To better understand the effects of PEGylation and biotinylation on the delivery efficiency of proteins, the cationic protein lysozyme (LZ) and anionic protein bovine serum albumin (BSA) were chemically conjugated with poly(ethylene glycol) (PEG) and biotin-PEG to primary amine groups of proteins using N-hydroxysuccinimide reactions. Four types of protein conjugates were successfully prepared: PEGylated LZ (PEG-LZ), PEGylated BSA (PEG-BSA), biotin-PEG-conjugated LZ (Bio-PEG-LZ), and biotin-PEG-conjugated BSA (Bio-PEG-BSA). PEG-LZ and Bio-PEG-LZ exhibited a lower intracellular uptake than that of LZ in A549 human lung cancer cells (in a two-dimensional culture). However, Bio-PEG-BSA showed significantly improved intracellular delivery as compared to that of PEG-BSA and BSA, probably because of favorable interactions with cells via biotin receptors. For A549/fibroblast coculture spheroids, PEG-LZ and PEG-BSA exhibited significantly decreased tissue penetration as compared with that of unmodified proteins. However, Bio-PEG-BSA showed tissue penetration comparable to that of unmodified BSA. In addition, citraconlyated LZ (Cit-LZ) showed reduced spheroid penetration as compared to that of LZ, probably owing to a decrease in protein charge. Taken together, chemical conjugation of targeting ligands-PEG to anionic proteins could be a promising strategy to improve intracellular delivery and in vivo activity, whereas modifications of cationic proteins should be more delicately designed.
Intracellular trafficking of transferrin-conjugated dimethyldioctadecyl-ammonium bromide liposome $(T_f-liposome)/DNA$ complexes in HeLa cells was studied using the double-labeled fluorescence technique and confocal microscopy. The size of the $T_f-liposome/DNA$ complex was about 367 nm in diameter and the zeta-potential of it at a 5:1 (w/w) ratio was almost neutral. The intracellular pathway of the $T_f-liposome/DNA$ complex, noted as green (FITC), red (rhodamine) or yellow (FITC + rhodamine) fluorescence, was elucidated from the plasma membrane to the endosome (or lysosome), and finally to the nucleus. The results of this study indicate that plasmid DNA enters into the nucleus not only as a free form but as an associated form complexed with $T_f-liposome$. More interestingly, the $T_f-liposome$ undergoes a nuclear location in the form of ordered structures. This could be a very useful piece of information in designing a safe and advanced gene delivery system.
Vehicle toxicity is one of the main obstacles for intracellular delivery of bioactive compounds. Silk fibroin is a natural polymer proven to have high biocompatibility since being used as suture material. In this report, fibroin microspheres were prepared without any chemical modification or cross-linking not to affect its biocompatibility. The microspheres were taken up by more than 90% of 3T3 cells. Cellular uptake continued after medium replenishment with a different-colored fluorescent microsphere, suggesting that simultaneous ingestion and exocytosis occurred. Cellular uptake of fibroin microspheres did not affect cell viability. Intracellular trafficking of the microspheres using lysosome-specific fluorescent dye revealed that fibroin microspheres were localized both in the cytoplasm and in the lysosome. Accordingly, fibroin microspheres can be a potential vehicle for intracytoplasmic delivery of large cargos, such as mixtures of proteins, nutrients or artificial organelles.
한국고분자학회 2006년도 IUPAC International Symposium on Advanced Polymers for Emerging Technologies
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pp.54-55
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2006
Polymeric micelles, supramolecular assemblies of block copolymers, are useful nanocarriers for the systemic delivery of drugs and genes. Recently, novel polymeric micelles with various functions such as the targetability and stimuli-sensitivity have been emerged as promising carriers that enhance the efficacy of drugs and genes with minimal side effects. This presentation focuses our recent approach to the preparation of functional block copolymers that are useful for constructing smart micellar delivery systems in advanced therapeutics, including chemo-gene therapy. Particular emphasis is placed on the characteristic behaviors of intracellular environment-sensitive micelles that selectively exert drug activity and gene expression in live cells.
Kim, Eun-Joong;Kim, Young-Bong;Choi, Han-Gon;Shim, Chang-Koo;Oh, Yu-Kyoung
Journal of Pharmaceutical Investigation
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제35권5호
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pp.343-348
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2005
Recently, siRNA has been emerging as new therapeutic agents for various diseases such as cancers and infectious diseases. However, the evaluation for delivery systems for siRNA has not been fully done. In this study, we designed and delivered siRNA of oncogenic E6 and E7 proteins to several cell lines and tested the delivery efficiencies of various cationic nonviral delivery vectors. Of cationic delivery systems tested in this study, lipid-based Lipofectamine revealed higher delivery efficiency of siRNA to cervical cancer cell line, SiHa, compared to other delivery systems. Notably, the polyethylenimine, which showed the comparable delivery efficiencies in plasmid DNA, did not show significant delivery of siRNA in cervical cancer cells. These results indicate that the mechanisms involved in siRNA delivery might be different from those in plasmid DNA delivery, and that cationic lipid-based delivery vehicles deliver siRNA with higher efficiency to intracellular target sites.
