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[文章]

Co-delivery of mRNA and SPIONs through amino-ester nanomaterials

RNA专题研究前沿

中文题目:通过氨基酯纳米材料共同递送mRNASPIONs

期刊名:Nano Research 发表时间2019.10     IF8.515

作者单位:加斯顿大学圣路易斯大学圣路易斯分校           

样品来源:

文章类型:研究

Abstract

Nanoparticles have been widely explored for combined therapeutic and diagnostic applications. For example, lipid-based nanoparticles have been used to encapsulate multiple types of agents and achieve multi-functions. Herein, we enabled a co-delivery of mRNA molecules and superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) by using an amino-ester lipid-like nanomaterial. An orthogonal experimental design was used to identify the optimal formulation. The optimal formulation, MPA-Ab-8 LLNs, not only showed high encapsulation of both mRNA and SPIONs, but also increased the r2 relaxivity of SPIONs by more than 1.5-fold in vitro. MPA-Ab-8 LLNs effectively delivered mRNA and SPIONs into cells, and consequently induced high protein expression as well as strong MRI contrast. Consistent herewith, we observed both mRNA-mediated protein expression and an evident negative contrast enhancement of MRI signal in mice. In conclusion, amino-ester nanomaterials demonstrate great potential as delivery vehicles for theranostic applications.

中文摘要

纳米颗粒已被广泛探索用于组合治疗和诊断应用。例如,基于脂质的纳米颗粒已被用于包封多种类型的试剂并实现多种功能。在这里,我们通过使用氨基酯类脂质纳米材料实现了mRNA分子和超顺磁性氧化铁纳米粒子(SPIONs)的共同传递。正交实验设计用于确定最佳配方。最佳配方MPA-Ab-8 LLNs不仅显示出对mRNASPION的高度包封,而且还使SPIONr2松弛度在体外增加了1.5倍以上。 MPA-Ab-8 LLN有效地将mRNASPIONs传递到细胞中,并因此诱导了高蛋白表达以及强MRI对比。与此一致,我们在小鼠中观察到了mRNA介导的蛋白表达和MRI信号的明显的负对比增强。总而言之,氨基酯纳米材料显示出巨大的潜力,可作为治疗学应用的载体。

研究背景:

近年来,已经进行了许多努力来探索有效的化学组成和配制方法以建立用于mRNA递送的有效平台。这些输送系统中的许多系统证明了用于表达功能蛋白(例如促红细胞生成素,因子IXCas9)的基于mRNA的治疗剂的概念。脂质和类脂质纳米颗粒(LNPLLN)是有效递送RNA的代表性递送系统。以前,我们开发了一系列用于mRNA传递的类脂质纳米材料,并通过利用正交实验设计来微调配方成分的摩尔比,从而提高了其传递效率。在这些纳米材料中,氨基酯纳米材料允许在小鼠模型中有效递送Cas9 mRNA和基因编辑。同时,由于这些氨基酯纳米材料装饰有不同的酯基,因此它们还具有可调节的生物降解性。由于这些有利的性质,氨基酯纳米材料值得进一步发展用于治疗和诊断应用。

超顺磁性氧化铁纳米粒子(SPION)是超顺磁性造影剂,可在T2加权图像中产生负的对比度增强。具有高横向松弛度(r2)的SPION与体内实时成像兼容。施用后,SPIONs能够缩短周围水质子的T2弛豫时间并产生暗信号(负对比度)。在不同类型的磁共振成像(MRI)造影剂中,SPION具有生物相容性和可生物降解性。但是,SPIONs的细胞膜通透性有限。为了解决这个问题,脂质纳米颗粒已被用来使SPIONs进入细胞。基于以前的发现,我们假设氨基酯纳米材料可能能够同时递送mRNASPIONs。因此,在这项研究中,我们研究了使用氨基酯纳米材料共同递送mRNASPIONs的配方。这些纳米颗粒具有双重功能,有可能潜在地实现对患病部位的实时和非侵入性可视化,并在将来产生用于治疗应用的有效蛋白质。

研究结果:

根据我们先前的研究,MPA-AbESM中的图S1)是可生物降解的氨基酯LLN的代表实例,可有效递送mRNA。为了在MPA-Ab LLN中整合多种功能,我们封装了SPIONmRNA。配比列于ESM的表S1中。我们评估了Hep3B细胞中的这些制剂,并将它们与TT3 LLN(一种以前报道的材料(ESM中的图S1))作阳性对照进行比较。通过流式细胞仪分析,我们发现MPA-Ab LLNs在相同SPIONs量(051020μg)下比TT3 LLNs显示出更高的eGFP mRNA递送效率(图1)。


