stringtranslate.com

Магнитофекция

Магнитофекция — это метод трансфекции , при котором магнитные поля используются для концентрации частиц, содержащих векторы , для нацеливания на клетки организма. [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 с ограничениями.

Механизм

Принцип

Термин «магнитофекция», в настоящее время зарегистрированный торговой маркой компании OZ Biosciences, объединяет слова «магнитный» и «трансфекция». [2] Магнитофекция использует нуклеиновые кислоты, связанные с магнитными наночастицами . Эти молекулярные комплексы затем 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 векторами генов ( ДНК , миРНК , ОДН , вирус и т. д.). Один метод включает связывание вирусных частиц с магнитными частицами с помощью взаимодействия авидин - биотин . [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 PEI должен иметь высокий уровень pH во время синтеза, чтобы стимулировать высокую экспрессию генов. [8] Положительно заряженные наночастицы затем могут связываться 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, нагруженные векторами, концентрируются на клетках-мишенях под действием внешнего магнитного поля. Затем клетки естественным образом поглощают генетический материал посредством эндоцитоза и пиноцитоза . Следовательно, архитектура и структура мембраны остаются нетронутыми, в отличие от других методов физической 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 используемого состава:

  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 переворота клеточных отрицательных липидов и нейтрализации заряда и
  3. Механизм вирусной инфекции.

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

Приложения

Магнитофекция была протестирована на широком спектре клеточных линий , трудно поддающихся трансфекции и первичных клетках. [12] Несколько оптимизированных и эффективных составов магнитных наночастиц были специально разработаны для нескольких типов применений, таких как ДНК, миРНК и первичная трансфекция нейронов, 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. Это обеспечивает местную доставку с высокой эффективностью трансфекции, более быстрым временем инкубации и биосовместимостью. [19]

Эффективность трансфекции

Соединение магнитных наночастиц с генными векторами приводит к стократному 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 требуют другие методы трансфекции. [21] Через 24, 48 или 72 часа большинство частиц локализуются в цитоплазме , в вакуолях (мембраны, окружающие структуру клеток) и иногда в клеточном ядре . [22]

Биосовместимость

Магнитные наночастицы с трудом агрегируются после удаления магнита и, следовательно, вряд ли блокируют капилляры или вызывают тромбоз . [23] Кроме того, оксид железа биоразлагаем, и железо может быть повторно использовано в путях метаболизма гемоглобина или железа. [24] [25]

Недостатки

Изменчивость частиц

Синтез магнитных наночастиц иногда может привести к получению широкого спектра частиц разного размера. [26] Размер частиц может влиять на их полезность. В частности, наночастицы размером менее 10 нм или более 200 нм, как правило, выводятся из организма быстрее. [27]

Локализация in vivo

Хотя магниты можно использовать 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 чашке или на поверхности тела, но локализовать их в 3D-пространстве тела может быть сложнее. Магнитофекция неэффективна для органов или кровеносных сосудов, находящихся вдали от поверхности тела, поскольку магнитное поле ослабевает с увеличением расстояния. [28] [29] Кроме того, пользователь должен учитывать частоту и время применения магнитного поля, поскольку частицы не обязательно останутся в желаемом месте после удаления магнита. [30]

Цитотоксичность

Хотя оксид железа, используемый для изготовления наночастиц, является биоразлагаемым, токсичность магнитных наночастиц все еще исследуется. 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] Лизосимы также могут переваривать наночастицы и выделять свободное железо, которое может реагировать с перекисью водорода с образованием свободных радикалов, что приводит к цитотоксическим, мутагенным и канцерогенным эффектам. [34]

