stringtranslate.com

Магнитофекция

Магнитофекция — это метод трансфекции , который использует магнитные поля для концентрации частиц, содержащих векторы, для нацеливания на клетки в организме. [1] Магнитофекция была адаптирована к различным векторам, включая нуклеиновые кислоты , невирусные системы трансфекции и вирусы . Этот метод предлагает такие преимущества, как высокая эффективность трансфекции и биосовместимость , которые сбалансированы ограничениями.

Механизм

Принцип

Термин «магнитофекция», в настоящее время зарегистрированный как торговая марка компании OZ Biosciences, объединяет слова «магнитный» и «трансфекция». [2] Магнитофекция использует нуклеиновые кислоты, связанные с магнитными наночастицами . Затем эти молекулярные комплексы концентрируются и транспортируются в клетки с помощью приложенного магнитного поля .

Синтез

Магнитные наночастицы обычно изготавливаются из оксида железа , который полностью биоразлагаем, с использованием таких методов, как соосаждение или микроэмульсия . [3] [4]

Затем наночастицы объединяются с генными векторами ( ДНК , siRNA , ODN , вирус и т. д.). Один из методов включает связывание вирусных частиц с магнитными частицами с использованием взаимодействия авидина и биотина . [5] Вирусы также могут связываться с наночастицами посредством гидрофобного взаимодействия . [6]

Другой метод синтеза включает покрытие магнитных наночастиц катионными липидами или полимерами посредством агрегации, индуцированной солью. Например, наночастицы могут быть конъюгированы с полиэтиленимином (ПЭИ) , положительно заряженным полимером, обычно используемым в качестве агента трансфекции. [7] Раствор ПЭИ должен иметь высокий pH во время синтеза, чтобы способствовать высокой экспрессии генов. [8] Положительно заряженные наночастицы затем могут ассоциироваться с отрицательно заряженными нуклеиновыми кислотами посредством электростатического взаимодействия. [9]

Процесс магнитофекции. Магнит концентрирует наночастицы с генными векторами в клетках для трансфекции.

Клеточное поглощение

Магнитные частицы, загруженные векторами, концентрируются на целевых клетках под воздействием внешнего магнитного поля. Затем клетки естественным образом захватывают генетический материал посредством эндоцитоза и пиноцитоза . Следовательно, архитектура и структура мембраны остаются нетронутыми, в отличие от других физических методов трансфекции, таких как электропорация или генные пушки , которые повреждают клеточную мембрану. [10]

Затем нуклеиновые кислоты высвобождаются в цитоплазму с помощью различных механизмов в зависимости от используемой формулы:

  1. эффект протонной губки, вызванный катионными полимерами, нанесенными на наночастицы, которые способствуют осмотическому набуханию эндосом , разрушению мембраны эндосом и внутриклеточному высвобождению формы ДНК,
  2. дестабилизация эндосомы катионными липидами, нанесенными на частицы, которые высвобождают нуклеиновую кислоту в клетки путем переключения отрицательных липидов клетки и нейтрализации заряда и
  3. Механизм вирусной инфекции.

Магнитофекция работает с клетками, которые не делятся или делятся медленно, что означает, что генетический материал может попасть в ядро ​​клетки без деления клетки . [11]

Приложения

Магнитофекция была протестирована на широком спектре клеточных линий , трудно трансфицируемых и первичных клетках. [12] Несколько оптимизированных и эффективных формул магнитных наночастиц были специально разработаны для нескольких типов приложений, таких как ДНК, siRNA и первичная нейронная трансфекция, а также вирусные приложения. [13]

Исследования магнитофекции в настоящее время находятся на доклинической стадии. Этот метод в первую очередь был протестирован in vivo с использованием плазмидной ДНК на моделях мышей, крыс и кроликов для применения в гиппокампе, подкожных опухолях, легких, спинном мозге и мышцах. [14]

Нейральные стволовые клетки, растущие в культуре.

