Chitosan gene delivery : from intracellular trafficking to gene expression

Abstract

O quitosano é um policatião de origem natural que tem vindo a ser investigado como sistema não viral de vectorização de genes devido à sua biocompatibilidade e baixa toxicidade. No entanto, a sua baixa eficiência de transfecção tem dificultado o seu uso generalizado. Num estudo anterior mostrámos que a conjugação de resíduos de imidazol a cadeias de quitosano resulta numa melhoria da eficiência de transfecção do polímero. O principal objectivo deste estudo foi avaliar a aplicação de quitosano modificado com imidazol (CHimi) como vector para entrega de genes em medicina regenerativa, bem como encontrar novas vias para melhorar a eficiência. A expressão genética mediada por CHimi com dois graus de substituição - 13% e 22% das aminas primárias do quitosano - foi avaliada em células 293T (células embrionárias humanas do epitélio do rim) por um período de 8 dias, usando o gene da β-Galactosidase (β-gal) como gene repórter. Os complexos de CHimi-DNA foram preparados numa razão molar de 18 entre aminas primárias e grupos fosfato. As células transfectadas com estes complexos apresentam um pico de actividade da β-gal às 72 horas pós-transfecção, verificando-se a expressão sustentada da proteína repórter durante todo o período de avaliação. Nestas condições a viabilidade celular não é comprometida. Quando se efectua um segundo tratamento das células com complexos à base de CHimi, a actividade de transfecção volta a aumentar, sem haver alterações na viabilidade celular. Verificou-se também que células transfectadas com estes vectores sobrevivem a um ciclo de congelação/descongelação, mantendo uma actividade de transfecção sustentada no tempo. Uma polietilenimina comercial (Escort V) foi usada como referência neste estudo. Apesar de os níveis de transfecção mediados por este vector serem duas ordens de grandeza mais elevados, a viabilidade celular decresce até aos 50% após cada tratamento. De forma a investigar o processo de transfecção mediado por polímeros de CHimi, o tráfego intracelular destes complexos foi estudado por microscopia confocal de varrimento laser. Complexos de CHimi e DNA marcados com fluoróforos foram encontrados no citoplasma celular 2 horas depois da transfecção, sendo detectados até 48 horas pós-transfecção. Estes resultados podem em parte explicar a expressão sustentada de β-gal ao longo do tempo. Os complexos foram detectados no interior do núcleo 4 horas pós-transfecção. O DNA marcado com fluorescência não foi observado na forma livre em nenhum dos momentos analisados, enquanto que CHimi foi detectado num evento único no citoplasma. Num ensaio “cell-free” de transcrição/tradução in vitro não foi detectada a síntese de proteína quando o DNA estava complexado com CHimi, apesar de este ser expresso na ausência do polímero. Este conjunto de resultados sugere que, apesar dos complexos poderem ser encontrados no interior do núcleo rapidamente após a transfecção, a expressão genética parece depender da desintegração do complexo. O CHimi é um potencial candidato a vector para transporte de genes num cenário de regeneração. Este material medeia uma expressão proteica sustentada sem afectar a viabilidade celular. Com este sistema, as células toleram uma segunda adição de complexos, pelo que a administração repetida poderá ser potencialmente usada como estratégia para prolongar o efeito terapêutico de uma proteína de interesse. Em relação aos resultados de tráfego intracelular dos complexos, e considerando o perfil de expressão genética obtido, pode pôr-se a hipótese de que a expressão sustentada do gene resulta de um processo de libertação dependente do tempo. Neste sentido, ajustar a velocidade de degradação dos polímeros de CHimi pode ser usado como estratégia para melhorar o processo de expressão do gene tendo em vista o fim terapêutico pretendido.

ABSTRACT: Chitosan is a polycation of natural origin, emerging in the non-viral gene delivery vectors scene due to its biocompability and low cytotoxicity. However, its low transfection efficiency has hampered its wide application so far. We have previously shown that grafting imidazole moieties into the chitosan backbone results in improved transfection efficiency of this polymer. The main goal of this study was to assess the application of imidazole-grafted chitosan (CHimi) as gene delivery vector in a regenerative medicine scenario and to find avenues to further improve its efficiency. Gene expression mediated by CHimi with two degrees of substitution - 13% and 22% of chitosan primary amines - was assessed in 293T cells for periods up to 8 days, using the β-Galactosidase (β-gal) gene as reporter gene. CHimi- DNA complexes were prepared at a primary amine to phosphate groups molar ratio of 18. Cells transfected with the CHimi-based complexes have a peak of β-gal activity 72 hours post-transfection and show a sustained β-gal production for 8 days. During this time period cell viability is not impaired. When a second treatment with CHimi-based complexes is performed, transfection activity increases, without changes on cell viability. Additionally, cells transfected with CHimi-based vectors are able to withstand a freeze/thawing cycle, maintaining a sustained transfection activity. A commercially available polyethylenimine (Escort V) was used as a reference. Though transfection levels are two orders of magnitude higher, cell viability decreases up to 50% after each treatment. In order to investigate the transfection process mediated by CHimi-based vectors a study of the intracellular pathway of the complexes has been performed by confocal laser scanning microscopy. Complexes formed by fluorescently labeled CHimi and DNA were found inside the cell cytoplasm 2 hours after transfection and were detected up to 48 hours post-transfection. These results could explain in part the sustained gene expression over time. Complexes were detected inside cell nucleus since 4 hours post-transfection. Fluorescently labeled DNA in the free form was not observed at any of the time points analyzed. Free CHimi was detected in the cytoplasm in an atypical event. In a cell-free in vitro transcription/translation assay no protein production was detected when DNA was complexed with CHimi, though expressed when using plasmid DNA in the absence of CHimi. Taken together these results suggest that, though CHimi-based complexes can be detected inside cell nucleus promptly after transfection, gene expression is dependent on the complex disassembling. CHimi is a potential candidate vector for gene delivery in a regenerative scenario. This material is able to mediate a sustained protein expression without impairing cell viability. In our system, cells can sustain another addition of the complexes suggesting that repeated administration could be used as a strategy to prolong the therapeutic effect. In view of the trafficking results and considering the gene expression profile, one can hypothesize that the observed sustained transgene expression is a time dependent release process. Thus, tuning the degradation rate of CHimi-based polymers could be a strategy to further improve the overall transgene expression process to fulfill the therapeutic end.