• Aucun résultat trouvé

Among non‐viral vectors, chitosan and chitosan derivatives have also gained increasing interest as  potential  siRNA  delivery  systems  because  of  their  cationic  charge,  biodegradability  and  biocompatibility,  as  well  as  their  mucoadhesive  and  permeability‐enhancing  properties  [72]. 

Chitosan is obtained by deacetylation of chitin, which is the structural element in the exoskeleton  of crustaceans (crabs, shrimp, etc.) and cell walls of fungi. It is a biodegradable polysaccharide  consisting of repeating D‐glucosamine and N‐acetyl‐ D‐glucosamine units, linked via (1–4) glycosidic  bonds (Figure 6) [73].  

  Figure 6: Chemical structure of chitosan 

 

Every deacetylated subunit of chitosan contains a primary amine group with a pKa value of about  6.5. Therefore, chitosan is soluble in acidic media and insoluble at neutral and alkaline pH values. In  addition to pH, the solubility of chitosan is greatly influenced by the degree of deacetylation,  molecular weight and ionic strength of the solution. In the physiological environment, chitosan can  be digested by lysozymes, which can be produced by the normal flora in the human intestine [74] 

or exist in the blood [75]. Therefore, it has been widely used in pharmaceutical research and in  industry as a carrier for drug delivery. The potential use of chitosan as a siRNA delivery system is  based on its cationic charge. At acidic pH, below the pKa, the primary amines in the chitosan  backbone  become  positively  charged.  Interaction  between  the  positively  charged  chitosan  backbone and negatively charged DNA/siRNA leads to the spontaneous formation of nano‐size  polyelectrolyte complexes (PECs) in aqueous media. At a sufficient nitrogen to phosphate (N:P)  charge ratio, chitosan can condense siRNA to sizes compatible with cellular uptake while efficiently  preventing nucleases from accessing the enclosed nucleic acid drugs by steric protection [76]. 

Several factors are to be considered when formulating chitosan for siRNA delivery [72]. Chitosan  Mw has been shown to influence the physicochemical properties (size, zeta potential, morphology  and complex stability) of the formed chitosan‐siRNA complex. Higher Mw chitosan was reported to  offer higher degree of protection, however, dissociation of the complex at the target site is delayed,  and vice versa. Thus, an appropriate balance needs to be achieved between protection and release  for siRNA biological functionality with chitosan of the desired Mw. Another critical factor is the  degree of deacetylation (DD), i.e. the percentage of deacetylated primary amine groups along the  molecular chain, which subsequently determines the positive charge density when chitosan is  dissolved at acidic conditions. A high DD (over 80%) has been identified as an important factor for  increased binding capacity and efficient siRNA‐mediated knockdown. In the same context, it is  important to mention that an optimized N/P ratio is of crucial importance (N/P ratio refers to the  ratio of amine groups in chitosan to the phosphate groups in RNA backbone). It is now established  that, as with all polycation‐based gene delivery systems, the most efficient N/P ratios for chitosan  gene expression usually involve N/P ratios of at least 3–5 and sometimes of up to 30 [77, 78]. Also,  the concentration of the polyion solution may affect PECs properties. A sufficiently diluted solution  is required to ensure reproducibility of the coacervation process. Moreover, properties of the  chitosan–siRNA nanoparticles are also influenced by chitosan salt form. Chitosan glutamate, which  had a higher Mw than chitosan hydrochloride, produced smaller siRNA complexes with higher 

loading capacity and a much better gene silencing effect in CHO K1 cells at 24 h post‐transfection  compared to chitosan hydrochloride. Furthermore, based on a recent study [79] using atomic force  microscopy (AFM), the interaction strengths between siRNA and chitosan were pH‐dependent and  the adhesive interactions decreased as the pH was increased from 4.1 to 9.5. These findings were  related to the decrease in charge density as well as solubility upon increasing pH, both of which  leading to aggregation and poor stability of chitosan‐based formulations at physiological pH [77]. 