Некоторые приложения включают в себя:

Преимущества

Магнитофекция пытается объединить преимущества биохимических (катионные липиды или полимеры) и физических ( электропорация , генная пушка ) методов трансфекции. Она позволяет осуществлять локальную доставку с высокой эффективностью трансфекции, более быстрым временем инкубации и биосовместимостью. [19]

Эффективность трансфекции

Связывание магнитных наночастиц с генными векторами приводит к сотнекратному увеличению поглощения этих векторов в течение нескольких минут, что приводит к высокой эффективности трансфекции. [20] Комплексы генного вектора и магнитных наночастиц трансфицируются в клетки через 10–15 минут, что быстрее, чем 2–4 часа, которые требуются для других методов трансфекции. [21] Через 24, 48 или 72 часа большинство частиц локализуются в цитоплазме , в вакуолях (мембранах, окружающих структуру внутри клеток) и иногда в ядре клетки . [22]

Биосовместимость

Магнитные наночастицы не собираются вместе легко после удаления магнита, и поэтому вряд ли будут блокировать капилляры или вызывать тромбоз . [23] Кроме того, оксид железа является биоразлагаемым, и железо может быть повторно использовано в гемоглобине или путях метаболизма железа. [24] [25]

Недостатки

Изменчивость частиц

Магнитный синтез наночастиц иногда может приводить к широкому диапазону частиц разного размера. [26] Размер частиц может влиять на их полезность. В частности, наночастицы размером менее 10 нм или более 200 нм, как правило, быстрее выводятся из организма. [27]

Локализация in vivo

Хотя магниты могут использоваться для локализации магнитных наночастиц в нужных клетках, этот механизм может быть трудно поддерживать на практике. Наночастицы могут быть сконцентрированы в 2D-пространстве, например, на культуральной пластине или на поверхности тела, но локализовать их в 3D-пространстве тела может быть сложнее. Магнитофекция не очень хорошо работает для органов или кровеносных сосудов, находящихся далеко от поверхности тела, поскольку магнитное поле ослабевает по мере увеличения расстояния. [28] [29] Кроме того, пользователь должен учитывать частоту и время применения магнитного поля, поскольку частицы не обязательно останутся в нужном месте после удаления магнита. [30]

Цитотоксичность

В то время как оксид железа, используемый для создания наночастиц, является биоразлагаемым, токсичность магнитных наночастиц все еще изучается. Некоторые исследования не обнаружили никаких признаков повреждения клеток, в то время как другие утверждают, что небольшие (< 2 нм) наночастицы могут диффундировать через клеточные мембраны и разрушать органеллы. [31] [32]

Кроме того, очень высокие концентрации оксида железа могут нарушить гомеостаз и привести к перегрузке железом , что может повредить или изменить ДНК, повлиять на клеточные реакции и убить клетки. [33] Лизоцимы также могут переваривать наночастицы и высвобождать свободное железо, которое может реагировать с перекисью водорода с образованием свободных радикалов, что приводит к цитотоксическим, мутагенным и канцерогенным эффектам. [34]

