Polyethylenimin-Nanopartikel als inhalativ applizierbare nicht-virale Vektoren zum pulmonalselektiven somatischen Gentransfer
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem Projekt sollte ein inhalativ applizierbarer nanopartikulärer Vektor für den pulmonalen somatischen Gentransfer entwickelt werden, der über eine gute Transfektionseffizienz und Biokompatibilität verfügt und dadurch eine wiederholte Applikation erlaubt. Da in den ersten Versuchsreihen eine nicht unerhebliche Mortalität bei der (auch in der Literatur meist verwendeten) intratrachealen Instillation auftrat, wurde seinerzeit die alternative Methode der orotrachealen Aspiration ausgetestet. Beim Vergleich beider Methoden zeigte sich das Phänomen, dass nach intratrachealer Instillation die Transfektionsrate nach PEI Verpackung höher lag als mit unverpackter DNA, jedoch deutlich niedriger als die Applikation unverpackter DNA mittels Aspirationstechnik. Trotz erheblicher Anstrengungen (Verwendung exakt gleicher Narkoseprotokolle und Plastikwaren sowie unterschiedlicher Plasmide; histologische Analyse von Inflammationsintensität und -verteilung) konnte eine Erklärung hiefür nicht gefunden werden. Daher wurde der Ansatz der orotrachealen Aspiration für einen proof of principle-Versuch verwendet, wo im Mausmodell der hypoxieinduzierten pulmonalen Hypertonie ein Expressionsvektor zum Einsatz kam, der für die COX2-Synthase kodiert. Es zeigte sich dabei ein signifikant geringerer pulmonalarterieller Druck der transfizierten Tiere sowie eine geringere (Teil)-Muskularisierung intrapulmonaler Widerstandsgefäße. Zudem wurden Versuche mit modifizierten PEI-Komplexen hinsichtilich ihrer Transfektionseffizienz sowie zum spezifischen Targeting durch Rezeptor-vermittelte Aufnahme von PEI durchgeführt. Die vom HI Virus stammende TAT-Sequenz wurde mittels PEG-Kopplung an PEI gebunden, um eine verbesserte zellulären Aufnahme zu erreichen. Eine erhöhte Transfektionseffizienz konnte jedoch in vivo nicht gezeigt werden. Zum Folatrezeptor-Targeting wurden Bronchial- und Alveolarepithelien als rezeptortragende Zellen identifiziert, wobei die Dichte der Rezeptoren in der Mauslunge sehr gering ist. Zum in vivo Nachweis einer rezeptorvermittelten Aufnahme werden derzeit Nanopartikel mit Rhodamin markiertem Folat gekoppelt. Nanokomposite konnten des Weiteren aus einem bioabbaubaren Kern und verschiedenen Coating-Materialien durch hydrophobe, hydrophile und elektrostatische Wechselwirkungen für die Aerosol-Gentherapie hergestellt werden. Es zeigte sich, dass Nanokomposite mit einer Schicht Lungensurfactant besser aufgenommen wurden und eine 30-fach höhere Transfektionseffizienz im Vergleich zu PEI 25 in A549- Zellen aufwiesen. Die pDNA wurde während der Verneblung nicht zerstört und die Transfektionseffizienz blieb nach Verneblung erhalten. In einer weiteren Studie wurden verbesserte niedermolekulare PEI-Derivate mit amphiphilen Resten untersucht. PEIs mit einem Molekulargewicht von 4,7 und 8,3 kDa wurden zwei lipophile Reste mit einem PEG- Anteil angehängt, diese waren eine Mischung aus C16- und C18-Ketten mit PEG (Cx-EO), bzw. Butyl-Polypropylenoxid-PEG-Ketten (ButPP). Nach Instillation in Mauslungen konnte mit einem der Cx-EO-Polymere eine hohe Transfektionseffizienz erzielt werden, während hingegen die Transfektionseffizienz der niedermolekularen PEIs auf dem Niveau freier DNA lag. Die beiden letztgenannten Ansätze bilden somit vielversprechende Vektoren für den nicht-viralen Gentransfer.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Effects of cell-penetrating peptides and pegylation on transfection efficiency of polyethylenimine in mouse lungs. J Gene Med 2008; 10(11):1236-46
Nguyen J, Xie X, Neu M, Dumitrascu R, Reul R, Sitterberg J, Bakowsky U, Schermuly R, Fink L, Schmehl T, Gessler T, Seeger W, Kissel T
- Nanocomposites of lung surfactant and biodegradable cationic nanoparticles improve transfection efficiency to lung cells. J Control Release 2009; 140(1):47-54
Nguyen J, Reul R, Betz T, Dayyoub E, Schmehl T, Gessler T, Bakowsky U, Seeger W, Kissel T
