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
[ редактировать ]Принцип
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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 ]
Клеточное поглощение
[ редактировать ]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 неизменными, 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:
- эффект протонной губки, вызванный катионными полимерами, нанесенными на наночастицы, которые способствуют осмотическому набуханию эндосом , разрушению мембраны эндосом и внутриклеточному высвобождению формы ДНК,
- дестабилизация эндосомы катионными липидами, нанесенными на частицы, которые высвобождают нуклеиновую кислоту в клетки путем переворота клеточных отрицательных липидов и нейтрализации заряда и
- 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
[ редактировать ]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 применения. [ 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 ]
Некоторые приложения включают в себя:
- Доставка гена GFP в первичные нейральные стволовые клетки , которые обычно трудно трансфицировать, с эффективностью 18% при использовании статического магнитного поля и эффективности 32% при использовании колеблющегося поля. [ 15 ]
- Доставка олигодезоксинуклеотидов (ОДН) в эндотелиальные клетки пупочной вены человека с эффективностью 84%. [ 16 ]
- Доставка миРНК в клетки HeLa для нокдауна репортерного гена люциферазы. [ 17 ]
- Доставка аденовирусных векторов к первичным лимфоцитам периферической крови человека. [ 18 ]
Преимущества
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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 большая часть частиц локализуется в цитоплазме , в вакуолях (мембраны окружают структуру клеток) и иногда в ядре клетки . [ 22 ]
Биосовместимость
[ редактировать ]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 можно повторно использовать в путях метаболизма гемоглобина или железа. [ 24 ] [ 25 ]
Недостатки
[ редактировать ]Изменчивость частиц
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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 приложения магнитного поля, поскольку частицы не обязательно останутся в желаемом месте после удаления магнита. [ 30 ]
Цитотоксичность
[ редактировать ]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 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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. дои : 10.1016/j.addr.2011.08.002 . ПМК 7103316 . ПМИД 21893135 .
- ^ «МАГНИТОФЕКЦИЯ Торговая марка OZ BIOSCIENCES - Регистрационный номер 5116540 - Серийный номер 79182650 :: Торговые марки Justia» . товарные знаки.justia.com . Проверено 19 ноября 2021 г.
- ^ 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 .
- ^ 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 . ПМИД 25435409 . S2CID 31332211 .
- ^ Мах С., Фрайтес Т.Дж., Золотухин И., Сонг С., Флотте 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 .
- ^ Агопян К., Вэй Б.Л., Гарсия Дж.В., 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. дои : 10.1128/jvi.80.6.3050-3061.2006 . ПМЦ 1395437 . ПМИД 16501114 .
- ^ Цуй Ю, Ли Х, Зельич К, Шань С, Цю Цз, Ван Цз (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 . ПМИД 31550131 . S2CID 202762218 .
- ^ 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 .
- ^ Шерер Ф., Антон М., Шиллингер У., 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 . ПМИД 11857068 . S2CID 1565485 .
- ^ Фус-Куява, Агнешка; Прус, Павел; Байдак-Русинек, Каролина; Тепер, Полина; Гаурон, Кэтрин; Ковальчук, Агнешка; Сиерон, Александр Л. (20 июля 2021 г.). «Обзор методов и инструментов трансфекции эукариотических клеток in vitro» . Границы биоинженерии и биотехнологии . 9 : 701031. doi : 10.3389/fbioe.2021.701031 . ISSN 2296-4185 . ПМЦ 8330802 . ПМИД 34354988 .
- ^ 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 .
- ^ 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 . ПМИД 12880375 . S2CID 865185 .
- ^ 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. дои : 10.1016/j.addr.2011.08.002 . ISSN 0169-409X . ПМК 7103316 . ПМИД 21893135 .
- ^ Сизиков А.А., Харламова М.В., Никитин М.П., Никитин П.И., Колычев Е.Л. (апрель 2021). «Невирусные локально вводимые магнитные векторы для доставки генов in vivo: обзор исследований магнитофекции» . Наноматериалы . 11 (5): 1078. дои : 10.3390/nano11051078 . ПМК 8143545 . ПМИД 33922066 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ 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 . ПМИД 11857068 . S2CID 1565485 .
- ^ 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. дои : 10.1016/j.addr.2011.08.002 . ISSN 0169-409X . ПМК 7103316 . ПМИД 21893135 .
- ^ 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 . ПМИД 11857068 . S2CID 1565485 .
- ^ 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 . ПМИД 11857068 . S2CID 1565485 .
- ^ Сантори М.И., Гонсалес К., 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 . ПМИД 17406278 . S2CID 23641355 .
- ^ 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 .
- ^ Кастильо, Бецаида; 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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. дои : 10.1016/j.addr.2010.05.006 . ISSN 0169-409X . ПМИД 20685224 .
- ^ 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 .
- ^ 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 . ПМК 3405876 . ПМИД 22848170 .
- ^ 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 .
- ^ Вальдиглесиас, Ванесса; Килич, Гёзде; КОСТА, Карла; Фернандес-Бертолес, Наталья; ПАСАРО, Эдуардо; ТЕЙШЕЙРА, Жуан 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 . ПМИД 25209650 . S2CID 46117152 .
- ^ 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
[ редактировать ]- Майр Л., Форд К., Алам М., Коле Р., Фишер М., Superfine R. (апрель 2009 г.). «Частицы размером 200 нм однородного размера: изготовление и применение для магнитофекции» . Журнал биомедицинских нанотехнологий . 5 (2): 182–191. дои : 10.1166/jbn.2009.1024 . ПМК 2818021 . ПМИД 20055096 .