Ссылки

  1. ^ Plank C, Zelphati O, Mykhaylyk O (ноябрь 2011 г.). «Магнитно-усиленная доставка нуклеиновых кислот. Десять лет магнитофекции — прогресс и перспективы». Advanced Drug Delivery Reviews . 63 (14–15): 1300–1331. doi :10.1016/j.addr.2011.08.002. PMC  7103316. PMID  21893135 .
  2. ^ "MAGNETOFECTION Торговая марка OZ BIOSCIENCES - Регистрационный номер 5116540 - Серийный номер 79182650 :: Торговые марки Justia". brands.justia.com . Получено 19.11.2021 .
  3. ^ Arbab AS, Bashaw LA, Miller BR, Jordan EK, Lewis BK, Kalish H, Frank JA (декабрь 2003 г.). «Характеристика биофизических и метаболических свойств клеток, маркированных суперпарамагнитными наночастицами оксида железа и трансфекционным агентом для клеточной МРТ-визуализации». Radiology . 229 (3): 838–846. doi :10.1148/radiol.2293021215. PMID  14657318.
  4. ^ Маджиди С, Шехриг ФЗ, Фархани СМ, ​​Голуджех М.С., Акбарзадех А. (2016-02-17). «Современные методы синтеза магнитных наночастиц». Искусственные клетки, наномедицина и биотехнология . 44 (2): 722–734. doi :10.3109/21691401.2014.982802. PMID  25435409. S2CID  31332211.
  5. ^ Mah C, Fraites TJ, Zolotukhin I, Song S, Flotte TR, Dobson J, et al. (Июль 2002). «Улучшенный метод доставки рекомбинантного AAV2 для системной целевой генной терапии». Молекулярная терапия . 6 (1): 106–112. doi : 10.1006/mthe.2001.0636 . PMID  12095310.
  6. ^ Agopian K, Wei BL, Garcia JV, Gabuzda D (март 2006 г.). «Гидрофобная связывающая поверхность на ядре Nef вируса иммунодефицита человека типа 1 имеет решающее значение для ассоциации с p21-активируемой киназой 2». Journal of Virology . 80 (6): 3050–3061. doi :10.1128/jvi.80.6.3050-3061.2006. PMC 1395437 . PMID  16501114. 
  7. ^ Cui Y, Li X, Zeljic K, Shan S, Qiu Z, Wang Z (октябрь 2019 г.). «Влияние наночастиц PEGylated Magnetic PLGA-PEI на первичные нейроны гиппокампа: снижение нанонейротоксичности и повышение эффективности трансфекции с помощью магнитофекции». ACS Applied Materials & Interfaces . 11 (41): 38190–38204. doi :10.1021/acsami.9b15014. PMID  31550131. S2CID  202762218.
  8. ^ Просен, Лара; Приич, Сара; Мьюзик, Бранка; Лавренчак, Яка; Чемазар, Майя; Серса, Грегор (2013-06-03). "Магнетофекция: воспроизводимый метод доставки генов в клетки меланомы". BioMed Research International . 2013 : e209452. doi : 10.1155/2013/209452 . ISSN  2314-6133. PMC 3686069. PMID 23862136  . 
  9. ^ Scherer F, Anton M, Schillinger U, Henke J, Bergemann C, Krüger A и др. (январь 2002 г.). «Магнетофекция: усиление и нацеливание доставки генов с помощью магнитной силы in vitro и in vivo». Gene Therapy . 9 (2): 102–109. doi :10.1038/sj.gt.3301624. PMID  11857068. S2CID  1565485.
  10. ^ Фус-Куява, Агнешка; Прус, Павел; Байдак-Русинек, Каролина; Тепер, Полина; Гаврон, Катажина; Ковальчук, Агнешка; Сиерон, Александр Л. (20 июля 2021 г.). «Обзор методов и инструментов трансфекции эукариотических клеток in vitro». Границы биоинженерии и биотехнологии . 9 : 701031. doi : 10.3389/fbioe.2021.701031 . ISSN  2296-4185. ПМЦ 8330802 . ПМИД  34354988. 
  11. ^ Fajrial, Apresio K.; He, Qing Qing; Wirusanti, Nurul I.; Slansky, Jill E.; Ding, Xiaoyun (2020). «Обзор новых методов физической трансфекции для редактирования генов с помощью CRISPR/Cas9». Theranostics . 10 (12): 5532–5549. doi :10.7150/thno.43465. ISSN  1838-7640. PMC 7196308 . PMID  32373229. 
