Application of nanotechnology-based MRI and gene delivery in treatment of sensorineural hearing loss

Nanoteknologiaan perustuva sisäkorvan MR kuvantaminen ja hoito sisäkorvaperäisessä kuulonalennuksessa Arviolta 13 % eli 60 miljoonaa EU:n alueen väestöstä sairastaa kuulonalennusta. Sisäkorvaperäisellä kuulonalennuksella on mittavia vaikutuksia henkilöön ja yhteisöön. Sisäkorva sijaitsee ihmisellä vaikeapääsyisesti ohimoluun sisällä ja hoitotoimenpiteitä rajoittavat myös sisäkorvan rakenteita ympäröivät kalvostot. Sisäkorvan vaurioin diagnosointi ja kuvantaminen on toistaiseksi ollut vaikeaa ja haasteellista. Tavanomaiset hoidot eivät ole osoittautuneet tehokkaiksi. Sisäkorvaistuke on vaikeissa kuulonalennuksissa osoittautunut hyväksi ratkaisuksi, mutta nykyisellään soveltuu vain osaan potilaita kuulonalennuksen hoidossa. Sisäkorvaperäisien kuulonalennuksen hoidon parantamiseksi tulee hakea uusia ratkaisuja. Tässä tutkimuskokonaisuudessa selvitettiin nanopartikkeleiden sopivuutta kuulonalennuksen geenihoidossa ja nanoteknologiaan pohjautuvaa varjoaineen käyttöä sisäkorvan kuvantamisessa 4,7T MRI laitteistolla. Varjoaineena käytetty gadolinium kelaatti annettiin joko laskimoon tai annosteltiin välikorvaan. Gadoliniumpohjaista varjoainetta käytettiin vertailumenetelmänä sisäkorvan rakenteiden osoittamista ja kalvostojen läpäisykyvyn selvittämisessä. Uutena menetelmänä rotan sisäkorvan rakenteiden kuvaamisessa käytettiin nanopartikkelimuodossa olevaa superparamagneeettista rautaa, joka oli päällystetty oleiinihapolla ja kuorrutettu Pluroni®F127 kopolymeerin sisään(POA@SPION). Polylysiiniperäisten nanopartikkeleiden (HPNP) solu- ja tuma kuljetusta tutkittiin soluviljelmissä ja koe-eläimillä. Math-1 geeniä käytettiin malligeeninä ja se kloonattiin pCDNA6.2/C-EmGFP vektoriin, joka on tavallinen nisäkkään solujen geeniekspressiossa käytetty ei-virusperäinen vektori. Luuydinperäistä mesenkyymisolukon kantasolujen (MSC) erilaistumista hermosoluiksi Math-1 geenin avulla selvitettiin. Solukuljetusta ja täsmähoitoa tutkittiin kuulohermon TrkB reseptoriin kohdistettujen monitoiminnallisiin liposomi-nanopartikkelien avulla sisäkorvaperäisessä soluviljelmässä, sisäkorvasiirteessä ja in vivo tutkimuksissa rotilla. Tutkimuksen tulokset osoittivat, että MRI:ssä varjoainetta käyttäen voidaan identifioida hiiren sisäkorvien yksityiskohtaiset rakenteet ja kalvoston läpäisevyys. Normaali veri-sisäkorvaeste on pitävämpi kuin veri-perilymfa este. POA@SPION nanopartikkeli on lupaava T2 negatiivinen varjoaine MRI:ssä. Normaalisti tiukka veri-perilymfaeste, veri-endolymfaeste ja perylymfa-endolymfaeste rajoittaa POA@SPION nanopartikkeleiden kuljetusta kalvojen lävitse. HPNP:n solukuljeutus oli tehokasta primäärisissä soluviljelmissä, sisäkorvaperäisessä soluviljelmissä ja in vivo kokeissa. Sekä solulimassa että solutumassa oli osoitettavissa HPNP:ta. Tulokset osoittavat että HPNP on potentiaali geenikuljettaja Math-1 geenin siirrossa. Math-1 geenin ja Math-1 proteinin erikoinen solukuljetusmekanismi selvitettiin tutkimuksessa. Jakautuvissa soluissa HPNP-välitteinen geenisiirto oli tehokkaampaa kuin liposomipohjainen geenisiirto. Samoin TrkB ligandia käyttäen nanopartikkelien kohdistettavuus voitiin osoittaa rotan sisäkorvassa in vivo, mutta ei sisäkorvaperäisessä soluviljelmässä tai sisäkorvasiirteessä. Yhteenvetona voidaan todeta että MRI:ssä käyttämällä varjoainetta voidaan selvittää sisäkorvan biologisten kalvojen läpäisevyyttä. Uusi POA@SPION on lupaava T2 tyyppinen varjoaine MRI:ssä, ja POA@SPION nanopartikkelinpintaa voidaan edelleen muokata lisäämällä siihen eri tyyppisiä peptidejä tai vasta-ainemolekyylejä. Ne parantavat POA@SPION mahdollisuuksia toimia diagnostisena ja hoidollisena osoittimena sisäkorvapohjaisen kuulonalennuksen syyn diagnostisoinnissa. Math-1 geenin säätelyn osoittaminen solun tumassa on tärkeää sen toiminaan selvittämiseksi. Hermosolutyyppisen MSC:n erikoistuminen Math-1 geeniä käyttäen antaa tietoa tulevia geenisiirtotutkimuksia varten, joissa kuulohermojen uinuvia kantasoluja voidaan saada erilaistumaan. Tumakuljetus ja tehokas soluliman endosomien välttäminen tekee HPNP pohjaisesta nanokuljettimesta lupaavan geenisiirtoja ajatellen. TrkB-peptidillä varustetut liposomipohjaiset nanaopartikkelit soveltuvat täsmäkohdistettujen geenien ja lääkkeiden kuljetukseen kuulohermoon Nanopartikkelipohjainen biologinen kuulonalennuksen hoito on lupaava uusi tulevaisuuden menetelmä sisäkorvaperäisen kuulonalennuksen hoidossa. Geenien tartuntaa ja nanopartikeleiden täsmäkohdistusta voidaan parantaa käyttämällä uusia monitoimisia nanopartikkeleita, joiden pintaan on kiinnitetty toiminnallisia peptidejä tai vasta-aineita.The results reported here demonstrate that contrast agent MRI can evaluate inner ear biological barrier function. The novel POA@SPIONs are a promising T2 negative contrast agent, which may be further surface-modified by either peptides or antibodies to increase their use as a diagnostic agent and as traceable therapeutic nanoparticles in SNHL molecular imaging. The nuclear localization of the Math1 protein is important for their function. Neuron-like MSC differentiation mediated by Math1 provides information for future studies of the spiral ganglion neuron-orientated stem cell differentiation. The nuclear entry and efficient endosomal escape of HPNPs result in high gene transfection efficiency. TrkB ligand-functionalized liposome nanoparticles can potentially be used for the targeted delivery of genes or drugs to spiral ganglion cells. Transfection efficacy and targetability may be improved by using multifunctional nanoparticles, functionalized with peptides or antibodies. Nanoparticle-mediated biological treatment of SNHL is a very promising strategy