Катионные и ионизируемые амфифилы на основе дигексадецилового эфира L-глутаминовой кислоты для липосомального транспорта РНК

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В настоящее время различные варианты РНК являются одними из наиболее многообещающих и активно развивающихся терапевтических средств для лечения опухолей, инфекционных заболеваний и ряда других патологий, ассоциированных с нарушением функционирования специфических генов. Для эффективной доставки РНК в клетки-мишени применяют различные наноносители, среди которых можно выделить липосомальные средства доставки на основе катионных и/или ионизируемых амфифилов. Катионные амфифилы содержат постоянно протонированную аминогруппу и существуют в виде солей в водной среде. Ионизируемые амфифилы являются новым поколением катионных липидов, которые проявляют пониженную токсичность и иммуногенность и подвергаются ионизации только в кислой среде внутри клетки. В данной работе нами разработана схема получения и осуществлен синтез новых катионных и ионизируемых амфифилов на основе природных аминокислот (L-глутаминовой кислоты, глицина, бета-аланина и гамма-аминомасляной кислоты). На основе полученных соединений в смеси с природными липидами (фосфатидилхолином и холестерином) были сформированы катионные и ионизируемые липосомы и определены их физико-химические характеристики: размер частиц, дзета-потенциал, стабильность при хранении. Стабильные в течение 5–7 суток частицы имеют средний диаметр, не превышающий 100 нм. Дзета-потенциал катионных и ионизируемых липосом составляет примерно 30 и 1 мВ, соответственно. Полученные липосомальные частицы были использованы для формирования комплексов с молекулами РНК. Такие комплексы с РНК были охарактеризованы с помощью атомно-силовой микроскопии, и определена их применимость для транспорта нуклеиновых кислот.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Г. А. Бухарин

МИРЭА – Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий им. М. В. Ломоносова)

Email: zaret03@mail.ru
Россия, Москва, 119571

У. А. Буданова

МИРЭА – Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий им. М. В. Ломоносова)

Email: zaret03@mail.ru
Россия, Москва, 119571

З. Г. Дениева

Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: zaret03@mail.ru
Россия, Москва 119071

Е. В. Дубровин

Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН; Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: zaret03@mail.ru

физический факультет

Россия, Москва 119071; Москва, 119991

Ю. Л. Себякин

МИРЭА – Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий им. М. В. Ломоносова)