  12. ^ Plank C, Anton M, Rudolph C, Rosenecker J, Krötz F (август 2003 г.). «Улучшение и нацеливание доставки нуклеиновых кислот с помощью магнитной силы». Мнение эксперта по биологической терапии . 3 (5): 745–758. doi :10.1517/14712598.3.5.745. PMID  12880375. S2CID  865185.
  13. ^ Планк, Кристиан; Зелфати, Оливье; Михайлик, Ольга (2011-11-01). «Магнитно-усиленная доставка нуклеиновых кислот. Десять лет магнитофекции — прогресс и перспективы». Advanced Drug Delivery Reviews . Гибридные наноструктуры для диагностики и терапии. 63 (14): 1300–1331. doi :10.1016/j.addr.2011.08.002. ISSN  0169-409X. PMC 7103316. PMID 21893135  . 
  14. ^ Сизиков АА, Харламова МВ, Никитин МП, Никитин ПИ, Колычев ЕЛ (апрель 2021 г.). «Невирусные локально инъецируемые магнитные векторы для доставки генов in vivo: обзор исследований по магнитофекции». Наноматериалы . 11 (5): 1078. doi : 10.3390/nano11051078 . PMC 8143545. PMID  33922066 . 
  15. ^ Пикард, Марк Р.; Адамс, Кристофер Ф.; Барро, Перрин; Чари, Дивья М. (2015). «Использование магнитных наночастиц для переноса генов в нейральные стволовые клетки: метод размножения стволовых клеток влияет на результаты». Журнал функциональных биоматериалов . 6 (2): 259–276. doi : 10.3390/jfb6020259 . PMC 4493511. PMID  25918990 . 
  16. ^ Krötz, Florian; Wit, Cor de; Sohn, Hae-Young; Zahler, Stefan; Gloe, Torsten; Pohl, Ulrich; Plank, Christian (2003-05-01). «Магнетофекция — высокоэффективный инструмент для доставки антисмысловых олигонуклеотидов in vitro и in vivo». Molecular Therapy . 7 (5): 700–710. doi : 10.1016/S1525-0016(03)00065-0 . ISSN  1525-0016. PMID  12718913.
  17. ^ Шиллингер, Ульрике (2005). «Достижения в области магнитофекции — магнитно-управляемая доставка нуклеиновых кислот». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 293 (1): 501–508. Bibcode : 2005JMMM..293..501S. doi : 10.1016/j.jmmm.2005.01.032. S2CID  122076397 – через Elsivier.
  18. ^ Шерер, Ф.; Антон, М.; Шиллингер, У.; Хенке, Дж.; Бергеманн, К.; Крюгер, А.; Генсбахер, Б.; Планк, К. (2002). «Магнетофекция: усиление и нацеливание доставки генов с помощью магнитной силы in vitro и in vivo». Генная терапия . 9 (2): 102–109. doi :10.1038/sj.gt.3301624. ISSN  1476-5462. PMID  11857068. S2CID  1565485.
  19. ^ Планк, Кристиан; Зелфати, Оливье; Михайлик, Ольга (2011). «Магнитно-усиленная доставка нуклеиновых кислот. Десять лет магнитофекции — прогресс и перспективы». Advanced Drug Delivery Reviews . 63 (14): 1300–1331. doi :10.1016/j.addr.2011.08.002. ISSN  0169-409X. PMC 7103316. PMID 21893135  . 
  20. ^ Шерер, Ф.; Антон, М.; Шиллингер, У.; Хенке, Дж.; Бергеманн, К.; Крюгер, А.; Генсбахер, Б.; Планк, К. (2002). «Магнетофекция: усиление и нацеливание доставки генов с помощью магнитной силы in vitro и in vivo». Генная терапия . 9 (2): 102–109. doi :10.1038/sj.gt.3301624. ISSN  1476-5462. PMID  11857068. S2CID  1565485.
  21. ^ Шерер, Ф.; Антон, М.; Шиллингер, У.; Хенке, Дж.; Бергеманн, К.; Крюгер, А.; Генсбахер, Б.; Планк, К. (2002). «Магнетофекция: усиление и нацеливание доставки генов с помощью магнитной силы in vitro и in vivo». Генная терапия . 9 (2): 102–109. doi :10.1038/sj.gt.3301624. ISSN  1476-5462. PMID  11857068. S2CID  1565485.
  22. ^ Santori MI, Gonzalez C, Serrano L, Isalan M (2006-06-27). «Локализованная трансфекция с помощью магнитных шариков, покрытых продуктами ПЦР и другими нуклеиновыми кислотами». Nature Protocols . 1 (2): 526–531. doi :10.1038/nprot.2006.74. PMID  17406278. S2CID  23641355.