Рекомендации

  1. ^ Планк С., Зельфати О, Михайлик О (ноябрь 2011 г.). «Магнитно-усиленная доставка нуклеиновых кислот. Десять лет магнитофекции-прогресс и перспективы». Обзоры расширенной доставки лекарств . 63 (14–15): 1300–1331. doi :10.1016/j.addr.2011.08.002. ПМК  7103316 . ПМИД  21893135.
  2. ^ «МАГНИТОФЕКЦИЯ Торговая марка OZ BIOSCIENCES - Регистрационный номер 5116540 - Серийный номер 79182650 :: Торговые марки Justia» . товарные знаки.justia.com . Проверено 19 ноября 2021 г.
  3. ^ Арбаб А.С., Башоу Л.А., Миллер Б.Р., Джордан Э.К., Льюис Б.К., Калиш Х., Фрэнк Дж.А. (декабрь 2003 г.). «Характеристика биофизических и метаболических свойств клеток, меченных суперпарамагнитными наночастицами оксида железа и трансфекционным агентом для клеточной МРТ». Радиология . 229 (3): 838–846. дои : 10.1148/radiol.2293021215. ПМИД  14657318.
  4. ^ Маджиди С., Сехриг ФЗ, Фархани С.М., Голудже М.С., Акбарзаде А. (17 февраля 2016 г.). «Современные методы синтеза магнитных наночастиц». Искусственные клетки, наномедицина и биотехнология . 44 (2): 722–734. дои : 10.3109/21691401.2014.982802. PMID  25435409. S2CID  31332211.
  5. ^ Mah C, Fraites TJ, Золотухин I, Сонг С, Флотт Т.Р., Добсон Дж. и др. (июль 2002 г.). «Улучшенный метод доставки рекомбинантного AAV2 для системной таргетной генной терапии». Молекулярная терапия . 6 (1): 106–112. дои : 10.1006/mthe.2001.0636 . ПМИД  12095310.
  6. ^ Агопян К., Вэй Б.Л., Гарсия СП, Габузда Д. (март 2006 г.). «Гидрофобная связывающая поверхность ядра Nef вируса иммунодефицита человека типа 1 имеет решающее значение для ассоциации с p21-активированной киназой 2». Журнал вирусологии . 80 (6): 3050–3061. doi : 10.1128/jvi.80.6.3050-3061.2006. ПМЦ 1395437 . ПМИД  16501114. 
  7. ↑ Цуй Ю, Ли Х, Зельич К, Шан С, Цю З, Ван З (октябрь 2019 г.). «Влияние ПЭГилированных магнитных наночастиц PLGA-PEI на первичные нейроны гиппокампа: снижение нанонейротоксичности и повышение эффективности трансфекции с помощью магнитофекции». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 11 (41): 38190–38204. дои : 10.1021/acsami.9b15014. PMID  31550131. S2CID  202762218.
  8. ^ Прозен, Лара; Прижич, Сара; Музыка, Бранка; Лавренцак, Яка; Чемазар, Майя; Серса, Грегор (3 июня 2013 г.). «Магнитофекция: воспроизводимый метод доставки генов в клетки меланомы». БиоМед Исследования Интернэшнл . 2013 : e209452. дои : 10.1155/2013/209452 . ISSN  2314-6133. ПМК 3686069 . ПМИД  23862136. 
  9. ^ Шерер Ф., Антон М., Шиллингер Ю., Хенке Дж., Бергеманн С., Крюгер А. и др. (январь 2002 г.). «Магнитофекция: усиление и нацеливание доставки генов с помощью магнитной силы in vitro и in vivo». Генная терапия . 9 (2): 102–109. дои : 10.1038/sj.gt.3301624. PMID  11857068. S2CID  1565485.
  10. ^ Фус-Куява, Агнешка; Прус, Павел; Байдак-Русинек, Каролина; Тепер, Полина; Гаврон, Катажина; Ковальчук, Агнешка; Сирон, Александр Л. (20 июля 2021 г.). «Обзор методов и инструментов трансфекции эукариотических клеток in vitro». Границы биоинженерии и биотехнологии . 9 : 701031. дои : 10.3389/fbioe.2021.701031 . ISSN  2296-4185. ПМЦ 8330802 . ПМИД  34354988. 