Email: zaret03@mail.ru
Россия, Москва, 119571

Список литературы

  1. Gonzalez G.A., Hosseinidoust Z. 2020. Liposomes for antibiotic encapsulation and delivery. ACS Infect. Dis. 6 (5), 896.
  2. Guimarães D., Cavaco-Paulo A., Nogueira E. 2021. Design of liposomes as drug delivery system for therapeutic applications. Int. J. Pharm. 601, 120571.
  3. Jahn A., Vreeland W.N., DeVoe D.L., Locascio L.E., Gaitan M. 2007. Microfluidic directed formation of liposomes of controlled size. Langmuir. 23 (11), 6289–6293.
  4. Wang L., Xing H., Guo S., Cao W., Zhang Z., Huang L., Xin S., Luo Y., Wang Y., Yang J. 2023. Negatively charged phospholipids doped liposome delivery system for mRNA with high transfection efficiency and low cytotoxicity. Drug Deliv. 30 (1), 2219869.
  5. Пашков Е.А., Коротышева М.О., Пак А.В., Файзулоев Е.Б., Сидоров А.В., Поддубиков А.В., Быстрицкая Е.П., Дронина Ю.Е., Солнцева В.К., Зайцева Т.А., Пашков Е.П., Быков А.С., Свитич О.А., Зверев В.В. Исследование противогриппозной активности комплексов миРНК против клеточных генов FLT4, Nup98 и Nup205 на модели in vitro. 2022. Тонкие Химические Технологии. 17 (2), 140.
  6. Wang H., Yuan Y., Qin L., Yue M., Xue J., Cui Z., Zhan X., Gai J., Zhang X., Guan J., Mao S. 2024. Tunable rigidity of PLGA shell-lipid core nanoparticles for enhanced pulmonary siRNA delivery in 2D and 3D lung cancer cell models. JCR. 366, 746.
  7. Haase F., Pohmerer J., Yazdi M., Grau M., Zeyn Y., Wilk U., Burghardt T., Höhn M., Hieber C., Bros M., Wagner E., Berger S. 2024. Lipoamino bundle LNPs for efficient mRNA transfection of dendritic cells and macrophages show high spleen selectivity. Eur. J. Pharm. Biopharm. 194, 95.
  8. Polack F.P., Thomas S.J., Kitchin N., Absalon J., Gurtman A., Lockhart S., Perez J.L., Perez Marc G., Moreira E.D., Zerbini C., Bailey R., Swanson K.A., Roychoudhury S., Koury K., Li P., Kalina W.V., Cooper D., Frenck R.W. Jr, Hammitt L.L., Tureci O., Nell H., Schaefer A., Unal S., Tresnan D.B., Mather S., Dormitzer P.R., Sahin U., Jansen K.U., Gruber W.C., Group C.C.T. 2020. Safety and efficacy of the BNT162b2 mRNA Covid-19 vaccine. N. Engl. J. Med. 383, 26032615.
  9. Baden L.R., El Sahly H.M., Essink B., Kotloff K., Frey S., Novak R., Diemert D., Spector S.A., Rouphael N., Creech C.B., McGettigan J., Khetan S., Segall N., Solis J., Brosz A., Fierro C., Schwartz H., Neuzil K., Corey L., Gilbert P., Janes H., Follmann D., Marovich M., Mascola J., Polakowski L., Ledgerwood J., Graham B.S., Bennett H., Pajon R., Knightly C., Leav B., Deng W., Zhou H., Han S., Ivarsson M., Miller J., Zaks T., Group C.S. 2021. Efficacy and safety of the mRNA-1273 SARS-CoV2 Vaccine. N. Engl. J. Med. 384, 403.
  10. He H., Yuan D., Wu Y., Cao Y. 2019. Pharmacokinetics and pharmacodynamics modeling and simulation systems to support the development and regulation of liposomal drugs. Pharmaceutics. 11(3), 110.
  11. Maritim S., Boulas P., Lin Y. 2021. Comprehensive analysis of liposome formulation parameters and their influence on encapsulation, stability and drug release in glibenclamide liposomes. Int. J. Pharm. 592, 1200051.
  12. Sakuma T., Makino K., Terada H., Takeuchi I., Mitova V., Troev K. 2023. Synthesis and characterization of amphiphilic diblock polyphosphoesters containing lactic acid units for potential drug delivery applications. Molecules. 28 (13), 5243.
  13. Kheoane P.S., Enslin G.M., Tarirai C. 2023. Formulation and characterization of liposomes containing drug absorption enhancers for optimized anti-HIV and antimalarial drug delivery. Drug Deliv. Transl. Res. 13 (5), 1358–1371.
  14. Cui S., Wang Y., Gong Y., Lin X., Zhao Y., Zhi D., Zhou Q., Zhang S. 2018. Correlation of the cytotoxic effects of cationic lipids with their headgroups. Toxicol. Res. (Camb). 7 (3), 473–479.
  15. Denieva Z.G., Koloskova O.O., Gileva A.M., Budanova U.A., Sebyakin Yu.L. 2023. Mixed cationic liposomes based on L-amino acids as efficient delivery systems of therapeutic molecules into cells. Biochem. (Moscow) Suppl. Ser. A. 17, 136–147.
  16. Gileva A.M., Koloskova O.O., Nosova A.S., Vishniakova L.I., Egorenkov E.A., Smirnov V.V., Budanova U.A., Sebyakin Yu.L., Khaitov, M.R., Markvicheva, E.A. 2023. Transfection efficacy and drug release depends upon the PEG derivative in cationic lipoplexes: Evaluation in 3D in vitro model and in vivo. J. Biomed. Mater. Res. B. 111 (9), 1614–1628.
  17. Inoh Y., Hirose T., Yokoi A., Yokawa S., Furuno T. 2020. Effects of lipid composition in cationic liposomes on suppression of mast cell activation. Chem. Phys. Lipids. 231, 104948.
