• Aucun résultat trouvé

Gelatin is a natural, biocompatible, and nontoxic macromolecule, obtained by the partial hydrolysis  of collagen derived from the skin, white connective tissue, and bones of animals. Various types of 

gelatin are available based on the preparation method from collagen, the source of collagen,  conditions during extraction, pH, thermal history, electrolyte, and impurities or  additives. In  general, gelatin obtained by an acid‐treated hydrolysis is known as type A, and gelatin obtained by  a base‐treated process is known as type B. Gelatin has average molecular weight ranging from  20,000 to 250,000 Da. The protein fractions include various amino acids linked together by an  amide linkage, with the major amino acids being glycine, proline, hydroxyproline, and glutamic acid  accounting for 25.5%, 18.0%, 14.1%, and 11.4%, respectively [27]. Mainly, the functional groups of  the amino acids and the N‐ and C‐terminal groups result in the amphoteric character of gelatin; that  is, in acidic solution, the polymer is positively charged, whereas, in alkaline solution, it is negatively  charged. However, gelatin possesses an isoelectric point ranging between 4.8 and 9.4, with acid‐

processed gelatin having higher isoelectric points than base‐processed gelatin [28]. Gelatin is an  attractive agent owing to the fact that it is natural, biodegradable, biocompatible in physiological  environments, edible, water permeable, and insoluble in cold water, whereas completely soluble in  hot water. Drawbacks related to its animal origin, such as eventual remnants of animal proteins or  infectious agents, may be circumvented using recombinant technology to enhance reproducibility  and safety of the material. Gelatin is widely used in pharmaceutical, medical, cosmetic and food  products as gelling, thickening, binding, and stabilizing agent [27]. 

Gelatin is commonly formulated as micro‐ or nanospheres. However, gelatin is usually cationized  first by introducing amino groups via the addition of ethylenediamine and ethylene dichloride [29,  30]. In order to produce microspheres, the emulsification‐coacervation method in water‐in‐oil  (w/o) emulsions is adopted, where aqueous solution of cationized gelatin is added dropwise into  the oil phase under continuous stirring to yield a water‐in‐oil emulsion. After the gelation of the  gelatin aqueous solution, the resulting microspheres are collected, washed with ice‐cold acetone  and crosslinked with glutaraldehyde [29, 31]. On the other hand, gelatin nanospheres are produced  from cationized gelatin by a coacervation method, where acetone or ethanol, as a non‐solvent, is  added to aqueous gelatin solution under stirring. Likewise, the resulting nanospheres formed can  be cross‐linked by adding glutaraldehyde [30, 32]. Besides cationization, other gelatin‐modifications  reported   include PEGylation to increase in vivo stability and elongate circulation times [33],  thiolation to promote intracellular delivery to rapidly proliferating tumor cells [34] as well as  incorporating specific targeting ligands for active cell targeting such as epidermal growth factor  receptor (EGFR)‐targeting peptide [35].  

Moreover, another formulation strategy was reported by Kadengodlu et al. [36] where they  developed cationic cholesterol‐modified gelatin (cCMG) that formed polymeric micelles in an  aqueous solution and demonstrated an excellent ability in delivering siRNA in vivo. Cholesterol was  modified with an amino group. By the 1‐ethyl‐3‐ (3‐dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC)  coupling method, the amino‐modified cholesterol was allowed to conjugate with the carboxyl  groups of the Asp and Glu residues present in the recombinant human gelatin (rhG), which  ultimately quenched the negative charges. Therefore, when dispersed in an aqueous solution,  cCMG displayed an overall positive charge and was found to be cationic in nature. cCMG showed  superior stability wherein neither the size nor the zeta potential of the polymeric micelles were  affected after incubation at 37oC in PBS for 24 h. The positively charged cCMG formed a stable  complex with the negatively charged siRNA and therefore increased the half‐life of siRNA by  protecting it from enzymatic degradation. 

Moving  to  in  vivo  experiments,  earlier  reports  of  siRNA  delivery  utilized  cationized  gelatin  microspheres to deliver plasmid DNA (pDNA) expressing small interference RNA. Matsumoto et al. 