  11. ^ Фаджриал, Апресио К.; Он, Цин Цин; Вирусанти, Нурул И.; Слански, Джилл Э.; Дин, Сяоюнь (2020). «Обзор новых методов физической трансфекции для редактирования генов, опосредованного CRISPR / Cas9». Тераностика . 10 (12): 5532–5549. дои : 10.7150/thno.43465. ISSN  1838-7640. ПМК 7196308 . ПМИД  32373229. 
  12. ^ Планк С., Антон М., Рудольф С., Рознекер Дж., Крец Ф. (август 2003 г.). «Усиление и нацеливание доставки нуклеиновых кислот с помощью магнитной силы». Экспертное мнение о биологической терапии . 3 (5): 745–758. дои : 10.1517/14712598.3.5.745. PMID  12880375. S2CID  865185.
  13. ^ Планк, Кристиан; Зельфати, Оливье; Михайлик, Ольга (01 ноября 2011 г.). «Магнитно-усиленная доставка нуклеиновых кислот. Десять лет магнитофекции - прогресс и перспективы». Обзоры расширенной доставки лекарств . Гибридные наноструктуры для диагностики и терапии. 63 (14): 1300–1331. doi :10.1016/j.addr.2011.08.002. ISSN  0169-409X. ПМК 7103316 . ПМИД  21893135. 
  14. ^ Сизиков А.А., Харламова М.В., Никитин М.П., ​​Никитин П.И., Колычев Е.Л. (апрель 2021 г.). «Невирусные локально вводимые магнитные векторы для доставки генов in vivo: обзор исследований по магнитофекции». Наноматериалы . 11 (5): 1078. дои : 10.3390/nano11051078 . ПМК 8143545 . ПМИД  33922066. 
  15. ^ Пикард, Марк Р.; Адамс, Кристофер Ф.; Барро, Перрин; Чари, Дивья М. (2015). «Использование магнитных наночастиц для переноса генов в нервные стволовые клетки: метод размножения стволовых клеток влияет на результаты». Журнал функциональных биоматериалов . 6 (2): 259–276. дои : 10.3390/jfb6020259 . ПМЦ 4493511 . ПМИД  25918990. 
  16. ^ Крёц, Флориан; Остроумие, Кор де; Сон, Хэ Ён; Залер, Стефан; Гло, Торстен; Поль, Ульрих; Планк, Кристиан (1 мая 2003 г.). «Магнитофекция — высокоэффективный инструмент для доставки антисмысловых олигонуклеотидов in vitro и in vivo». Молекулярная терапия . 7 (5): 700–710. дои : 10.1016/S1525-0016(03)00065-0 . ISSN  1525-0016. ПМИД  12718913.
  17. ^ Шиллингер, Ульрика (2005). «Достижения в области магнитофекции - доставка нуклеиновых кислот под магнитным контролем». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 293 (1): 501–508. Бибкод : 2005JMMM..293..501S. дои : 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). «Магнитофекция: усиление и нацеливание доставки генов с помощью магнитной силы in vitro и in vivo». Генная терапия . 9 (2): 102–109. дои : 10.1038/sj.gt.3301624. ISSN  1476-5462. PMID  11857068. S2CID  1565485.
  19. ^ Планк, Кристиан; Зельфати, Оливье; Михайлик, Ольга (2011). «Магнитно-усиленная доставка нуклеиновых кислот. Десять лет магнитофекции - прогресс и перспективы». Обзоры расширенной доставки лекарств . 63 (14): 1300–1331. doi :10.1016/j.addr.2011.08.002. ISSN  0169-409X. ПМК 7103316 . ПМИД  21893135. 
  20. ^ Шерер, Ф.; Антон, М.; Шиллингер, У.; Хенке, Дж.; Бергеманн, К.; Крюгер, А.; Генсбахер, Б.; Планк, К. (2002). «Магнитофекция: усиление и нацеливание доставки генов с помощью магнитной силы in vitro и in vivo». Генная терапия . 9 (2): 102–109. дои : 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). «Магнитофекция: усиление и нацеливание доставки генов с помощью магнитной силы in vitro и in vivo». Генная терапия . 9 (2): 102–109. дои : 10.1038/sj.gt.3301624. ISSN  1476-5462. PMID  11857068. S2CID  1565485.