  18. Rana S., Bhatnagar A., Singh S., Prabhakar N. 2022. Evaluation of liver specific ionizable lipid nanocarrier in the delivery of siRNA. Chem. Phys. Lipids. 246, 105207.
  19. Settanni G., Brill W., Haas H., Schmid F. 2022. pH-dependent behavior of ionizable cationic lipids in mRNA-carrying lipoplexes investigated by molecular dynamics simulations. Macromol Rapid Commun. 43 (12), e2100683.
  20. Sun Y., Zhao Y., Zhao X., Lee R.J., Teng L., Zhou C. 2017. Enhancing the therapeutic delivery of oligonucleotides by chemical modification and nanoparticle encapsulation. Molecules. 22 (10), 1724.
  21. Pandey H., Rani R., Agarwal V. Liposome and their applications in cancer therapy. 2016. Braz. Arch. Biol. Technol. 59, e16150477.
  22. Liu H.M., Zhang Y.F., Xie Y.D., Cai Y.F., Li B.Y., Li W., Zeng L.Y., Li Y.L., Yu R.T. Hypoxia-responsive ionizable liposome delivery siRNA for glioma therapy. 2017. Int. J. Nanomed. 12, 1065–1083.
  23. Liu Y., Huang L. 2010. Designer lipids advance systemic siRNA delivery. Mol. Ther. 18 (4), 669–670.
  24. Koloskova O.O., Nikonova A.A., Budanova U.A. 2016. Synthesis and evaluation of novel lipopeptide as a vehicle for efficient gene delivery and gene silencing. Eur. J. Pharm. Biopharm. 102, 159–167.
  25. Filatova S.M., Denieva Z.G., Budanova U.A., Sebyakin Yu.L. 2020. Synthesis of low-molecular-weight antibacterial peptide mimetics based on dialkyl- and diacylamines. Moscow Univ. Chem. Bull. 75, 320–327.
  26. Shantanu P. 2023. Liposomes for drug delivery: review of vesicular composition, factors affecting drug release and drug loading in liposomes. Artif. Cells Nanomed. Biotechnol. 51 (1), 428–440.
  27. Briuglia M.L., Rotella C., McFarlane A., Lamprou D.A. 2015 Influence of cholesterol on liposome stability and on in vitro drug release. Drug Deliv. Transl. Res. 5, 231–242.
  28. Nakhaei P., Margiana R., Bokov D.O., Abdelbasset W.K., Jadidi Kouhbanani M.A., Varma R.S., Marofi F., Jarahian M., Beheshtkhoo N. 2021. Liposomes: Structure, biomedical applications, and stability parameters with emphasis on cholesterol. Front. Bioeng. Biotechnol. 9, 705886.
  29. Jeong M., Lee Y., Park J., Jung H., Lee H. 2023. Lipid nanoparticles (LNPs) for in vivo RNA delivery and their breakthrough technology for future applications. Adv. Drug Del. Rev. 200, 114990.
  30. El Moukhtari S.H., Garbayo E., Amundarain A., Pascual-Gil S., Carrasco-León A., Prosper F., Agirre X., Blanco-Prieto M.J. 2023. Lipid nanoparticles for siRNA delivery in cancer treatment. JCR. 361, 130–146.
  31. Denieva Z.G., Romanova N.A., Bodrova T.G., Budanova U.A., Sebyakin Yu.L. 2019. Synthesis of amphiphilic peptidomimetics based on the aliphatic derivatives of natural amino acids. Moscow Univ. Chem. Bull. 74, 300–305.
  32. Xu G., Chen B., Guo B., He D., Yao S. 2011. Detection of intermediates for the Eschweiler-Clarke reaction by liquid-phase reactive desorption electrospray ionization mass spectrometry. Analyst. 136 (11), 2385–2390.
  33. Waghule T., Saha R.N., Alexander A., Singhvi G. 2022. Tailoring the multi-functional properties of phospholipids for simple to complex self-assemblies. JCR. 349, 460–474.
  34. Khalil R.A., Zarrari A.A. 2014. Theoretical estimation of the critical packing parameter of amphiphilic self-assembled aggregates. Appl. Surf. Sci. 318, 85–89.
  35. Denieva Z.G., Budanova U.A., Sebyakin Y.L. 2021. Irregular cationic lipotetrapeptides for pharmaceutical multifunctional transport systems. Mend. Commun. 31 (4), 509–511.
  36. Fondjo E.S., Njoya A.S., Tamokou J.D., Doungmo G., Lenta B.N., Simon P.F.W., Tsopmo A., Kuiate J.-R. 2022. Synthesis, characterization and antimicrobial properties of two derivatives of pyrrolidine-2,5-dione fused at positions-3,4 to a dibenzobarrelene backbone. BMC Chemistry. 16, 8.
  37. Liu Y., Castro Bravo K.M., Liu J. 2021. Targeted liposomal drug delivery: a nanoscience and biophysical perspective. Nanoscale Horiz. 6 (2), 78–94.
  38. Carrasco M.J., Alishetty S., Alameh M.G., Said H., Wright L., Paige M., Soliman O., Weissman D., Cleveland T.E. IV, Grishaev A., Buschmann M.D. 2021. Ionization and structural properties of mRNA lipid nanoparticles influence expression in intramuscular and intravascular administration. Commun. Biol. 4, 956.
  39. Ma B., Zhang S., Jiang H., Zhao B., Lv H. 2007. Lipoplex morphologies and their influences on transfection efficiency in gene delivery. JCR. 123 (3), 184–194.
  40. Inoh Y., Nagai M., Matsushita K., Nakanishi M., Furuno T. 2017. Gene transfection efficiency into dendritic cells is influenced by the size of cationic liposomes/DNA complexes. Eur. J. Pharm. Sci. 102, 230–236.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Схема 1

