Polymer-basierte Transportsysteme

In jüngster Zeit hat sich siRNA-Konjugate als vielversprechende Therapeutika erwiesen. Trotz des hohen therapeutischen Potenzials von siRNA ist ihre Anwendung im klinischen Bereich immer noch begrenzt. Dies ist u.a. durch den Mangel an effizienten Transportsystemen begründet, die die siRNA an den vorgesehenen Wirkort bringen können (Jeong JH et al. 2007, Iorns EC et al. 2007, Guo P et al. 2010, Wang Y et al. 2010). Folgende Carriersysteme kamen in der Vergangenheit bei siRNA Transporten zum Einsatz:

Polymer- und Liposom-basierte Transportsysteme: Diese sind für den siRNA-Transport am besten untersucht und weiterentwickelt worden (Dana H et al. 2017). Als nicht-virale siRNA- und Plasmid-Vektoren wurden viele Polymere aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften und ihrer vielfältigen chemischen Eigenschaften sowie ihrer gut charakterisierten Strukturflexibilität untersucht. Diese ermöglichen eine einfache Modifikation zur Feinabstimmung ihrer physiochemischen Eigenschaften. 

Chitosan: Chitosan  ist ein Copolymer aus N-Acetyl-D-Glucosamin (GlcNAc) und D-Glucosamin (GlcN) und wirkt aufgrund der Anwesenheit des D-Glucosamin-Restes als schwache Base. Seit Jahrzehnten findet Chitosan in den verschiedensten Bereichen, insbesondere in der Pharmazie, große Anwendung. Die Vielseitigkeit von Chitosan ergibt sich aus seinem hohen natürlichen Vorkommen, seiner Nicht-Allergenität, seiner Biokompatibilität und seiner biologischen Abbaubarkeit. Zusätzlich zu diesen vorteilhaften Eigenschaften macht die kationische Eigenschaft Chitosan-Derivate zu einem potenten Vektor für Nukleinsäuren. Obwohl die Chitosan-vermittelte pDNA-Übertragung breit beforscht wird, hat ihre Anwendung bei der siRNA-Übertragung bisher keinen großen Stellenwert erlangt (Mao et al. 2010).

Cyclodextrin ist ein weiteres Polymer das ebenfalls als siRNA-Transportsystem eingesetzt wird (Felber AE et al. 2012). Cyclodextrine (CD) sind natürlich vorkommende zyklische Oligosaccharide, die aus 6 (α-CD), 7 (β-CD) oder 8 (γ-CD) D(+)-Glucoseeinheiten bestehen, die durch α-1,4-Verknüpfungen verbunden sind (Felber AE et al. 2012).  CD-haltige Polymere (CDP) werden aufgrund ihrer fehlenden Immunogenität geschätzt. Außerdem besitzt CD einzigartige geometrische und strukturelle Eigenschaften. Die hydrophile äußere Oberfläche und der hydrophobe innere Hohlraum ermöglichen es, unlösliche Moleküle zur Bildung von Einschlusskomplexen aufzunehmen. Unter Ausnutzung ihrer besonderen strukturellen Eigenschaften wurden CDP ebenfalls beim Transport von Nukleinsäure-Nutzlasten wie pDNA, siRNA und DNAzymen eingesetzt (Bartlett et al. 2007

LGA (Poly(dl-lactid-co-glycolid) ist ein Copolymer aus Glykolsäure (GA) und Milchsäure (LA), die durch Esterbindungen miteinander verbunden sind. PLGAs mit unterschiedlichen Zusammensetzungen von LA und GA wurden kommerziell entwickelt und werden für ein breites Spektrum von biomedizinischen Anwendungen untersucht. PLGA-basierte Nanopartikel (NPs) haben aufgrund ihrer geringen Partikelgröße, ihres vorteilhaften Sicherheitsprofils und ihrer verzögerten Freisetzungscharakteristika große Aufmerksamkeit als nichtvirale polymere Vektoren bei der Erforschung des Transports von Nukleinsäuren erregt. siRNA-beladene PLGA NPs haben sich als sehr vielversprechend beim in vitro   Gen-silencing erwiesen (Yuan et al. 2006). Im Allgemeinen werden 2 verschiedene Ansätze verwendet, um Nukleinsäuren in PLGA NPs zu laden:  Verkapselung in den Kern der NPs und Adsorption an die Oberfläche von modifizierten, kationischen PLGA NPs über elektrostatische Wechselwirkungen.