However, chitosan has some disadvantages that scientists had to tackle to improve its suitability for  delivery of siRNA, in particular, poor stability in biological fluid, nonspecific cellular uptake and the  low transfection ability of chitosan [72]. These improvements took place mainly in the form of  chemical modifications. Selected examples are shown in Table 1. It is important to mention that we  are here listing strategies aiming to improve intracellular uptake of chitosan complexes although  some of these were not applied for siRNA delivery. Specific examples of the use of chitosan for  delivery of siRNA will follow afterwards. 

Being positively charged, chitosan complexes are subjected to electrostatic neutralization reaction  with negatively charged serum albumins and other proteins leading to aggregation and fast  clearance. To minimize these non‐specific interactions, hydrophilic polymers, such as PEG, can be  conjugated to chitosan. The presence of PEG on the surface of polyplexes also provides stabilization  by reducing inter‐particular aggregation [80]. In vivo studies showed that, compared with standard  chitosan, transgene expression in the liver of rats transfected with PEGylated chitosan can be  significantly increased one day after bile duct infusion and 3 days after portal vein infusion [81],  which  is  hypothesized to be due to  reduction  of  opsonization  of the  chitosan  polyplex or  prolongation of the blood circulation time of the complex after PEGylation. This hypothesis is  supported by a recent study showing that PEGylation of chitosan can not only avoid clearance of  the intracaudal‐venously infused polyplex by Kupffer cells in mice, but also increase the amount of  the transfecting agent reaching the liver and tumor sites [82]. In addition, chitosan lacks cell  specificity and thus cellular uptake of chitosan‐based nanoparticles mostly occurs via non‐specific  adsorptive endocytosis, depending on the surface properties of the nanoparticles [83]. To improve  cellular uptake efficiency and specificity toward the target cells, chitosan carriers are often modified  by conjugating a cell‐specific ligand, which specifically recognizes and binds to membrane‐bound  proteins of target cells. The specific ligand–receptor interaction leads to cellular uptake of the  chitosan/siRNA polyplexes via receptor‐mediated endocytosis. To increase the cell specificity, 

several ligands such as transferrin‐ [84, 85], folate‐ [86], mannose‐ [87] and galactose‐ [88] 

conjugated chitosans have been designed and evaluated for receptor‐mediated endocytotic gene  delivery, as summarized in Table 1. Moreover, chitosans were also modified to increase proton  sponge capacity using arginine [89], histidine [90], urocanic acid [91], imidazole [92] or PEI [93] to  facilitate endosomal escape. Furthermore, the sensitivity of the chitosan complex to pH change  influences the stability of the complex and therefore the transfection efficiency. To improve the  poor water solubility of chitosan at physiological pH and its low transfection efficiency, several  chitosan derivatives have been synthesized in the last few years for different purposes. In a recent  review, chitosan structure modification was described in detail [94]. To address the solubility issue,  i.e. decrease of the sensitivity of the chitosan complexes to pH and enhance gene transfection, a  series of hydrophilic chitosan derivatives were synthesized. Application of modified chitosan, such  as trimethyl (quaternized) chitosan [95], PEGylated chitosan [81], PEGylated trimethyl chitosan [96] 

and low Mw soluble chitosan [97], could potentially circumvent the known solubility issues. 

Moreover,  the  addition  of  hydrophobic  units  to  chitosan  vectors  are  expected  to  increase  transfection efficiency by modulating complex interactions with cells, such as adsorption on cell  surfaces and cell uptake [98]. Hydrophobic units may also assist dissociation of siRNA from the  complexes, to facilitate release of cargo that would otherwise be strongly bound through ionic  interactions between cationic units and the phosphates of RNA. For these purposes, a series of  hydrophobically modified chitosans, such as deoxycholic acid chitosan [99], N‐alkylated chitosan  [100], stearic acid–chitosan [101], urocanic acid‐modified chitosan [91], and thiolate chitosan [102] 

were studied, as listed in Table 1. 

   

Table 1: Representative examples of chitosan derivatives “Adapted from reference [72]. Copyright 2010,  with permission of Elsevier.” 