Messenger RNA (mRNA)-based vaccines and treatments have recently emerged as a promising strategy. Naked mRNA presents various limitations for direct delivery. Therefore, in this paper, Lipid Nanoparticles (LNPs) were utilized for the delivery of mRNA. Lipid nanoparticle (LNP) mRNA systems are highly effective as vaccines, but their efficacy for pulmonary delivery has not yet been fully established. Additionally, research on effective delivery systems and administration methods for vaccines is required to resolve the stability and degradation issues associated with naked mRNA delivery. This study aimed to determine mRNA delivery efficiency via the inhalation of a lipid nanoparticle (LNP) formulation designed specifically for pulmonary delivery. To this purpose, we built a library of seven LNP configurations with different lipid molar and N/P ratios and evaluated their encapsulation efficiency using gel retardation assay. Among the tested LNPs, LNP1, LNP2-2, and LNP3-2 demonstrated high transfection efficiency in vitro based on FACS analyses luciferase assays, and intracellular accumulation tests. The mRNA delivery efficiencies of the selected LNPs after inhalation and intravenous injection were compared and evaluated. LNP2-2 showed the highest mRNA expression in healthy mouse lungs when aerosolized and was found to be non-toxic. These results indicate that LNP2-2 is a promising carrier for lung mRNA delivery via inhalation.
Drug delivery system by the use of red blood cells was established to sustain the release of drugs in the circulatory system by the intravenous injection. The entrapment method by the preswelling technique was re-examined and evaluated for searching the new entrapping conditions without hemolysis. The addition of 4 volume of $0.6{\times}\;hank's$ balanced salt solution (HBSS) into 1 volume of 50% red blood cells suspension did not induce the hemolysis and change the hematocrit level in this experimental condition (within 15 min). Most of daunorubicin could be entrapped into red blood cells within 15 min. While the intracellular adenosine triphosphate (ATP) level followed by the entrapment was reduced to 86% of normal ATP level, the membrane fluidity and the shape factor of red blood cells were not altered. The release rate of daunorubicin from red blood cells was affected by the hemolysis under this condition. To maintain the intracellular ATP in red blood cells, the new reaction buffer was made With the addition of ATP and sodium pyruvate during the entrapment procedure because the hemolysis during the release test would reflect the loss of intracellular ATP that might result in the decrease of the viability in vivo. The addition of ATP raised the intracellular ATP level, which protect the hemolysis during the release test.
Nuclear membrane is one of the main barriers in intracellular delivery of genetic materials. The previous report showed that glucocorticoid receptor dilated the nuclear pore to 60 nm in the presence of a ligand. It was also suggested that the transport of genetic material to nucleus might be facilitated by glucocorticoid. In this study, the effect of glucocorticoid preincubation in the polymeric gene delivery was investigated. The cells were preincubated with dexamethasone, a potent glucocorticoid, and transfection assays were performed with polyethylenimine (PEI) and polyamidoamine (PAMAM) dendrimer. As a result, the transfection efficiency of PEI or PAMAM to the cells in the presence of dexamethasone was enhanced, compared to the cells without dexamethasone. This effect was not observed in the cells preincubated with cholesterol. The polymer/DNA complex was stable in the presence of dexamethasone. In addition, the cytotoxicities of the polymeric carriers to the cells were observed in the presence of dexamethasone. In conclusion, dexamethasone enhances the transfection efficiency of polymeric carriers and may be useful in the development of polymeric gene carriers.
Drug delivery by red cells was established to maintain the release of drugs in the blood. The entrapment method by amphotericin B was re-examined and evaluated for obtaining the suitable entrapping conditions without hemolysis. The amphotericin B treatment below $10{\mu}g/ml$ induced the non-hemolysis to entrap daunorubicin into red cells within 10min. Under these conditions intracellular ATP level was decreased as $18\%$. Membrane fluidity and the shape factor of red cells were maintained. To maintain intracellular ATP, ATP and sodium pyruvate were added during the entrapment procedure because hemolysis during the release test would reflect the loss of intracellular ATP that would be postulate the decrease of the viability invivo. Consequently, the addition of ATP in the reaction solution can raise the intracellular level of ATP.
Self-assembled nanoparticles have great potential to act as vehicles for hydrophobic drug delivery. Understanding nanoparticle cellular internalization is essential for designing drugs intended for intracellular delivery. Here, the endocytosis and exocytosis of fluorescein isothiocyanate (FITC)-conjugated glycol chitosan (FGC) self-assembled nanoparticles were investigated by flow cytometry and confocal microscopy. The cellular internalization of FGC nanoparticles was initiated by nonspecific interactions between nanoparticles and cell membranes. Although adsorptive endocytosis of the nanoparticles occurred quickly, significant amounts of FGC nanoparticles were exocytosed, particularly in the early stage of endocytosis. The amount of exocytosed nanoparticles was dependent on the pre-incubation time with nanoparticles, suggesting that exocytosis is dependent on the progress of endocytosis. FGC nanoparticles internalized by adsorptive endocytosis were distributed in the cytoplasm, but not in the nucleus. In vitro cell cycle analysis demonstrated that FGC nanoparticles delivered paclitaxel into the cytoplasm and were effective in arresting cancer cell growth.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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