  22. ^ Сантори М.И., Гонсалес С., Серрано Л., Исалан М. (27 июня 2006 г.). «Локальная трансфекция с помощью магнитных шариков, покрытых продуктами ПЦР и другими нуклеиновыми кислотами». Протоколы природы . 1 (2): 526–531. дои : 10.1038/nprot.2006.74. PMID  17406278. S2CID  23641355.
  23. ^ Вахаджуддин; Арора, Сумит (2012). «Суперпарамагнитные наночастицы оксида железа: магнитные наноплатформы как носители лекарств». Международный журнал наномедицины . 7 : 3445–3471. дои : 10.2147/IJN.S30320 . ISSN  1176-9114. ПМК 3405876 . ПМИД  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. ^ Вахаджуддин; Арора, Сумит (2012). «Суперпарамагнитные наночастицы оксида железа: магнитные наноплатформы как носители лекарств». Международный журнал наномедицины . 7 : 3445–3471. дои : 10.2147/IJN.S30320 . ISSN  1176-9114. ПМК 3405876 . ПМИД  22848170. 
  26. ^ Прозен, Лара; Прижич, Сара; Музыка, Бранка; Лавренцак, Яка; Чемазар, Майя; Серса, Грегор (3 июня 2013 г.). «Магнитофекция: воспроизводимый метод доставки генов в клетки меланомы». БиоМед Исследования Интернэшнл . 2013 : e209452. дои : 10.1155/2013/209452 . ISSN  2314-6133. ПМК 3686069 . ПМИД  23862136. 
  27. ^ Йетисгин, Абузер Альп; Цетинель, Сибель; Зувин, Мерве; Косар, Али; Кутлу, Озлем (2020). «Терапевтические наночастицы и их целевая доставка». Молекулы . 25 (9): 2193. doi : 10,3390/molecules25092193 . ПМЦ 7248934 . ПМИД  32397080. 
  28. ^ Вахаджуддин; Арора, Сумит (2012). «Суперпарамагнитные наночастицы оксида железа: магнитные наноплатформы как носители лекарств». Международный журнал наномедицины . 7 : 3445–3471. дои : 10.2147/IJN.S30320 . ISSN  1176-9114. ПМК 3405876 . ПМИД  22848170. 
  29. ^ Махмуди, Мортеза; Сант, Шилпа; Ван, Бен; Лоран, Софи; Сен, Тапас (1 января 2011 г.). «Суперпарамагнитные наночастицы оксида железа (SPION): разработка, модификация поверхности и применение в химиотерапии». Обзоры расширенной доставки лекарств . 2011 Сборник редакции. 63 (1): 24–46. doi :10.1016/j.addr.2010.05.006. ISSN  0169-409X. ПМИД  20685224.
  30. ^ Шнайдер-Фучик, Елена К.; Рейес-Ортега, Фелиса (2021). «Преимущества и недостатки использования магнитных наночастиц для лечения сложных заболеваний глаз». Фармацевтика . 13 (8): 1157. doi : 10.3390/pharmaceutics13081157 . ПМЦ 8400382 . ПМИД  34452117. 
  31. ^ Вэй, Хао; Ху (2021 г.). «Суперпарамагнитные наночастицы оксида железа: магнитные наноплатформы как носители лекарств». Международный журнал наномедицины . 7 : 3445–3471. дои : 10.2147/IJN.S30320 . ISSN  1178-2013. ПМЦ 3405876 . ПМИД  22848170. 
  32. ^ Вахаджуддин; Арора, Сумит (6 июля 2012 г.). «Суперпарамагнитные наночастицы оксида железа: магнитные наноплатформы как носители лекарств». Международный журнал наномедицины . 7 : 3445–3471. дои : 10.2147/IJN.S30320 . ПМК 3405876 . ПМИД  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. дои : 10.1002/em.21909. ISSN  1098-2280. PMID  25209650. S2CID  46117152.
  34. ^ Тоёкуни, Шинья (1 января 1996 г.). «Железоиндуцированный канцерогенез: роль окислительно-восстановительной регуляции». Свободнорадикальная биология и медицина . 20 (4): 553–566. дои : 10.1016/0891-5849(95)02111-6. ISSN  0891-5849. ПМИД  8904296.

дальнейшее чтение

Смотрите также