[37] complexed cationized gelatin with pDNA coding for anti VEGF siRNA, with the aim to increase  cellular uptake and prolong the release of the siRNA following an intratumoral injection. Results  showed that a marked reduction in vascularity accompanied the suppression of VEGF production in  the transfected tumor. Fluorescent microscopy studies showed that the complex of VEGF siRNA  with cationized gelatin microspheres was still present in the tumor 10 days after injection, while  free siVEGF had vanished by that time. These data suggest that cationized gelatin microspheres  containing VEGF siRNA can be used to normalize tumor vasculature and inhibit tumor growth in a  NRS‐1 squamous cell carcinoma xenograft model. A similar approach was adopted by Kushibiki et  al. [38] who investigated the feasibility of using cationized gelatin complexed with pDNA encoding  for anti‐transforming growth factor‐β (TGF‐β siRNA) for the treatment of renal interstitial fibrosis, a  common pathway of chronic renal disease, leading to end‐stage renal failure. TGF‐β is one of the  primary mediators that induce accumulation of extracelluar matrix in the fibrotic area, therefore it  was expected that local suppression of TGF‐β receptor is one of the crucial strategies for anti‐

fibrotic therapy. A pDNA of TGF‐  β R siRNA expression vector with or without complexation of a  cationized gelatin was injected to the left kidney of mice via the ureter. Unilateral ureteral  obstruction (UUO) was performed for the injected mice to evaluate the anti‐fibrotic effect. Injection  of pDNA‐cationized gelatin complex significantly decreased the level of TGF‐β and α‐smooth muscle 

actin over‐expression, the collagen content of mice kidney, and the fibrotic area of renal cortex, in  comparison to free pDNA injection.  

More recently, Xia et al. [39] utilized cationized gelatin microspheres (CGM) loaded with anti‐Heat  Shock  Protein  47  siRNA  (HSP47  siRNA)  in  an  attempt  to  reduce  the  progression  of  renal  tubulointerstitial fibrosis in a mouse model, as HSP47 is a collagen‐specific molecular chaperone  and plays an essential role in regulating collagen synthesis. Treatment with the HSP47 siRNA‐CGM  complex  prolonged  the  blocking  effect  for  HSP47  expression  compared  to  HSP47  siRNA  administered alone, and consequently, the HSP47 expression was markedly diminished even after  14 days and amelioration of the collagen accumulation was observed, indicating a prolonged  activity of the delivery system. Successively, the same group went further with this therapeutic  system  (HSP47  siRNA‐CGM)  and  reported  successful  prolonged  activity  in  suppressing  the  development of peritoneal fibrosis in mice [29]. Authors have shown that release of the siRNA  cargo was continued over 21 days due to the slow degradation of gelatin microspheres, and thus, a  single injection of (HSP47 siRNA‐CGM) suppressed collagen expression and macrophage infiltration,  thereby preventing peritoneal fibrosis. Nakamura et al. [31] also reported about efficient controlled  delivery  of  siRNA  molecules  from  cationized  gelatin  microspheres.  With  the  aim  to  treat  autoimmune alopecia (alopecia areata), the group has loaded T‐box 21siRNAs conjugated into  cationized gelatin microspheres to suppress the expression of the interferon‐γ gene, believed to  play a crucial role in this disease, and administered them by subcutaneous injection to alopecic  mouse models. Cationized gelatin microspheres were gradually processed in the skin and, in turn,  released their cargo of siRNA slowly into the surrounding tissue. Cationized gelatin‐conjugated T‐

box 21 siRNA injections were more effective in improving hair growth than naked T‐box 21 siRNA  injections or non‐sense siRNA conjugated with cationized gelatin. There was no recurrence of  alopecia in the mice during a 2‐month observation period after the cessation of T‐box 21 siRNA  application. This might be attributed to the successful elongated suppression of T‐box 21 protein as  proved by Western blotting. 

Further developments for oral delivery of siRNA were reported using a multi‐compartmental  particle system called NiMOS, which stands for “Nanoparticles‐in‐Microspheres Oral System”. The  idea behind is to protect the therapeutic load and facilitate their uptake into GIT tissue cells of  interest by prolonging exposure time of the encapsulating particles with the targeted cells, and  controlled release of the payload via slow dissolution of the vehicle matrix. The delivery system is 

composed of gelatin nanoparticles encapsulated within poly(ε‐caprolactone) microspheres and was  proven to have promising potential for oral delivery of pDNA [40]. In an attempt to improve current  treatments for inflammatory bowel disease (IBD), Kriegel et al. employed NiMOS to deliver anti‐