此外,与无SPIONsMPA-Ab LLNs相比,MPA-Ab-S1制剂(在MPA-Ab LLN中添加5μgSPIONs)略微提高了mRNA的递送效率。为了确定mRNASPION共包裹的MPA-Ab LLN的最佳配方,我们进行了正交实验。我们为每种配方成分(MPA-AbDOPECholDMG-PEG2000SPIONs)分配了四个级别,然后研究了它们对mRNA传递效率的影响(ESM中的表S2)。如图2a)所示,在所有制剂中,MPA-Ab-8 LLNseGFP mRNA递送效率最高,并且比原始制剂MPA-Ab LLNs高约2.5倍。图2b),2d)和2e)表明,配方组分MPA-AbCholDMG-PEG2000分别以25450.75的摩尔比达到了最高的输送效率。摩尔比为60DOPE达到了平稳期(图2c)),并且5μgSPIONs最适合mRNA递送(图2f))。因此,根据趋势分析确定的最佳制剂的MPA-Ab / DOPE / Chol / PEG摩尔比为25/60/45 / 0.75mRNA / SPIONs重量比为1 / 2.5,即MPA -正交表中的-Ab-8。我们还在正交表中表征了制剂的物理化学性质,包括粒径,ζ电势和mRNA包封效率。分析了绿色荧光强度与这三个参数的相关性(ESM中的图S2)。结果表明,粒径和ζ电位均与绿色荧光强度呈显着正相关。在绿色荧光强度和mRNA包封效率之间没有相关性。


研究了封装在MPA-Ab-8 LLN中的SPION的特征。我们首先分别测量了自由SPIONMPA-Ab-8 LLN的大小分布。游离SPIONMPA-Ab-8 LLN的平均粒径分别约为370 nm(图3a)和3b))。对于MPA-Ab-8 LLN,未检测到SPION的典型尺寸分布模式,这表明SPION被很好地封装在MPA-Ab-8 LLN中。此外,MPA-Ab-8 LLNs4°C储存时至少可稳定一周(ESM中的图3c)和图S3)。通过cryoTEM进一步测定MPA-Ab-8 LLN的粒径和形态。如图3d)所示,颗粒具有接近球形的形状,并且其尺寸与动态光散射(DLS)测量结果一致。


然后,我们研究了MPA-Ab-8 LLN在体外MR成像中的可用性。首先,我们进行了幻像MRI分析,以研究LLNSPION的横向相对性(r2)的影响。使用免费的SPIONs制备具有五种不同Fe3O4浓度的标准液。将制剂MPA-Ab-8稀释至与标准品相同的Fe3O4浓度。使用9.4T MRI系统确定这些样品的T2弛豫时间。横向相对性使用以下公式计算:r2 [Fe3O4] = 1 / T2x – 1 / T0T2xT0是标准品和PBS或样品和无SPIONsT2弛豫时间)。如图所示。在图4a)和图4b)中,游离SPIONr2被确定为4.238 mM-1·s-1,而MPA-Ab-8 LLNr2被确定为6.502 mM-1·s-1。封装后,横向相关性增加了约1.5倍,表明MPA-Ab-8 LLN增强了SPIONs的对比潜力。随后,我们进行了细胞颗粒MRI研究。 Hep3B细胞用两种浓度的PBSMPA-Ab-8 LLN(无SPIONs)和MPA-Ab-8 LLNs处理(最终[Fe3O4] = 0.003 mM0.015 mM)。使用相同系统获取T2加权图像(图4c))。 PBS处理组在T2加权图像上显得很亮,而氧化铁的增加与负信号显着增强有关。接下来,我们进行了T2映射以进行量化(图4d))。与对照MPA-Ab-8(无SPIONs)处理的细胞团块相比,用0.0030.015 mM当量的氧化铁处理的细胞团块显示出90%和44%的相对T2弛豫时间。体外研究结果表明,MPA-Ab-8 LLN能够同时递送mRNA分子和MRI造影剂SPION


鉴于有希望的体外结果,我们接下来研究了MPA-Ab-8 LLN在体内应用的潜力。为了研究MPA-Ab-8 LLNs在体内的mRNA输送效率,将FLuc mRNA封装的MPA-Ab-8 LLNs0.5 mg / kgmRNA剂量静脉内施用于小鼠。如图5a)所示,经MPA-Ab-8 FLuc LLN处理的小鼠在肝脏和脾脏均显示强发光信号,而在未经处理的对照小鼠中未检测到信号。接下来,我们调查了MPA-Ab-8 LLNs是否能够在体内诱导阴性对比增强。在该实验中,以1.6mg / kgFe 3 O 4剂量通过尾静脉将制剂MPA-Ab-8静脉内注射到小鼠中。与未治疗的疾病相比,给药后脾脏的T2信号强度显着降低(图5b)),使信号降低了49%(ESM中的图S4)。基于以上结果,制剂MPA-Ab-8证明其在体内的双重功能:递送mRNA并实现无创MR成像。


文章亮点:

总之,我们优化了基于氨基酯脂质的纳米颗粒,用于同时递送mRNASPIONs。与TT3 LLN相比,MPA-Ab LLNHep3B细胞中显示出显着更高的mRNA传递效率。使用正交实验,确定了最佳配方MPA-Ab-8,与原始配方相比,mRNA输送效率提高了约2.5倍。MPA-Ab-8 LLN在体内传递功能性mRNA和产生MRI对比信号方面显示出巨大潜力。总体而言,双功能纳米颗粒为将来的治疗学应用提供了有用的工具。

Hello ATCG 2019-11-27 17:26:00

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