM laser capture microscope (P.A.L.M. Microlaser Technologie). А: до микродиссекции. В: после микродиссекции. Слева представлено изображение в проходящем свете, справа - флуоресцентное изображение (объектив х20; фильтры: возбуждение - 450-490 нм, испускание - 515-565 нм). Красным кружком обведен участок среза, отнесенного к опухолевым клеткам, синим - участок, отнесенный к неопухолевым клеткам.

Из образцов опухолевых и неопухолевых клеток была выделена тотальная РНК с последующей обработка ДНКазой с целью очистки от геномных последовательностей гена бета-2 микроглобулина и нетранскрибированных последовательностей гена люциферазы. Выделенная РНК использовалась в совмещенной реакции обратная транскрипция - ПЦР (ОТ-ПЦР) в реальном времени (табл. 3).

Табл. 3. Трапсфскция лигандировшшыми и нелигандированными полиплексами

мышь Репортерный ген Референсиый ген Д Ст средний ДСТ

Лигандированный 1 24,70 ±0,33 32,82 ±0,32 -8,12 -8,31

полиплекс 2 19,34 ±0,56 29,31 ±0,53 -9,97

3 17,03 ± 0,14 23,88 ± 0,56 -6,85

Нелигандированный 4 20,32 ±0,06 21,35 ±0,03 -1,04 -1,66

полиплекс 5 24,98 ±0,19 28,17 ±0,14 -3,19

5 20,04 ± 0,29 20,79 ±0,15 -0,75

Представлены пороговые циклы Ст для репортерного гена люциферазы и референсного гена бега-2 микроглобулина. Опухолевые клетки отобраны с помощью лазерного микродиссектора PALM из мышиных опухолей меланомы Клаудмана S91 (клон МЗ).

Данные ОТ-ПЦР в реальном времени обработаны с помощью сравнительного Ст

метода, известного также как 2

1-дд СТ

метод (Schmittgen and Livak, 2008), который

позволяет представлять данные ПЦР в реальном времени в виде «отличий в ... раз» между опытом и ко1гтролем. Дня данного метода важным предположением является сходная эффективность амплификации целевого гена и внутреннего референсного гена. Эффективности амплификации генов люциферазы и бета-2-микроглобулина, определенные с помощью с помощью серийных разведений, составили 94% и 98% соответственно, что является допустимым для этого метода (Schmittgen and Livak, 2008).

Различие в экспрессии между клетками опухоли, трансфицированными лигандированными и нелигандированными полиплексами, составило 2-дл ст^лстлигвд-лстнслкганд.) = 100>7 раз (р < о,05). То есть, трансфекция

лигандированными полиплексами опухолевых клеток m vivo, оцененная по мРНК, на 2 порядка лучше, чем при использовании нелигандированных полиплексов.

При выполнении экспериментов с лазерной микродиссекцией нами не была обнаружена экспрессия репортерного гена люциферазы в неопухолевых клетках. Это можно объяснить лучшей трансфекцией полиплексами бысгроделящихся опухолевых клеток за счет более эффективного попадания доставленной полиплексами плазмидной ДНК в ядро в ходе митоза Кроме того, количество ДНК репортерного гена оказалось достоверно выше в опухолевых клетках, по сравнению с неопухолевыми клетками.

Исследования экспрессии люциферазы in vivo на ранних временах продемонстрировали достоверно лучшую трансфекцию опухолей в случае лигацдированных полиплексов, чем в случае нелигандированных полиплексов, что свидетельствует о большей эффективности специфичных полиплексов ПЭИ-ПЭГ-МК1С в клетках-мишенях.

Дня оценки терапевтического потенциала лигандированных подиндексов совместно со Сластниковой Т.А. и Розенкранцом A.A. было изучено влияние введения полиплексов, несущих ген тимндинкиназы вируса простого герпеса HSV/A- (с последующим введением ганцикловира), на развитие опухолей у мышей. Поскольку экспрессия, особенно для лигандированного полиплекса, начиналась в первые часы после введения полиплекса, то мы начинали введение ганцикловира через 6 часов после введения полиплекса, чтобы за счет разной экспрессии, обусловленной различиями в кинетике транспорта лигандированных и нелигандированных полиплексов осуществлялась преимущественная терапия клеток-мишеней. Двукратное введение полиплексов с последующим введением ганцикловира в течение 3 дней после введения полиплекса привело к резкому торможению роста опухолей (рис. 10).