TNF‐α siRNA orally [32], and afterwards to deliver both anti‐TNF‐α siRNA and cyclin D1 (CyD1)  siRNA in one oral formulation [41]. The central hypothesis of this work was that gene down‐

regulation or silencing of one or more pro‐inflammatory cytokines involved in IBD such as TNF‐α,  accomplished by successful oral siRNA delivery, can at least temporarily restore the delicate  balance between pro‐ and anti‐inflammatory markers. Experiments aim to evaluate the gene  silencing capability of multiple genes through dual oral siRNA delivery as a means to further  alleviate the symptoms of IBD in a murine model of colitis, thus intensifying the silencing of pro‐

inflammatory markers and multiplying the efficacy of the treatment. Small interfering RNA targeted  against TNF‐α and CyD1 was entrapped within NiMOS either separately or in combination. Blank  NiMOS, NiMOS loaded with scramble or inactive siRNA sequence were used as controls.  Three days  after the last NiMOS dose had been received, combined siRNA treatment of TNF‐α and CyD1  resulted in a more potent down‐regulation of TNF‐α mRNA expression rather than single siRNA  administration. At a later time‐point, all silencing NiMOS (TNF‐α, CyD1, TNF‐α/CyD1) resulted in  significantly reduced TNF‐α mRNA levels  with respect to all remaining control groups, with minor  differences in their transcription level. Dual treatment was not able to silence CyD1on an mRNA  level as effectively as single treatment of CyD1 NiMOS, which can potentially be ascribed to a  dilution effect stemming from the TNF‐α siRNA. In addition, successful gene silencing with the aid  of dual siRNA treatment suppressed expression of several pro‐inflammatory cytokines (interleukin‐

1α and ‐β, interferon‐γ), an increase in body weight, and reduced tissue myeloperoxidase activity,  while the silencing effect of CyD1 siRNA or dual treatment was more potent than with TNF‐α siRNA  alone [41]. 

5 Cyclodextrins (CDs)

CDs are enzymatically modified starch derivatives with a donut shape or a truncated cone and are  made from D‐glucopyranose units connected through α‐(1‐4) linkages. Each CD type is designated  by a Greek letter according to the number of glucose units. For instance,  α‐,  β‐ and  γ‐CDs are  produced commercially and consist of 6, 7 and 8 glucose units, respectively (Figure 2). All these  exhibit low toxicity [42]. The three‐dimensional structure of a CD is such that the inner cavity 

surface is hydrophobic, and the exterior of the cavity is hydrophilic, giving a unique structure that  enables the CDs to include a wide variety of compounds to form host-guest inclusion complexes. 

Among the three natural CDs, the  β‐CD is currently the most widely used, and also the most  thoroughly studied. CDs have been proven to be safe and tolerable in numerous toxicological and  clinical tests and the use of CDs in controlled release applications is well known [43]. 

  Figure 2: (a) Chemical structure of the three main types of cyclodextrins. (b) Truncated cone structure of γ‐

CD. 

 

CDs have recently been applied as delivery vehicles for siRNA, which has led to a surge of interest in  this area [44]. However, for complexing negatively charged siRNA molecules, a positive charge is  needed. Thus, "Cyclodextrin containing polycations" also known as "Cyclodextrin based polymers" 

(CDPs) were used. CDP is a short polycation (Figure 3) in the form of linear polymer, formed by a  condensation polymerization reaction between a bi‐functionalized CD co‐monomer and a second  bi‐functionalized comonomer that contains the positive charge centers. CDPs assemble with nucleic  acids (polyanions) primarily via electrostatic interactions forming nanoparticles where the nucleic  acids are completely protected from nuclease degradation [45].  

  Figure 3: Schematic of linear, water‐soluble cyclodextrin containing polymers (CDPs). (a) Generalized  structure of polymers where A represents a segment of the polymer that comes from one comonomer  (typically containing the cyclodextrin), B represents a segment of the polymer that comes from the other  comonomer, C is the charge center, and S is the spacer between A and C. (b) Specific example of a polymer  with labeled A, B, C, and S. “Adapted with permission from ref [108]. Copyright 2004 CRC Press. Taylor and  Francis Group”. 

