Development and evaluation of polymer base nanosystems for application in gene therapy

Trabalho de Projeto do Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica apresentado à Faculdade de Ciências e TecnologiaCom a modernização das diferentes técnicas de biotecnologia, assistiu-se a um avanço brutal no conhecimento da área da genética, desempenhando este um importante papel noutras áreas, destacando-se, dentro deste conjunto, a medicina. A comunhão de áreas como a medicina e a genética resulta, entre outras coisas, no aprimorar de técnicas como a terapia génica, afirmando-se esta como uma das técnicas de maior potencial para tratamento ou cura de diferentes patologias por via da correção da expressão de diferentes genes responsáveis pelas mesmas.A eficácia da terapia génica está intimamente ligada aos sistemas de transporte e entrega de material genético utilizados, devendo estes promover uma entrega do material genético competente e, acima de tudo, segura. Neste âmbito, já se estudaram diferentes tipos de vetores, tanto virais como não virais, chegando-se à conclusão que, apesar da fraca eficácia de transfeção face aos virais, os vetores não virais são muito mais seguros, aliando a isso diversas características, como a versatilidade, grande capacidade de empacotamento, capacidade de funcionalização química e baixa imunogenicidade. No conjunto de vetores não virais, os nanossistemas de base polimérica assumem-se como uns dos mais promissores. Assim sendo, ao longo deste projeto avaliou-se a entrega de genes promovida por poliplexos formados a partir do polímero catiónico poli (2-aminoetil metacrilato), estudando-se a influência que o peso molecular do polímero, a copolimerização deste com o polietilenoglicol (PEG) e a razão de carga (N/P) dos poliplexos formados têm em parâmetros como a atividade biológica e a citotoxicidade tanto dos poliplexos como apenas dos polímeros (no caso da citotoxicidade). De forma a conduzir um estudo rigoroso e a retirar mais conclusões, fez-se uma caracterização físico química das nanopartículas estudadas, consistindo esta na avaliação da carga superficial (potencial zeta) e tamanho dos poliplexos, bem como na capacidade que os polímeros têm de proteger o material genético, após a formação de complexos.A avaliação da atividade biológica dos poliplexos estudados na presença e ausência de soro, mostrou que a presença deste componente conduz a um aumento da transfeção, destacando-se, neste parâmetro, os poliplexos formados a partir do copolímero PEG-b-PAMA29900. Estes resultados permitem concluir também que copolimerização com o PEG permitiu obter melhores resultados, principalmente ao nível da atividade biológica, superiorizando-se estes aos valores obtidos com os poliplexos formados a partir do polímero PEI, considerado o gold standard. A presença do PEG induziu algumas melhorias na citotoxicidade dos poliplexos em destaque, não sendo, no entanto, suficientes para se destacar face ao controlo utilizado (PEI). A caracterização físico-química dos poliplexos baseados no copolímero PEG-b-PAMA29900 mostrou que estes têm uma boa capacidade de proteção do DNA, um potencial zeta positivo e um tamanho que poderá permitir que as nanopartículas se mantenham em circulação por bastante tempo e beneficiar do efeito de permeabilidade e retenção melhorada.Modernizing the different Biotechnology techniques led to several advances regarding areas such as genetics, taking these part in a broad spectrum of sciences, including medicine. The combination of areas such as medicine and genetics results, amongst other things, in the enhancement of techniques like gene therapy, assuming itself as one of the techniques with greater potential for treating or healing different patologies by correcting the expression of different genes responsible for them. The efficacy of gene therapy is intimately connected with the different systems of transport and delivery of genetic material used, having these the obligation to promote a competent and, above all, safe delivery of the genetic material. Having this in mind, different types of vectors have already been studied, both viral and non viral, coming to the conclusion that, despite the low transfection efficacy regarding viral vectors, non viral systems are safer, combining that with different characteristics, such as versatility, packaging capacity, ability to be chemically functionalized and low immunogenicity. Regarding the set of non viral vectors, polymeric nanosystems appear as one of the most promising strategies. Taking this in account, during this project, the delivery of genes promoted by polyplexes formed with the cationic polymer poly (methacrylate 2-aminoethyl) was evaluated, studying the influence that the polymer’s molecular weight, the copolymerization with polyethylene glycol (PEG) and the polyplexes’ charge ratio (N/P) have in parameters as the biological activity of the polyplexes and the cytotoxicity of both polyplexes and polymers. In order to proceed to a thorough study and to collect further conclusions, a physico chemical characterization of the nanoparticles has also been done, consisting this in the evaluation of the zeta potential and size of the polyplexes, as well as in the polymer’s condensing capacity after the formation of complexes.The evaluation of the polyplexes’ biological activity studied in the presence and absence of serum, showed that the presence of this component enhances the transfection levels, highlighting, in this parameter, the polyplexes based in the copolymer PEG-b-PAMA29900. These results show that the copolymerization with PEG led to better results, specially concerning biological activity, being these higher than the ones obtained with the gold standard PEI polyplexes. The presence of PEG enhanced several improvements in the polyplexes’ cytotoxicity, not being able to produce better results than the ones obtained with the control (PEI), though. PEG-b-PAMA29900 polyplexes’ physico chemical characterization showed a good DNA protection, a positive zeta potential and a size that may allow nanoparticles to last longer in circulation and benefit from enhanced permeation and retention (EPR) effect.Universidade de Coimbra - Os materiais utilizados foram financiados pela Universidade de Coimbra