Types  of  modification 

Derivatives studied  Underlying principles of transfection enhancement  Ref 

Hydrophilic  modification 

PEG–chitosan  Improve stability, reduce the opsonization, elongate the plasma  circulation time 

[81] 

Quaternized  chitosan  (TMC) 

Make the chitosan soluble over wide pH range, increased  transfection efficiency 

[95]

PEG‐g‐TMC  Improve stability, reduce particle sizes of complexes  [96]

Glycol chitosan  Facilitate  endocytic  uptake  of  the  complex  and  enhancing  transfection efficiencies in vitro as well as in vivo

[109] 

6‐Amino‐6‐deoxy‐chitosan  Enhance water solubility in at neutral pH, showed transfection  efficiency  superior to chitosan  

[110] 

Arginine–chitosan  Improve its water solubility and enhance its gene transfection  efficiency  

[111] 

PEI–chitosan  Enhance transfection efficiency with low cytotoxicity owing to  induction of proton sponge effect by PEI. 

[112] 

Chitosan‐g‐L‐phenylalanine  A higher degree of swelling and faster degradability   [113]

Hydrophobic  modification 

Deoxycholic  acid‐modified  chitosan 

Increase  of  cell  membrane–carrier  interactions  and/or  destabilization of cell membrane  

[114] 

Alkylated chitosan  Easier unpacking of DNA from carriers, enhance perturbation of  the model membrane system and increase the entry into cells 

[100] 

5b‐cholanic acid  modified  glycol chitosan (CGC) 

Decrease particle size and improved stability against serum  facilitate endocytic uptake  

[109] 

Stearic acid–chitosan  Increase endosomal escape    [101] 

Thiolate chitosan  Possess  enhanced  mucoadhesiveness  and  cell  penetration  properties  

Enhance  endosomal  rupture  through  proton  sponge  mechanism.  

[91] 

Hybrid chitosan/CD  Promote cellular uptake, and decrease the cytotoxicity of the  system 

Efficiently transfer nucleic acid through receptor‐mediated  endocytosis mechanism  

[84]

Folate–chitosan  ligand for targeting cell membrane and allows nanoparticles  endocytosis via the folate receptor (FR)  

[86]

Galactosylated chitosan  Induce  the  receptor‐mediated  endocytosis  to  bind  asialoglycoproteins (ASGP) for hepatocyte‐targeting 

[88] 

Mannosylated chitosan  Induce the receptor‐mediated endocytosis for targeting into  antigen presenting cells (APCs).  

[95] 

Gal‐PEG‐CHI‐g‐PEI  Improve hepatocyte specificity and transfection efficiency   [118] 

Galactosylated  chitosan‐  KNOB protein  conjugated 

chitosan 

Many groups have taken these approaches a step further by testing some of them in vivo. He et al. 

[103] developed trimethyl chitosan‐cysteine (TMC‐Cyst) NPs for in vivo delivery of tumor necrosis  factor  α (TNF‐α) siRNA via oral gavage and intraperitoneal injection. TMC conjugates of different  MWs were synthesized and siRNA loaded TMC‐Cyst NPs were prepared through ionic gelation with  sodium tripolyphosphate (TPP). NPs had particle sizes below 160 nm and ζ potentials of around 30  mV. The siRNA encapsulation efficiencies were up to 84.7%. The presence of cysteine granted the  delivery system a glutathione (GSH)‐responsive release profile, meaning that high release rates are  only encountered intracellularly where GSH concentrations are elevated (10 mM), compared to  lower concentrations in the extracellular compartments (4.5 µM). Lipopolysaccharide/D‐GalN‐

induced acute hepatic injury characterized by the overexpression of TNF‐α was adopted in a mouse  model to evaluate the RNAi efficiency mediated by siRNA TMC‐Cyst NPs via single oral gavage or  intraperitoneal injection. Orally delivered TMC‐Cyst NPs at a siRNA dose of 200 μg/kg significantly  provided higher  TNF‐α  knockdown compared  to intraperitoneal  injection of  the  same  dose  (knockdown was up to 74% and 39%, respectively). Neither the naked TNF‐α siRNA nor TMC‐Cyst  NPs containing scrambled siRNA evoked any RNAi effect. Another study by the same group [104] 