Polyethylenimine (PEI) oder Polyaziridine sind Polymere mit einer sich wiederholenden Einheit, die aus der Amingruppe und einem aliphatischen CH2-CH2-Anteil besteht. Lineare Polyethylenimine enthalten alle sekundären Amine, im Gegensatz zu verzweigten PEIs, die primäre, sekundäre und tertiäre Aminogruppen enthalten. Polyethylenimine sind gute Delivery-Systeme. Sie werden in industrieller Fertigung hergestellt.

Polypeptide: Aus mehreren Gründen u.a. aufgrund ihrer geringeren Zytotoxizität werden Polypeptide als Alternative zu den kationischen Polymeren für den siRNA-Transport angesehen: ihr Vorteil sind  pH-basierte Membranen, ihre effiziente Verpackung und  ihr effizienter Membrantransport. Ihre einfache Synthese und die Stabilität des Peptid-Oligonukleotid-Komplexes lassen die Polypeptide mit niedrigem Molekulargewicht als besonders geeignetes effizientes Transportvehikel für siRNA erscheinen  (Adami RC et al.1999, Choi SW et al. 2010). Allerdings ist ihre Kondensationsfähigkeit weniger ausgeprägt. Ebenso ist die Freisetzung der Nukleinsäure-Nutzlast am Zytosol ein Problem. Insofern werden in der Regel mehrere funktionelle und strukturelle Modifikationen durchgeführt.

Zellpenetrierende Peptide (CPPs): Zellpenetrierende, auch als Membrantranslokations-Peptide  oder Protein-Transduktions-Domänen (PTD) bezeichnet, wurden erstmals vor einigen Jahrzehnten entdeckt, als das HIV-1-Tat-Protein die Plasmamembran durchquerte und die Transkription des HIV-1-Genoms transaktivierte. CPPs sind die am meisten untersuchten Peptide für den siRNA-Transport. Die CPPs werden in drei Klassen eingeteilt: Synthetische CPPs, chimäre Peptide CPPs natürlich gewonnene Peptide. Versch. Arbeitsgruppen konjugierten die Cholesterineinheit und kationische zelldurchdringende Peptide Oligo-D-Arginin, um eine hydrophob modifizierte Proteintransduktionsdomäne, Cholesteryl-Oligo-D-Arginin (Chol-R9), zu entwickeln (Kim et al. 2006). Die effiziente Regression eines subkutanen Tumors in einem Mausmodell nach lokaler Verabreichung von komplexierter VEGF-targeting siRNA konnte auf die verbesserte zelluläre Aufnahme und Stabilität der Chol-R9/siRNA-Komplexe zurückgeführt werden, die durch die kationischen zelldurchdringenden Peptide bzw. den Cholesterinanteil induziert wurden.

Lipid-basierte Transportsysteme: Für die In-vivo-Applikation von siRNA sind verschiedene lipidbasierte Delivery-Systeme entwickelt worden. Zu den lipidbasierten Systemen gehören Liposomen, Mizellen, Emulsionen und feste Lipid-Nanopartikel (Zhang J et al.2013; Semple SC et al. 2010). Liposomen werden seit fast 30 Jahren als Transportvehikel für ein breites Spektrum von Therapeutika verwendet. In letzter Zeit auch für siRNA. Die Wechselwirkung der Lipide mit der Nukleinsäure führt entweder zur Bildung von beschichteten Vesikeln mit Nukleinsäure im Kern oder von Aggregaten. Die Kombination von zwei oder mehr Arten von Verabreichungsvehikeln kann zur Bildung komplexer Kombinationen führen, Hierzu gehören: Peptid-Polymere, Liposom-Peptid-Polymere u.a. (Lee SK et al. 2012).