  23. ^ Wahajuddin; Arora, Sumit (2012). «Суперпарамагнитные наночастицы оксида железа: магнитные наноплатформы как носители лекарств». Международный журнал наномедицины . 7 : 3445–3471. doi : 10.2147/IJN.S30320 . ISSN  1176-9114. PMC 3405876. PMID 22848170  . 
  24. ^ Кастильо, Бецайда; Бромберг, Лев; Лопес, Хаира; Бадилло, Валери; Гонсалес Фелисиано, Хосе А.; Гонсалес, Карлос И.; Хаттон, Т. Алан; Барлетта, Габриэль (30 августа 2012 г.). «Внутриклеточная доставка миРНК поликатионными суперпарамагнитными наночастицами». Журнал доставки лекарств . 2012 : e218940. дои : 10.1155/2012/218940 . ISSN  2090-3014. ПМЦ 3437298 . ПМИД  22970377. 
  25. ^ Wahajuddin; Arora, Sumit (2012). «Суперпарамагнитные наночастицы оксида железа: магнитные наноплатформы как носители лекарств». Международный журнал наномедицины . 7 : 3445–3471. doi : 10.2147/IJN.S30320 . ISSN  1176-9114. PMC 3405876. PMID 22848170  . 
  26. ^ Просен, Лара; Приич, Сара; Мьюзик, Бранка; Лавренчак, Яка; Чемазар, Майя; Серса, Грегор (2013-06-03). "Магнетофекция: воспроизводимый метод доставки генов в клетки меланомы". BioMed Research International . 2013 : e209452. doi : 10.1155/2013/209452 . ISSN  2314-6133. PMC 3686069. PMID 23862136  . 
  27. ^ Йетисгин, Абузер Альп; Цетинель, Сибель; Зувин, Мерве; Косар, Али; Кутлу, Озлем (2020). «Терапевтические наночастицы и их применение для направленной доставки». Molecules . 25 (9): 2193. doi : 10.3390/molecules25092193 . PMC 7248934 . PMID  32397080. 
  28. ^ Wahajuddin; Arora, Sumit (2012). «Суперпарамагнитные наночастицы оксида железа: магнитные наноплатформы как носители лекарств». Международный журнал наномедицины . 7 : 3445–3471. doi : 10.2147/IJN.S30320 . ISSN  1176-9114. PMC 3405876. PMID 22848170  . 
  29. ^ Махмуди, Мортеза; Сант, Шилпа; Ванг, Бен; Лоран, Софи; Сен, Тапас (2011-01-01). «Суперпарамагнитные наночастицы оксида железа (SPION): разработка, модификация поверхности и применение в химиотерапии». Advanced Drug Delivery Reviews . Коллекция редакторов 2011 г. 63 (1): 24–46. doi :10.1016/j.addr.2010.05.006. ISSN  0169-409X. PMID  20685224.
  30. ^ Шнайдер-Футчик, Елена К.; Рейес-Ортега, Фелиса (2021). «Преимущества и недостатки использования магнитных наночастиц для лечения сложных глазных заболеваний». Фармацевтика . 13 (8): 1157. doi : 10.3390/pharmaceutics13081157 . PMC 8400382. PMID  34452117 . 
  31. ^ Вэй, Хао; Ху (2021). «Суперпарамагнитные наночастицы оксида железа: магнитные наноплатформы как носители лекарств». Международный журнал наномедицины . 7 : 3445–3471. doi : 10.2147/IJN.S30320 . ISSN  1178-2013. PMC 3405876. PMID 22848170  . 
  32. ^ Wahajuddin; Arora, Sumit (2012-07-06). «Суперпарамагнитные наночастицы оксида железа: магнитные наноплатформы как носители лекарств». Международный журнал наномедицины . 7 : 3445–3471. doi : 10.2147/IJN.S30320 . PMC 3405876. PMID  22848170 . 
  33. ^ Вальдиглесиас, Ванесса; Килич, Гёзде; Коста, Карла; Фернандес-Бертолес, Наталья; Пасаро, Эдуардо; Тейшейра, Жоау Паулу; Лаффон, Бланка (2015). «Влияние наночастиц оксида железа: цитотоксичность, генотоксичность, токсичность для развития и нейротоксичность». Экологический и молекулярный мутагенез . 56 (2): 125–148. Бибкод : 2015EnvMM..56..125В. дои : 10.1002/em.21909. ISSN  1098-2280. PMID  25209650. S2CID  46117152.
  34. ^ Тоёкуни, Шинья (1996-01-01). «Железо-индуцированный канцерогенез: роль окислительно-восстановительной регуляции». Free Radical Biology and Medicine . 20 (4): 553–566. doi :10.1016/0891-5849(95)02111-6. ISSN  0891-5849. PMID  8904296.

Дальнейшее чтение

Смотрите также