 

CDPs are very interesting structures not only because they maintain CD tolerability and lack of  immunogenicity [46], but also because the CD units residing on the surface of the particles are used  to functionalize the particle with moieties conferring stability, specific targeting and endosome  escaping properties to the dosage form (Figure 4). For example, CD is able to form inclusion  complex with adamantane (AD). This property was used to functionalize the CDP‐siRNA particles 

with the steric stabilization agent adamantane‐PEG (AD‐PEG) and the targeting agent adamantane‐

transferrin (AD‐PEG‐Tf) for targeting cancer cells. Moreover, to improve the particles’ ability to  escape endosomal vesicles, imidazole moieties were incorporated which were reported to cause a  pH buffering effect [47]. Alternatively, the presence of amino‐cholesterol derivatives induces  conversion of membrane lipids from the Lα to the HII phase, thereby causing disruption of the  endosomal membrane under endosomal pH conditions [48]. Both techniques and others enhance  siRNA release into the cytoplasm. The fabrication, functionalization and different applications of  CDPs have been recently reviewed [44‐46].  

 

Figure 4: Schematic representations of the Adamantane‐PEG (AD‐PEG), Adamantane‐PEG‐transferrin (AD‐

PEG‐Tf) inclusion complex formation with the cyclodextrin (CD) aiming to functionalize a  CDP‐siRNA particle. 

"Adapted with permission from (Davis, M.E. The first targeted delivery of siRNA in humans via a self‐

assembling, cyclodextrin polymer‐based nanoparticle: from concept to clinic. Mol Pharm, 2009. 6(3): p. 659‐

68.). Copyright (2009) American Chemical Society." 

 

Several authors have published about various designs of CD‐based delivery systems of siRNA,  however, according to the scope of this chapter we will describe only selected examples of these  trials that moved beyond cellular tests to in vivo studies. Hu‐Lieskovan et al. [49] used a CDP  structure similar to the one illustrated in Figure 4, to study the systemic delivery of sequence‐

specific small interfering RNA (siRNA) targeting knockdown of the EWS‐FLI1 gene. The particle  included imidazole‐modified CDP to bind and protect siRNA, transferrin as a targeting ligand for  delivery  to  transferrin  receptor–expressing  tumor cells, and  PEG  at  the  particle surface  for  stabilization. Both,  transferrin  and PEG were attached via inclusion complex formation between  the terminal adamantane and the cyclodextrins. The delivery system efficiently inhibited tumor 

growth in a murine model of metastatic Ewing’s sarcoma where only 20% of the mice receiving  treatment showed any tumor growth compared with 90 to 100% in other control groups. Removal  of the targeting ligand or the use of a control siRNA sequence eliminated the antitumor effects. 

Additionally, no abnormalities in IL‐12 and IFN‐α, liver and kidney function tests, complete blood  counts, or pathology of major organs were observed during long‐term administrations. The same  delivery system was used for an in vivo toxicological study by Heidel et al. [50] to deliver escalating  i.v. doses of siRNA targeting the M2 subunit of ribonucleotide reductase to cynomolgus monkeys. 

Administration of doses of 3 and 9 mg siRNA/kg, respectively, were well tolerated. At 27 mg  siRNA/kg, a very high dose about 20–100 times larger than those that have shown efficacy in mouse  models (when doses are extrapolated across species on a body surface area basis), elevated levels  of blood urea nitrogen and creatinine are observed that are indicative of kidney toxicity. Mild  elevations in alanine amino transferase and aspartate transaminase at this dose level indicated that  the liver was also affected to some extent. Also, a mild increase in immune response at high doses  was noted. 

In another report, Guo et al. [51] designed targeted cyclodextrin‐based nanoparticles loaded with  anti‐VEGF siRNA and examined their efficacy in a mouse prostate carcinoma model.  Β‐CD was  modified on the primary side with a cationic group, guanidino, which is reported to enhance cell  penetration [52] beside its role in complexing the siRNA. A click chemistry approach was used to  modify the CD on the secondary side with a PEG chain to produce G‐CD‐PEG. The PEG chain was  designed to mask any residual charge, to reduce toxicity and to enhance stability. In addition, the  PEG chain was used as a spacer to attach the targeting ligand anisamide resulting in the synthesis of  a targeted PEGylated CD, G‐CD‐PEG‐AA. Anisamide moiety is reported to have high affinity to the  sigma  receptor,  a  membrane‐bound  protein  known  to  be  overexpressed  in  many  human  malignancies including prostate cancer. In vivo studies showed that neither naked VEGF‐siRNA, G‐

CD‐PEG‐AA alone, nor VEGF‐siRNA formulated with G‐CD‐PEG (without the anisamide targeting  moiety), had a significant effect on tumour growth compared to the negative control (PBS). Only G‐

CD‐PEG‐AA/VEGF‐siRNA particles achieved a significant (p < 0.05) inhibitory effect relative to the  vehicle alone and approximately a 3‐fold reduction in tumor volume relative to PBS, indicating that  the improved down‐regulation of VEGF expression is due to site‐specific delivery of siRNA by G‐CD‐

PEG‐AA. 

