Development of polymeric nanosystems to transfect T lymphocytes

Abstract

Chimeric antigen receptor (CAR) T-cell therapy is a revolutionary approach to treat B cell malignancies, approved for the first time by FDA in 2017. In this therapy, T lymphocytes are genetically manipulated to express the CAR that redirects antigen specificity and overcomes tumor escape mechanisms. Currently, most production of these cells can be done through viral vectors, which come with safety concerns, high cost and production challenges, or by electroporation, which can be extremely cytotoxic. Therefore, nanosystems for gene delivery can overcome the challenges posed by current methods. However, T lymphocytes are suspension cells notoriously difficult to transfect, which constitutes a challenge for the application of these types of vectors. In this work, we developed different polymeric nanosystems based on the hypothesis that poly(β-amino ester) (PβAE), one of the most versatile candidates as a gene delivery platform due to its biodegradable capabilities, combined with other cationic polymers, poly(ethylene glycol)-block-poly(2-aminoethyl methacrylate) (PEG-b-PAMA); poly[(2-dimethylamino) ethyl methacrylate] (PDMAEMA); and branched polyethylenimine (bPEI), could result in a synergistic effect in the transfection capacity and cell viability. All the developed nanocarriers exhibited physicochemical properties suitable for the type of gene delivery application desired, such as high complexation of the genetic material, positive surface charge, and small sizes. The best formulation, prepared with the combination of PβAE and PDMAEMA at the 30/1 nitrogen/phosphate (N/P) molar ratio, promoted the formation of polyplexes that resulted in much higher transgene expression than gold standard-based polyplexes, bPEI, in Jurkat cells and even in primary human lymphocytes. Moreover, these polyplexes were also able to deliver different types of genetic material to T cells, demonstrating their versatility. Overall, this study reports different nanosystems with great potential for application in CAR T cell therapy, highlighting the combination of PDMAEMA and PβAE that resulted in a synergistic effect on transfection activity without causing toxicity, constituting a cost-effective platform for T-cell engineering.

A terapia com células T com recetor de antigénio quimérico (CAR) é uma abordagem revolucionária para tratar neoplasias das células B, aprovada pela primeira vez pela FDA em 2017. Nesta terapia, os linfócitos T são manipulados geneticamente para expressar o CAR que redireciona a especificidade antigénica e supera os mecanismos de fuga de tumores. Atualmente, a maioria da produção destas células pode ser feita através de vetores virais, que estão associados a preocupações de segurança, custos elevados e desafios de produção, ou eletroporação, que pode ser extremamente citotóxica. Desta forma, os nanossistemas para entrega de genes podem superar os desafios colocados pelos métodos atuais. No entanto, os linfócitos T são células em suspensão notoriamente difíceis de transfetar o que constitui um desafio para a implementação do uso deste tipo de vetores. Neste trabalho, desenvolvemos diferentes nanossistemas poliméricos baseados na hipótese que o poli(β-amino éster) (PβAE), um dos candidatos mais versáteis como plataforma de entrega de genes devido às suas capacidades biodegradáveis, combinado com outros polímeros catiónicos, polietilenoglicol-bloco-poli(2-aminoetil metacrilato) (PEG-b-PAMA); poli[(2-dimetilamino) metacrilato de etilo] (PDMAEMA); e polietilenimina ramificada (bPEI), poderia resultar num efeito sinergístico na capacidade de transfecção e viabilidade celular. Todos os nanossistemas desenvolvidos exibiram propriedades físico-químicas adequadas para o tipo de aplicação de entrega de genes pretendido, tais como alta complexação do material genético, carga superficial positiva, e pequenos tamanhos. A melhor formulação, preparada com a combinação de PβAE e PDMAEMA na proporção molar 30/1 nitrogénio/fosfato (N/P), promoveu a formação de poliplexos que resultaram numa expressão do transgene muito mais elevada do que os poliplexos baseados na formulação padrão para este tipo de nanossistemas, o bPEI, em células Jurkat e até em linfócitos humanos primários. Estes poliplexos também foram capazes de fornecer diferentes tipos de material genético às células T, demonstrando a sua versatilidade. Globalmente, este estudo reporta diferentes nanossistemas com grande potencial para aplicação na terapia celular CAR T, destacando a combinação de PDMAEMA e PβAE que resultou num efeito sinergístico da atividade de transfeção sem causar toxicidade, constituindo uma plataforma rentável para a engenharia de células T.