Therapie von Lungenmetastasen durch Einschleusung nanopartikulärer Komplexe zur Freisetzung bioaktiver RNA-Moleküle in Tumorzellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurden Nanopartikel zur spezifischen Induktion von RNAi-Interferenz (RNAi) hergestellt, die durch chemische Modifikationen (Ligandenkopplung, Liposomenumhüllung, Kopolymerisation mit anderen Polymeren) verbesserte biologische Eigenschaften aufweisen. Bereits für reine Polyethylenimin (PEI)-Komplexe wurde Einschleusung von siRNAs gezeigt und erstmals nachgewiesen, dass es nach Instillation in die Lunge nicht zu einer systemischen Verfügbarkeit der PEI-Komplexe bzw. der eingeschleusten siRNA kommt. Dies erscheint im Hinblick auf eine therapeutische Intervention im Sinne einer lokalen Therapie von Lungenmetastasen besonders günstig und unterstreicht die Bedeutung einer Formulierung in PEI-basierten Nanopartikeln. Es wurden ferner neue, auf polymeren Nanocarriern basierende Formulierungen etabliert. Hierzu zählten PEG-PEIs, die jetzt mit oder ohne zusätzliche Liganden-Funktionalisierung vorliegen, umfassend charakterisiert sind und in vivo eingesetzt werden können. Daneben wurde ein besonderes Schwergewicht auf sog. Lipopolyplexe gelegt, d.h. die Kombination aus PEI-basierten Polyplexen und Liposomen und den positiven Eigenschaften der beiden Komponenten. Hierbei wurden verschiedene Herstellungsbedingungen zur reproduzierbaren Generierung der Lipopolyplexe im Hinblick auf biologische Aktivität und physikochemische Eigenschaften verglichen und optimiert. Besonders wichtig ist, dass bestimmte Lipopolyplexe ihre biologische Aktivität und physikochemische Integrität, auch bei längerer Lagerung sogar bei 37°C, sowie nach Verneblung und/oder in Gegenwa rt von Serum behalten. Sie stellen somit Formulierungen mit deutlich höherer Stabilität als PEI-Komplexe dar. Darüber hinaus wurden auch verschiedene aus einer Kollaboration mit Dr. Dietmar Appelhans (Leibniz-Institut für Polymerforschung, Dresden) erhaltenen Oligomaltose-grafted PEIs (OM-PEIs) bzgl. ihrer in vivo-Eigenschaften untersucht. Es konnten optimale OM-PEIs für therapeutische Anwendungen identifiziert werden. Die Vernebelbarkeit der nanopartikulären Systeme ist für deren pulmonale Applikation besonders wichtig und sie wurde daher umfassend untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass PEI-basierte Polyplexe oder Lipopolyplexe stabil sind gegenüber Verneblung und ihre physikochemische Integrität ebenso wie ihre biologische Aktivität behalten. Es wurden im Rahmen dieses Projekts ferner neue, putativ relevante Zielgene untersucht. Über das im Antrag vorgeschlagene PTN hinaus lag der Fokus auf der onkogenen Kinase Pim-1 und dem im Chromatin-Remodelling involvierten SATB1. Es konnte gezeigt werden, dass beide in Zelllinien des Kolonkarzinoms als einem wichtigen Vertreter von Tumoren mit pulmonaler Metastasierung eine große funktionelle Bedeutung besitzen. Die Ergebnisse legen ferner die Relevanz für Metastasierung und Metastasenwachstum nahe und stellen die Grundlage für Experimente zum Knockdown dieser Zielgene in Metastasenmodellen dar. In initialen Studien im B16-Metastasenmodell wurden bislang viel versprechende Daten erhalten. So wurde das im Antrag vorgeschlagene Zielgen Pleiotrophin (PTN) per PEI-komplexierter siRNA targetiert. Beim Abbruch des Experiments wurden deutliche Verringerungen der Metastasenlast gefunden. Fazit: Neue PEI-basierte Nanopartikel wurden hergestellt und physikochemisch sowie biologisch umfassend untersucht, was auch deren Lagerstabilität und Vernebelbarkeit einschloss. Bioverteilungsstudien in vivo zeigten nach direkter pulmonaler Applikation eine lokale, aber keine systemische Verfügbarkeit. Für neue Zielgene für Knockdown-Strategien wurde die funktionelle Relevanz beim im Hinblick auf Lungenmetastasen relevanten Kolonkarzinom gezeigt und umfassend charakterisiert. In Therapiestudien, die zurzeit noch fortgesetzt werden, konnten bislang deutlich Metastasen-inhibierende Effekte eines PEI/siRNA-vermittelten PTN Knockdowns nachgewiesen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Liposome-polyethylenimine complexes for enhanced DNA and siRNA delivery. Biomaterials. 2010;31:6892-900
Schafer J, Hobel S, Bakowsky U, Aigner A
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Polyethylenimines for RNAi-mediated gene targeting in vivo and siRNA delivery to the lung. Eur J Pharm Biopharm. 2010;77:438-49
Gunther M, Lipka J, Malek A, Gutsch D, Kreyling W, Aigner A
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A Novel Method for the Assessment of Targeted PEI-Based Nanoparticle Binding Based on a Static Surface Plasmon Resonance System. Anal Chem. 2013. [Epub ahead of print]
Hobel S, Vornicescu D, Bauer M, Fischer D, Keusgen M, Aigner A
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Biocompatibility and efficacy of oligomaltose-grafted poly(ethylene imine)s (OM-PEIs) for in vivo gene delivery. Mol Pharm. 2013;10:4666-75
Gutsch D, Appelhans D, Hobel S, Voit B, Aigner A
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Functional role and therapeutic potential of the pim-1 kinase in colon carcinoma. Neoplasia. 2013;15:783-94
Weirauch U, Beckmann N, Thomas M, Grunweller A, Huber K, Bracher F, Hartmann RK, Aigner, A
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Polymer-based delivery of RNA-based therapeutics in ovarian cancer. Methods Mol Biol. 2013;1049:443-65
Weirauch U, Gutsch D, Höbel S, Aigner A
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Multiple effects of the special AT-rich binding protein 1 (SATB1) in colon carcinoma. Int J Cancer. 2014. [Epub ahead of print]
Fromberg A, Rabe M, Aigner A
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Nebulization of liposome-polyethylenimine complexes (lipopolyplexes) for DNA or siRNA delivery: physicochemical properties and biological activity, Eur. J. Lipid Sci. Technol., Vol 116 Issue 9, Special Issue: Phospholipids in pharmaceutical research,
September 2014, Pages 1195-1204
Ewe, A., Aigner, A
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Storage stability of optimal liposome-polyethylenimine complexes (lipopolyplexes) for DNA or siRNA delivery. Acta Biomaterialia. 2014; 10(6):2663-73
Ewe A, Schaper A, Barnert S, Schubert R, Temme A, Bakowsky U, Aigner, A