Скачать (380KB)
Метаданные
3. Рис. Таблица 4а

Скачать (118KB)
Метаданные
4. Рис. Таблица 4b

Скачать (119KB)
Метаданные
5. Рис. Таблица 4c

Скачать (101KB)
Метаданные
6. Рис. Таблица 5a

Скачать (109KB)
Метаданные
7. Рис. Таблица 5b

Скачать (99KB)
Метаданные
8. Рис. Таблица 5c

Скачать (90KB)
Метаданные
9. Рис. 1. Изменение оптической плотности липосомальных суспензий (амфифил: PC: Chol 5:5:3 масс.%) при хранении при комнатной температуре. Черными стрелками обозначены временные точки начала агрегации липосом на основе соединений 4а, 4b и 5b.

Скачать (194KB)
Метаданные
10. Рис. 2. Подборка АСМ-изображений молекул РНК (Type VI from Torula yeast), адсорбированных на поверхности слюды.

Скачать (561KB)
Метаданные
11. Рис. 3. а-б, г-д, ж-з – АСМ-изображения комплексов РНК с липосомами на основе 4а (а-б), 5а (г-д) и 5с (ж-з), нанесенных на поверхность слюды. в, е, и – Вертикальный профиль поверхности, проведенный вдоль линий на соответствующих АСМ-изображениях (б, д, з). Размеры изображений 500 × 500 нм2 (а-б, д, ж-з) и 300 × 300 нм2 (г).

Скачать (1MB)
Метаданные
12. Дополнительные материалы к статье Бухарина и др.
Скачать (776KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024