Development of lipofection vectors based in novel serine-based cationic gemini surfactants finely tuned by monoolein for therapeutic siRNA delivery

Abstract

Gene therapy based on gene silencing with siRNA has evolved and gained great importance over the last few years as a method with great potential in the treatment of genetic diseases. However, a major challenge to the use of RNAi-based therapies is their efficient delivery through an appropriate vector. Cationic liposomes are an example of the most versatile nonviral vectors for the delivery of nucleic acids and have been researched in the past few years as a strategy to promote effective transfection of genetic material. This project has focused on the development and characterization of novel vectors for therapeutic siRNA delivery based in three different gemini amino acid-based surfactant derived from serine with an helper lipid called monoolein (MO). Monoolein lipid is a known promoter of inverted nonbilayer structures such as inverted cubic mesophases and could enhance the fusogenicity of serine-based gemini aggregates while modulating the properties of the final aggregates. The use of these vectors aims at therapeutic purposes, and thus requires a full characterization of the formed systems. The vectors must have robust properties and the ability to ensure efficient and reliable performance. Therein, it is shown that the chemical nature of the spacer linker (amine, amide and ester) in serine-based gemini surfactant influences the properties of the aggregates formed and their complexes with nucleic acids. On the other hand, the inclusion of MO in liposomal or micellar formulations, as helper lipid, induces modifications on the morphology of the aggregates. Typically, this leads to a reduction in the mean diameter of particles, without the need of mechanic processes such as sonication or extrusion to increase their stability over time. The three gemini:MO systems tested have good ability to complex efficiently siRNA and they did not show significant levels of cytotoxicity. This compactation of siRNA leads to liposomal/micellar-siRNA complexes with optimal mean diameters, which could be used in vitro and in vivo. Lastly, the capacity to deliver siRNA and thus silence the target gene was also evaluated. The results obtained showed high percentages of down regulations, indicating that the gemini:MO formulations studied in this work are good candidates as lipofection vectors for RNAi-therapies.

A terapia génica baseada no silenciamento de genes com siRNA foi evoluindo e ganhando grande importância nos últimos anos como um método com grande potencial no tratamento de doenças genéticas. No entanto, um dos grandes desafios no uso de terapias à base de RNA de interferência é a sua entrega eficiente através de um vetor apropriado. Os lipossomas catiónicos são um exemplo de vetores não virais dos mais versáteis para a entrega de ácidos nucleicos e têm sido estudados nos últimos anos como uma estratégia para promover a transfeção eficaz do material genético. Este projeto focou-se no desenvolvimento e caracterização de novos vetores para entrega de siRNA baseados em misturas de surfactantes gemini derivados do aminoácido serina com um lípido co-adjuvante - monoleína (MO). Os surfactantes gemini diferem entre si somente pelo tipo de ligações ao nível do espaçador, que podem ser ligações éster, amida e amina. A monoleína é um conhecido promotor de estruturas invertidas como fases cúbicas e pode aumentar a fusogenicidade de agregados, enquanto modula as propriedades dos agregados finais. Uma vez que estes vetores são projetados para uso terapêutico, é imperativo caracterizar completamente os sistemas formados, que devem ter propriedades consistentes e capacidade de assegurar o desempenho eficiente e confiável. Este trabalho mostrou que a natureza química do espaçador dos surfactantes gemini derivados de serina (éster, amida e amina) tem influência nas propriedades dos agregados formados e, consequentemente, nos seus complexos com ácidos nucleicos. Por outro lado, a inclusão de MO, como lípido co-adjuvante, nas formulações lipossomais/micelares, induz modificações na morfologia dos agregados, levando à diminuição do seu diâmetro médio, sem a necessidade de se utilizar métodos mecânicos – como sonicação ou extrusão – para aumentar a estabilidade do agregado ao longo do tempo. Os três sistemas gemini:MO estudados não apresentam níveis de citotoxicidade significativos e têm elevada capacidade para complexar, eficientemente, siRNA. Esta compactação do siRNA origina complexos lipossomais/micelares-siRNA com diâmetros médios ótimos para aplicação, tanto in vitro como in vivo. Por último, foi avaliada a capacidade destes vetores para libertarem o siRNA e silenciar um genealvo. Os resultados obtidos mostram elevadas percentagens de silenciamento genético, indicando que as formulações Gemini:MO estudadas neste trabalho, são eficazes como vetores de lipofecção para terapias baseadas em RNA de interferência.