Bpms с |иок\до1(В1. ди'А

ВргМЯПЫЛГ n.rilLI.I .Ir'lflUf». .»(f/I

Рис. 10. Суицидная генотералия меланомы у мышей ОВА/2 при внутриопухолевом введении полиплексов. (а). Влияние включения специфического пептида МК1С на эффективность терапии при внутриопухолевой инъекции полиплекса с геном под

контролем цитомегаловирусного промотора. Представлены результаты (среднее + ст. ошибка) для мышей, получавших ЩУ/А: в составе полиплекса с МК1С (•), и без МК1С (■). Размер групп: 8 животных для группы, получавшей полиплекс с МК1С, и 6 животных для группы, получавшей полиплекс без МК1С. По оси абсцисс указано время с момента инокуляции экспериментальных опухолей, (б) Влияние включения специфического пептида МК1С на выживаемость после внутриопухолевой инъекции полиплекса с геном Н$У1к под контролем цитомегаловирусного промотора. Мыши, получавшие в

составе полиплекса с МК1С (•), и без МК1С (■).

У животных, получавших лигандированный полиплекс, помимо задержки роста опухоли также наблюдалось увеличение продолжительности жизни по сравнению с животными, получавшими нелигандированный полиплекс. Достоверный терапевтический эффект был обнаружен при использовании всего лишь 2-х введений полиплекса. Поэтому можно предположить, что терапевтический эффект будет лучше при увеличении числа введений полиплекса с терапевтической плазмидой с соотвествующим увеличением продолжительности введения ганцикловира.

Использование ПЭИ-ПЭГ-МК1С приводило к увеличению продолжительности жизни мышей из группы лигандированного полиплекса в 3,6 раза по сравнению с контролем. В то же время, полиплексы на основе ПЭИ-ПЭГ обеспечивали увеличение

продолжительности жизни мышей (группа нслигандированного подиндекса) в 2,2 раза по сравнению с контролем. Таким образом, включение специфичного лиганда дополнительно увеличивало продолжительность жизни мышей в 1,6 раза при внутриопухолевом введении. Следует отметить, что нами также был показан достоверный терапевтический эффект при использовании лигандированных полиплексов не только при внутриопухолевом введении, но и при системном введении мышам.

В качестве контролей мы исследовали терапевтическое действие самого полиплекса без введения ганцикловира, а также введение мышам только ганцикловира. На рис. 11 показано, что при системном введении оба этих контроля заметно отличаются от опытной группы ПЭИ-ПЭГ-МК1С + ганцикловир как по росту опухолей, так и по продолжительности жизни.

Пшшиияы на «ном ДЭП ГОГ-МК1С

Время с илчяаа лг^ння. дмй BpfM* г шп-ivia л«'1ення, ДН' М

Рис. 11 Суицидная генотерапия меланомы у мышей DBA/2 при внутривенном введении полиплексов. (а). Влияние внутривенного введения полиплекса на основе специфического для меланомы блок-сополимера ПЭИ-ПЭГ-МК1С и HSV/£ под контролем цитомегаловирусного промотора на скорость роста меланомы МЗ у мышей DBA/2y. Жирными стрелками обозначено введение полиплекса в хвостовую вену, черными полосками интервалы введения ганцикловира (25 мг/кг). На графике представлены результаты (среднее ± стандартная ошибка среднего), контрольная группа (0), 9 мышей, остальные группы по 8 мышей, (б). Различия в средней продолжительности жизни группы, получавшей полиплекс с HSVtk под контролем цитомегаловирусного промотора и ганцикловир (GC), от группы, получавшей только полиплекс, и от группы, получавшей только ганцикловир.

Таким образом, в настоящей работе создан и изучен большой набор вариантов полиплексов на основе ПЭИ, модифицированного ПЭГ. Подобранные условия оптимальной трансфекции позволили выявить различия в трансфекции одними и теми же полиплексами разных клеточных линий. Исследование внутриклеточных процессов трансфекции привело к обнаружению стадий, лимирующих трансфекцию. Полученные в работе лигандированные полиплексы продемонстрировали лучшую эффективность трансфекции клеток-мишеней как в системе in vitro, так и in vivo.

ВЫВОДЫ:

1) Получена панель блок-сополимеров ПЭИ-ПЭГ-пептид с количественно охарактеризованным соотношением компонентов, в том числе блок-сополимеры, специфичные для клеток, экспрессирующих меланокортиновые рецепторы первого типа, и при помощи этих блок-сополимеров получен набор полиплексных наночастиц для трансфекции клеток.

2) На основании исследования 8 различных клеточных линий определены соотношения компонентов полиплексов (ПЭГ-ПЭИ-пептид)-(плазмидная ДНК), при которых наблюдается наилучшая трансфекция. Обнаружена универсальность зависимости эффективности трансфекции клеток от состава полиплексов

3) Исследование эндоцитоза, внутриклеточного транспорта и распаковки полиплексных наночастиц в различных клеточных линиях показавд, что высокая эффективность трансфекции клеток полиплексами коррелирует с высокой скоростью входа полиплексов в клетку и низкой скоростью распаковки в закисляемых компартментах.