Dendrimere: Dendrimere sind regelmäßige und stark verzweigte monodisperse und meist hochsymmetrische, kugelförmige synthetische Makromoleküle mit abstimmbarer Struktur, Molekülgröße und Oberflächenladung. Die einzigartigen strukturellen Eigenschaften wie hohe chemische und strukturelle Homogenität, hohe Liganden- und Funktionalitätsdichte ermöglichen es ihnen, Therapeutika durch innere Verkapselung, Oberflächenadsorption oder chemische Konjugation zu laden. Polykationische Dendrimere wie Poly(amidoamin)- (PAMAM) und Poly(propylenimin)- (PPI)-Dendrimere wurden ausgiebig als effiziente Vehikel für die Verabreichung von Genen und therapeutischen Wirkstoffen untersucht.  Es gibt jedoch nur wenige Berichte, die ihr Potenzial für die Verabreichung von siRNA beschreiben.

Nanogel: Nanogele sind nanoskalige, kolloidal stabile Hydrogelpartikel, die aus chemisch oder physikalisch vernetzten Polymernetzwerken bestehen. Hohe Wassergehalte, hohe Beladungskapazität, hohe Stabilität, Biokompatibilität und Schutz der beladenen Biomoleküle, einschließlich siRNA, machen Nanogele zu potentiellen Trägersystemen für die Verabreichung von therapeutischen Carriers im Vergleich zu Hydrogelen. Außerdem können Nanogele von Zellen internalisiert werden und siRNA in das Zytosol transferieren, wo siRNA-vermitteltes Gen-Silencing stattfindet. Daher sind Nanogele als siRNA-Transportmittel vielversprechend (Kabanov AV et al. 2009). 

Nanomaterial-vermittelte siRNA-Transportvektoren

• Nanomaterialien wie Gold-Nanopartikel, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Siliziumdioxid-Nanopartikel haben aufgrund ihrer Biokompatibilität und ihrer Fähigkeit, die Verabreichung von therapeutischen Cargos zu erleichtern, große Aufmerksamkeit bei ihren pharmazeutischen Anwendungen auf sich gezogen. So hat die Fusion von Nanomaterialien und Polymer das Potenzial und wurde für die Gen- und siRNA-Abgabe angewendet. Gold-Nanopartikel (AuNPs) haben sich als vielversprechender siRNA-Träger erwiesen. Sie sind einfach zu synthetisieren und bieten eine gut definierte Oberflächenchemie und eine gute Biokompatibilität besitzen. Die konventionelle Strategie nutzt die Immobilisierung von siRNA auf der AuNP-Oberfläche, um siRNA-AuNP-Konjugate zu entwickeln (Giljohann et al., 2009), die eine größere Halbwertszeit im Serum und eine verlängerte Fähigkeit zum Gen-Knockdown besitzen.
• Zu dieser Gruppe gehören auch die Mesoporösen Siliziumdioxid-Nanopartikel sowie die Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Die relativ neuen mesoporöse Siliziumdioxid-Nanopartikel (MSN) die für siRNA-Verabreichung geeignet sind, haben  aufgrund ihrer einzigartigen strukturellen und funktionellen Eigenschaften wie den chemisch stabilen mesoporösen Strukturen, großen Oberflächen, einstellbaren Porengrößen, Verkapselung von kleinen Molekülen und einer gut definierte Oberflächenchemie eine gute Chance sich als Verabreichungssysteme für siRNAs zu behaupten. So induziert ein PEI-funktionalisiertes MSN-basiertes Doxorubicin/siRNA-Codelivery-System die Apoptose von arzneimittelresistenten Krebszelllinien durch eine synergistische Methode.
• Kohlenstoff-Nanoröhrchen: Eine weitere neuere Entwicklung in der Nanopartikel-vermittelten siRNA-Verabreichung ist die Einbindung von Kohlenstoff-Nanoröhren in das polymere Komposit-System aufgrund der chemischen Inertheit, der einfachen Oberflächenfunktionalisierung und der einzigartigen Struktur der CNTs. Die inhärente Hydrophobie der ursprünglichen CNT macht eine Funktionalisierung der CNT erforderlich, um ihnen Wasserlöslichkeit und Biokompatibilität zu verleihen.