Brahmamdam et al. [53] have reported a potential application of siRNA‐based therapy for the  treatment of infectious diseases. The authors used a CDP‐based transferrin‐ targeted delivery  vehicle to administer siRNA to Bim and PUMA, the two key cell death proteins that are markedly  upregulated during sepsis. The study was conducted in mice immediately after cecal ligation and  puncture to show that antiapoptotic therapy could markedly decrease lymphocyte apoptosis and  prevent the loss of splenic CD4 T and B cells as confirmed by flow cytometry. The study also  demonstrated the possibility of simultaneous targeting of two critical mediators of sepsis‐induced  apoptosis. The system effectively delivered the siRNA to immune effector cells with no noticeable  off‐target effects, suggesting a major advancement for the treatment of infectious disease. 

Grafting CD units with dendrimers has gained increasing interest in the scientific community. 

Dendrimers are highly branched tree‐like polymers that can be used in masking the charge of siRNA  long enough for in vivo delivery. Among the various dendrimer conjugates with CD units, the  dendrimer (G3) conjugate with α‐CD displayed remarkable properties as siRNA delivery carrier [54]. 

Hayashi et al. [55] prepared lactosylated dendrimer (G3) conjugates with α‐cyclodextrin (Lac‐α‐CD  (G3)) as novel hepatocyte‐specific siRNA carriers in order to treat transthyretin (TTR)‐related  familial amyloidotic polyneuropathy (FAP). Functionalization with lactose was found to improve  asialoglycoprotein receptor (AgpR)‐mediated hepatocyte‐selective nucleic acids transfer activity,  both in vitro and in vivo. The Lac‐α‐CD/siRNA complexes at the dose of 1 mg/kg siRNA lowered TTR  mRNA expression suggesting that the Lac‐α‐CD/siRNA complex has the potential to induce the in  vivo RNAi effect in the liver of mice after intravenous administration. Furthermore, to improve the  siRNA transfer activity and to solve the lack of target specificity of  α‐CD (G3), Arima et al. [56] 

prepared  folate‐polyethylene  glycol  (PEG)‐appended  α‐CDs  (G3)  with  various  degrees  of  substitution of folate (DSF), and evaluated their siRNA transfer activity to folate receptor (FR)‐

overexpressing cancer cells in vitro and in vivo. Of the three Fol‐PEG‐αCDs (G3, DSF 2, 4 and 7), Fol‐

PEG‐αCD (G3, DSF 4) had the highest siRNA transfer activity in KB cells (FR‐positive). Fol‐PEG‐αCD  (G3, DSF 4) was endocytosed into KB cells through FR. No cytotoxicity of the siRNA complex with  Fol‐PEG‐αCD (G3, DSF 4) was observed in KB cells (FR‐positive) or A549 cells (FR‐negative) up to the  charge ratio of 100/1 (carrier/siRNA). In addition, the siRNA complex with Fol‐PEG‐αCD (G3, DSF 4)  elicited neither interferon response nor inflammatory response. Importantly, the siRNA complex  with Fol‐PαC (G3, DSF 4) tended to show in vivo RNAi effects after intratumoral injection and  intravenous injection in tumor cells‐bearing mice, and fluorescently labeled Fol‐PEG‐αCD (G3, DSF 

4) were shown to accumulate in tumor tissues after intravenous injection in these mice. More  information on the use of dendrimers‐CD conjugates can be found in this review [54].

Interestingly, Calando Pharmaceuticals (Pasadena, CA, USA) has been successful in advancing their  CD  based  siRNA/oligonucleotide  nanoparticle  delivery  (RONDEL)  technology  toward  clinical  application [45, 46]. This platform consists of a CDP, PEG as a steric stabilizing agent and human Tf  as the targeting ligand for binding to Tf receptors that are typically upregulated in cancer cells. The 

Interestingly, Calando Pharmaceuticals (Pasadena, CA, USA) has been successful in advancing their  CD  based  siRNA/oligonucleotide  nanoparticle  delivery  (RONDEL)  technology  toward  clinical  application [45, 46]. This platform consists of a CDP, PEG as a steric stabilizing agent and human Tf  as the targeting ligand for binding to Tf receptors that are typically upregulated in cancer cells. The