utilized mannose‐modified trimethyl chitosan‐cysteine (MTC) conjugate nanoparticles to deliver  TNF‐α siRNA orally. MTC NPs containing low amounts of TNF‐α siRNA (3.75 nM/kg) inhibited TNF‐α  production  in  macrophages  in  vivo,  which  protected  mice  with  acute  hepatic  injury  from  inflammation‐induced liver damage and lethality. Zhang et al. [105] investigated the in vivo  biodistribution after oral administration of nanoparticles prepared by ionic gelation of chitosan, N‐

trimethyl chitosan (TMC), or thiolated trimethyl chitosan (TTMC) with TPP or hyaluronic acid (HA),  encapsulating siRNA. TAMRA‐fluorescently labelled negative control siRNA (TAMRA‐NC siRNA) was  used for in vivo siRNA quantification. Nanoparticles remarkably enhanced the intestinal absorption  of siRNA as compared to the naked TAMRA‐NC siRNA solution, which was evidenced by 8 to 26‐fold  increase in the TAMRA‐NC siRNA plasma concentration . Notably, the intestinal concentration of  the TAMRA‐NC siRNA encapsulated into these nanoparticles decreased with time, while the  distribution of TAMRA‐NC siRNA was increased in plasma, liver, and spleen within 6 h post oral  administration.  Moreover,  TTMC/siRNA/TPP  nanoparticles,  rather  than  other  nanoparticles  examined, showed the highest distribution percentages in most organs and plasma in mice. This  might be attributed to better stability and enhanced intestinal permeation results shown by these  particles in earlier experiments.  

Luo et al. [106] designed an inhalable delivery system for local targeted delivery of siRNA into the  lungs. Chitosan was functionalized with a guanidinium group, reported to enhance cell transfection. 

In  addition,  salbutamol,  a  β2‐adrenergic  receptor  agonist,  was  chemically  coupled  to  the  guanidinylated chitosan (GCS) to improve pulmonary targeting specificity of the siRNA carrier, and  thereby remarkably enhanced the efficacy of gene silencing in the lung. Test formulations were  sprayed directly into the lungs of mice via the endotracheal route using a MicroSprayer aerolizer. 

Transgenic mice expressing green fluorescence protein (GFP) were used in these studies. Results  observed by confocal laser scanning microscopy  showed that a significant inhibition of GFP  expression in the bronchial epithelial cells was evident in mice treated with Sul‐SGCS/GFP‐siRNA  compared to GCS/GFP‐siRNA, and both showed a higher inhibition effect compared to the control  mice or mice treated with CS/GFP‐siRNA complex. 

Strategies combining siRNA and small molecule delivery have been proposed in an attempt to  synergize individual effects. Wei et al. [107] designed a “two‐in‐one” nano‐complex to deliver  mTERT  siRNA  and  paclitaxel  (PTX)  by  chitosan‐based  nanoparticles.  N‐((2‐hydroxy‐3‐

trimethylammonium)  propyl)  chitosan  chloride  (HTCC),  a  partially  quaternized  derivative  of  chitosan, has been used as a potential material for developing an oral delivery system because of its  mucoadhesive properties and permeation‐enhancing effects. The tumor suppression effect was  studied following oral administration of these nano‐complexes to xenograft mice models grafted  with Lewis lung carcinoma (LLC) cells. Interestingly, NPs containing both siRNA and PTX showed  significantly higher suppression effect on tumor growth compared to NPs delivering siRNA and PTX  separately, at the same dose level. To explore possible reasons for the effects observed for  separate  NPs  (siRNA/PTX) and  the combinatorial  delivery  system  NPs  (siRNA)+NPs(PTX),  the  distribution of siRNA and PTX in tumor tissue cells was analyzed by flow cytometry and confocal  microscopy. Results indicated that little siRNA could co‐localize with PTX in the combinational  treatment group, suggesting  that  these two payloads were just separately internalized  into  different tumor cells, which would inevitably disperse their firepower against the target. On the  contrary, siRNA could well co‐localize with PTX in the NPs (siRNA/PTX) group, demonstrating that  this formulation could simultaneously deliver siRNA and PTX into the same tumor cells and thus  concentrate their firepower.