4) Полиплексы, в состав которых входит пептид, специфичный для меланокортиновых рецепторов первого типа, проявляют способность избирательно трансфицировать клетки мышиной меланомы как in vitro, так и in vivo.

5) Обнаружен терапевтический эффект при использовании полиплексов, несущих ген тимидинкиназы вируса простого герпеса, при суицидной генотерапии мышей, с экспериментальной меланомой. Включение в состав полиплекса лиганда, специфичного к меланокортиновым рецепторам первого типа, тормозит скорость роста опухоли и увеличивает продолжительность жизни мышей-опухоленосителей.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в научных журналах:

1. Ulasov А.У.. Khramtsov Y. V. Trusov G.A. Rosenkranz A.A., Sverdlov E.D., Sobolev

• A.S. Properties of PEI-based polyplex nanoparticles that correlate with their transfection .efficacy. Mol Ther. 2011. 19(1): 103-112.

2. Трусов Г.А., Уласов A.B.. Белецкая Е.А., Храмцов Ю.В., Дурыманов М.О., Розенкранц A.A., Свердлов Е.Д., Соболев A.C. Исследование влияния механизмов транспорта и распаковки полиплексов на эффективность трансфекции различных

клеточных линий. Докл. АН. Биофизика, Биохимия, Молекулярная Биология, 2011, 437(2): 226-228.

Тезисы конференций:

1. Уласов А. В.. Трусов Г. А., Храмцов Ю. В., Розенкранц А. А., Свердлов Е. Д., Соболев А. С. Применение полиплексов для доставки генов под контролем опухолеспецифичных промоторов. Сборник трудов научной конференции «Химическая биология - Фундаментальные проблемы бионанотехнологии», 10-14 июня 2009, Новосибирск, стр. 126.

2. Уласов А. В.. Трусов Г. А., Храмцов Ю. В., Розенкранц А. А., Свердлов Е. Д., Соболев А. С. Полиплексные наночастицы для доставки генетического материала в клетки. Стендовый доклад. 1-ая Международная научная школа «Наноматериалы и нанотехнологии в живых системах», 29 июня - 4 июля 2009, стр. 146.

3. Трусов Г. А., Уласов А. В.. Храмцов Ю. В., Розенкранц А. А., Свердлов Е. Д., Соболев А. С. Структурно-функциональные характеристики полиплексных наночастиц для генотерапии. Стендовый доклад. 1-ая Международная научная школа «Наноматериалы и нанотехнологии в живых системах», 29 июня - 4 июля 2009, стр. 144.

4. Трусов Г.А., Уласов А.В.. Храмцов Ю.В., Розенкранц А.А, Свердлов Е.Д., Соболев А.С. Наночастицы полиплексов - высокоэффективная система доставки генетического материала в клетки. Стендовый доклад. Второй Международный форум по нанотехнодогиям, 6-8 октября 2009 г., компакт-диск с тезисами.

5. Белецкая Е.А., Храмцов Ю.В., Трусов Г.А., Уласов А.В. Физико-химические характеристики полиплексов на основе полиэтиленимина. Конференция «Ломоносов 2010», компакт-диск с тезисами.

6. Ulasov А.V.. Trusov G.A., М.О. Durymanov, Khraratsov Y.V., Rosenkranz A.A., Sverdlov, E.D., Sobolev, A.S. Transfection of target cells with liganded polyplexes. International Symposium «Control of Gene Expression», Moscow, p 80-81.

7. Trusov G.A., Ulasov A.V., Khramtsov Y.V., Durymanov M.O., Beletskaya E.A., Rosenkranz A.A., Sverdlov E.D., Sobolev, A.S. A study of intracellular transport of polyplex nanoparticles, a highly efficient system of intracellular delivery of genetic material. International Symposium «Control of Gene Expression», Moscow, p 79-80.

8. Уласов A.B.. Трусов Г.А., Храмцов Ю.В., Белецкая Е.А., Дурыманов М.О., Розенкранц А. А., Свердлов Е. Д., Соболев А.С. Полиплексы - невирусные векторы для адресной доставки генетической информации в клетки. Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Нанобиотехнология», Стр 145-148

9. Уласов A.B.. Трусов Г.А., Дурыманов М.О., Храмцов Ю.В., Розенкранц A.A., Свердлов Е.Д., Соболев A.C. Полиплексы - искусственные наиотранспортеры для направленной доставки генов в клетку Конференция НАНОБИО-ПАРК 2010 15 сентября 2010 г., стр 26-28.

10. Уласов A.B.. Трусов Г.А., Дурыманов М.О., Храмцов Ю.В., Розенкранц A.A., Свердлов Е.Д., Соболев A.C. Полиплексы - перспективные наночастицы для генотерапии. Стендовый доклад. Третий Международный форум по нанотехнологиям, 1-3 ноября 2010 г., компакт-диск с тезисами.

Подписано в печать:

22.02.2011

Заказ № 5025 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru