Экзосомы способствуют доставке мРНК и миРНК с помощью катионных липосом 2X3-DOPE в мезенхимные клетки сердца крыс in vitro



Цитировать

Полный текст

Аннотация

Актуальность. Доставка нуклеиновых кислот в мезенхимные стволовые клетки (МСК), используемые как модельные объекты в экспериментах in vitro или как терапевтические средства в области регенеративной медицины и онкологии, является активно разрабатываемой задачей. Существующие невирусные системы доставки либо обладают недостаточно высокой эффективностью, либо высокой токсичностью для клеток, что требует разработки новых носителей для трансфекции МСК.

Цель. Показать возможность доставки модельных мРНК и малых интерферирующих РНК (миРНК) в МСК сердца крысы in vitro при помощи оригинальных катионных липосом 2X3-DOPE (1:3 мольн.), а также оценить влияние экзосом в составе гибридных наночастиц с 2X3-DOPE на эффективность доставки РНК.

Материалы и методы. Для выделения экзосом использовали стандартную методику ультрацентрифугирования с последующей характеристикой полученных везикул методами вестерн-блоттинга, просвечивающей электронной и атомно-силовой микроскопии (АСМ), измерение гидродинамического диаметра методом динамического рассеяния света (ДСР). миРНК были получены в ходе химического синтеза, для получения мРНК использовали метод in vitro транскрипции. Комплексы липосом или гибридных наночастиц с РНК формировали путем смешивания компонентов, параметры полученных частиц оценивали методами ДСР и АСМ. Для оценки эффективности доставки РНК в МСК сердца крысы из здорового и ишемизированного миокарда использовали флуоресцентную микроскопию, лазерную сканирующую конфокальную микроскопию, а также проточную цитофлуориметрию.

Результаты. Были получены и охарактеризованы комплексы катионных липосом 2X3-DOPE (1:3 мольн.) cмРНК и 2X3-DOPE, содержащих DSPE-PEG2000 (0.62% мольн.), с миРНК, а также комплексы соответствующих гибридных наночастиц с мРНК или миРНК. Было показано, что катионные липосомы 2X3-DOPEмалоэффективны для доставки мРНК в МСК сердца крысы, в то время как гибридные наночастицы с экзосомами на их основе демонстрируют до 40% трансфицированных клеток. Катионные липосомы 2X3-DOPE, содержащие DSPE-PEG2000, эффективны для доставки миРНК в МСК сердца крысы (до 90% трансфицированных клеток), в то время как использование гибридных наночастиц позволяет достичь 100% трансфицированных клеток, а также более, чем в два раза увеличивает содержание миРНК в клетках при оценке средней интенсивности флуоресценции.

Заключение. Катионные липосомы 2X3-DOPE (1:3 мольн.), модифицированные DSPE-PEG2000 (0.62% мольн), могут рассматриваться как перспективное средство доставки миРНК в МСК как сами по себе, так и в комплексе с экзосомами, Присутствие экзосом в составе гибридных наночастиц увеличивает эффективность трансфекции МСК сердца крысы мРНК и миРНК in vitro.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Олеся Вячеславовна Довбыш

Национальный медицинский исследовательский центр имени В. А. Алмазова; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого; Научно-исследовательский институт гриппа им. А.А. Смородинцева Минздрава России

Email: lesya.dovbysh@mail.ru
ORCID iD: 0009-0005-0924-3118
SPIN-код: 7885-7580
Россия

Вера Валерьевна Высочинская

Национальный медицинский исследовательский центр имени В. А. Алмазова; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого; Научно-исследовательский институт гриппа им. А.А. Смородинцева Минздрава России

Email: veravv2509@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3533-2606
SPIN-код: 2662-5700
Россия

Нина Владимировна Гаврилова

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого; Научно-исследовательский институт гриппа им. А.А. Смородинцева Минздрава России

Email: daughtervgater@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7825-9130
SPIN-код: 1238-1989
Россия

Павел Михайлович Докшин

Национальный медицинский исследовательский центр имени В. А. Алмазова; Институт цитологии РАН

Email: dokshin_pm@almazovcentre.ru
ORCID iD: 0000-0002-0182-009X
SPIN-код: 9896-3742
Россия

Екатерина Геннадьевна Никитина

Национальный медицинский исследовательский центр имени В. А. Алмазова

Email: purrpurr@list.ru
ORCID iD: 0009-0009-0407-3307
Россия

Александp Сергеевич Клочев

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: klochev03@bk.ru
ORCID iD: 0009-0009-9031-6925
Россия

Екатерина Александровна Елпаева

Национальный медицинский исследовательский центр имени В. А. Алмазова; Научно-исследовательский институт гриппа им. А.А. Смородинцева Минздрава России

Email: elpaevak@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8271-0003
SPIN-код: 8201-1590
Россия

Ольга Андреевна Добровольская

Научно-исследовательский институт гриппа им. А.А. Смородинцева Минздрава России

Email: dobrovolskaya.od@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6654-1107
SPIN-код: 2915-5173
Россия

Елена Васильевна Шмендель

МИРЭА – Российский технологический университет

Email: elena_shmendel@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3727-4905
SPIN-код: 7961-5774
Россия

Михаил Александрович Маслов

МИРЭА – Российский технологический университет

Email: mamaslov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5372-1325
SPIN-код: 6451-6580
Россия

Яна Александровна Забродская

Национальный медицинский исследовательский центр имени В. А. Алмазова; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого; Научно-исследовательский институт гриппа им. А.А. Смородинцева Минздрава России

Автор, ответственный за переписку.
Email: zabryaka@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2012-9461
SPIN-код: 3907-8702

кандидат физико-математических наук

Россия

Список литературы

  1. 1. Lai JJ, Chau ZL, Chen S, et al. Exosome Processing and Characterization Approaches for Research and Technology Development. Advanced Science. 2022;9(15):2103222. doi: 10.1002/advs.202103222
  2. 2. Gupta AK, Wang T, Rapaport JA. Systematic review of exosome treatment in hair restoration: Preliminary evidence, safety, and future directions. J Cosmet Dermatol. 2023;22(9):2424-2433. doi: 10.1111/jocd.15869
  3. 3. Familtseva A, Jeremic N, Tyagi SC. Exosomes: cell-created drug delivery systems. Mol Cell Biochem. 2019;459(1-2):1-6. doi: 10.1007/s11010-019-03545-4
  4. 4. Cheng HL, Fu CY, Kuo WC, et al. Detecting miRNA biomarkers from extracellular vesicles for cardiovascular disease with a microfluidic system. Lab Chip. 2018;18(19):2917-2925. doi: 10.1039/C8LC00386F
  5. 5. Kura B, Kalocayova B, Devaux Y, Bartekova M. Potential Clinical Implications of miR-1 and miR-21 in Heart Disease and Cardioprotection. Int J Mol Sci. 2020;21(3):700. doi: 10.3390/ijms21030700
  6. 6. Bellin G, Gardin C, Ferroni L, et al. Exosome in Cardiovascular Diseases: A Complex World Full of Hope. Cells. 2019;8(2):166. doi: 10.3390/cells8020166
  7. 7. Rastogi S, Sharma V, Bharti PS, et al. The Evolving Landscape of Exosomes in Neurodegenerative Diseases: Exosomes Characteristics and a Promising Role in Early Diagnosis. Int J Mol Sci. 2021;22(1):440. doi: 10.3390/ijms22010440
  8. 8. Welch JL, Stapleton JT, Okeoma CM. Vehicles of intercellular communication: exosomes and HIV-1. Journal of General Virology. 2019;100(3):350-366. doi: 10.1099/jgv.0.001193
  9. 9. Sims B, Farrow AL, Williams SD, Bansal A, Krendelchtchikov A, Matthews QL. Tetraspanin blockage reduces exosome-mediated HIV-1 entry. Arch Virol. 2018;163(6):1683-1689. doi: 10.1007/s00705-018-3737-6
  10. 10. Ouattara LA, Anderson SM, Doncel GF. Seminal exosomes and HIV‐1 transmission. Andrologia. 2018;50(11):e13220. doi: 10.1111/and.13220
  11. 11. Zabrodskaya Y, Plotnikova M, Gavrilova N, et al. Exosomes Released by Influenza-Virus-Infected Cells Carry Factors Capable of Suppressing Immune Defense Genes in Naïve Cells. Viruses 2022, Vol 14, Page 2690. 2022;14(12):2690. doi: 10.3390/V14122690
  12. 12. Chen CC, Liu L, Ma F, et al. Elucidation of Exosome Migration Across the Blood–Brain Barrier Model In Vitro. Cell Mol Bioeng. 2016;9(4):509-529. doi: 10.1007/s12195-016-0458-3
  13. 13. Salarpour S, Forootanfar H, Pournamdari M, Ahmadi-Zeidabadi M, Esmaeeli M, Pardakhty A. Paclitaxel incorporated exosomes derived from glioblastoma cells: comparative study of two loading techniques. DARU Journal of Pharmaceutical Sciences. 2019;27(2):533-539. doi: 10.1007/s40199-019-00280-5
  14. 14. Kim MS, Haney MJ, Zhao Y, et al. Development of exosome-encapsulated paclitaxel to overcome MDR in cancer cells. Nanomedicine. 2016;12(3):655-664. doi: 10.1016/j.nano.2015.10.012
  15. 15. Sun D, Zhuang X, Xiang X, et al. A Novel Nanoparticle Drug Delivery System: The Anti-inflammatory Activity of Curcumin Is Enhanced When Encapsulated in Exosomes. Molecular Therapy. 2010;18(9):1606-1614. doi: 10.1038/mt.2010.105
  16. 16. Bryniarski K, Ptak W, Jayakumar A, et al. Antigen-specific, antibody-coated, exosome-like nanovesicles deliver suppressor T-cell microRNA-150 to effector T cells to inhibit contact sensitivity. Journal of Allergy and Clinical Immunology. 2013;132(1):170-181.e9. doi: 10.1016/j.jaci.2013.04.048
  17. 17. Gong C, Tian J, Wang Z, et al. Functional exosome-mediated co-delivery of doxorubicin and hydrophobically modified microRNA 159 for triple-negative breast cancer therapy. J Nanobiotechnology. 2019;17(1):93. doi: 10.1186/s12951-019-0526-7
  18. 18. O’Loughlin AJ, Mäger I, de Jong OG, et al. Functional Delivery of Lipid-Conjugated siRNA by Extracellular Vesicles. Molecular Therapy. 2017;25(7):1580-1587. doi: 10.1016/j.ymthe.2017.03.021
  19. 19. Kanada M, Bachmann MH, Hardy JW, et al. Differential fates of biomolecules delivered to target cells via extracellular vesicles. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015;112(12):E1433-E1442. doi: 10.1073/PNAS.1418401112/SUPPL_FILE/PNAS.1418401112.SAPP.PDF
  20. 20. Barrios MH, Garnham AL, Foers AD, Cheng-Sim L, Masters SL, Pang KC. Small Extracellular Vesicle Enrichment of a Retrotransposon-Derived Double-Stranded RNA: A Means to Avoid Autoinflammation? Biomedicines. 2021;9(9):1136. doi: 10.3390/biomedicines9091136
  21. 21. Wang JH, Forterre A V., Zhao J, et al. Anti-HER2 scFv-Directed Extracellular Vesicle-Mediated mRNA-Based Gene Delivery Inhibits Growth of HER2-Positive Human Breast Tumor Xenografts by Prodrug Activation. Mol Cancer Ther. 2018;17(5):1133-1142. doi: 10.1158/1535-7163.MCT-17-0827
  22. 22. Bellavia D, Raimondo S, Calabrese G, et al. Interleukin 3- receptor targeted exosomes inhibit in vitro and in vivo Chronic Myelogenous Leukemia cell growth. Theranostics. 2017;7(5):1333-1345. doi: 10.7150/thno.17092
  23. 23. Lou G, Song X, Yang F, et al. Exosomes derived from miR-122-modified adipose tissue-derived MSCs increase chemosensitivity of hepatocellular carcinoma. J Hematol Oncol. 2015;8(1):122. doi: 10.1186/s13045-015-0220-7
  24. 24. Izco M, Blesa J, Schleef M, et al. Systemic Exosomal Delivery of shRNA Minicircles Prevents Parkinsonian Pathology. Molecular Therapy. 2019;27(12):2111-2122. doi: 10.1016/j.ymthe.2019.08.010
  25. 25. Alvarez-Erviti L, Seow Y, Yin H, Betts C, Lakhal S, Wood MJA. Delivery of siRNA to the mouse brain by systemic injection of targeted exosomes. Nat Biotechnol. 2011;29(4):341-345. doi: 10.1038/nbt.1807
  26. 26. Lamichhane TN, Jeyaram A, Patel DB, et al. Oncogene Knockdown via Active Loading of Small RNAs into Extracellular Vesicles by Sonication. Cell Mol Bioeng. 2016;9(3):315-324. doi: 10.1007/s12195-016-0457-4
  27. 27. Jeyaram A, Lamichhane TN, Wang S, et al. Enhanced Loading of Functional miRNA Cargo via pH Gradient Modification of Extracellular Vesicles. Molecular Therapy. 2020;28(3):975-985. doi: 10.1016/j.ymthe.2019.12.007
  28. 28. Mondal J, Pillarisetti S, Junnuthula V, et al. Hybrid exosomes, exosome-like nanovesicles and engineered exosomes for therapeutic applications. Journal of Controlled Release. 2023;353:1127-1149. doi: 10.1016/j.jconrel.2022.12.027
  29. 29. Wu S, Yun J, Tang W, et al. Therapeutic m 6 A Eraser ALKBH5 mRNA-Loaded Exosome–Liposome Hybrid Nanoparticles Inhibit Progression of Colorectal Cancer in Preclinical Tumor Models. ACS Nano. 2023;17(12):11838-11854. doi: 10.1021/acsnano.3c03050
  30. 30. Shtam TA, Kovalev RA, Varfolomeeva EY, Makarov EM, Kil Y V, Filatov M V. Exosomes are natural carriers of exogenous siRNA to human cells in vitro. Cell Communication and Signaling. 2013;11(1):88. doi: 10.1186/1478-811X-11-88
  31. 31. Li LM, Ruan GX, HuangFu MY, et al. ScreenFect A: an efficient and low toxic liposome for gene delivery to mesenchymal stem cells. Int J Pharm. 2015;488(1-2):1-11. doi: 10.1016/j.ijpharm.2015.04.050
  32. 32. Ito K, Suda T. Metabolic requirements for the maintenance of self-renewing stem cells. Nat Rev Mol Cell Biol. 2014;15(4):243-256. doi: 10.1038/nrm3772
  33. 33. Clackson T. Regulated gene expression systems. Gene Ther. 2000;7(2):120-125. doi: 10.1038/sj.gt.3301120
  34. 34. Lin Y, Wu J, Gu W, et al. Exosome–Liposome Hybrid Nanoparticles Deliver CRISPR/Cas9 System in MSCs. Advanced Science. 2018;5(4):1700611. doi: 10.1002/advs.201700611
  35. 35. Vysochinskaya V, Shishlyannikov S, Zabrodskaya Y, et al. Influence of Lipid Composition of Cationic Liposomes 2X3-DOPE on mRNA Delivery into Eukaryotic Cells. Pharmaceutics. 2022;15(1):8. doi: 10.3390/pharmaceutics15010008
  36. 36. Zabrodskaya YA, Gavrilova NV, Elpaeva EA, et al. mRNA encoding antibodies against hemagglutinin and nucleoprotein prevents influenza virus infection in vitro. Biochem Biophys Res Commun. 2024;738:150945. doi: 10.1016/j.bbrc.2024.150945
  37. 37. Vysochinskaya V, Zabrodskaya Y, Dovbysh O, et al. Cell-penetrating peptide and cationic liposomes mediated siRNA delivery to arrest growth of chronic myeloid leukemia cells in vitro. Biochimie. 2024;221:1-12. doi: 10.1016/J.BIOCHI.2024.01.006
  38. 38. Théry C, Amigorena S, Raposo G, Clayton A. Isolation and Characterization of Exosomes from Cell Culture Supernatants and Biological Fluids. Curr Protoc Cell Biol. 2006;30(1):3.22.1-3.22.29. doi: 10.1002/0471143030.cb0322s30
  39. 39. Laemmli UK. Cleavage of Structural Proteins during the Assembly of the Head of Bacteriophage T4. Nature. 1970;227(5259):680-685. doi: 10.1038/227680a0
  40. 40. Petukhov IA, Maslov MA, Morozova NG, Serebrennikova GA. Synthesis of polycationic lipids based on cholesterol and spermine. Russian Chemical Bulletin. 2010;59(1):260-268. doi: 10.1007/s11172-010-0071-x
  41. 41. Nečas D, Klapetek P. Gwyddion: an open-source software for SPM data analysis. Open Physics. 2012;10(1):181-188. doi: 10.2478/s11534-011-0096-2
  42. 42. Docshin PM, Karpov AA, Mametov M V., Ivkin DY, Kostareva AA, Malashicheva AB. Mechanisms of Regenerative Potential Activation in Cardiac Mesenchymal Cells. Biomedicines. 2022;10(6):1283. doi: 10.3390/biomedicines10061283
  43. 43. Docshin PM, Karpov AA, Eyvazova ShD, et al. Activation of Cardiac Stem Cells in Myocardial Infarction. Cell tissue biol. 2018;12(3):175-182. doi: 10.1134/S1990519X18030045
  44. 44. Sturm L, Schwemberger B, Menzel U, et al. In Vitro Evaluation of a Nanoparticle-Based mRNA Delivery System for Cells in the Joint. Biomedicines. 2021;9(7):794. doi: 10.3390/biomedicines9070794
  45. 45. Levy O, Zhao W, Mortensen LJ, et al. mRNA-engineered mesenchymal stem cells for targeted delivery of interleukin-10 to sites of inflammation. Blood. 2013;122(14):e23-e32. doi: 10.1182/blood-2013-04-495119
  46. 46. Drzeniek NM, Kahwaji N, Schlickeiser S, et al. Immuno-engineered mRNA combined with cell adhesive niche for synergistic modulation of the MSC secretome. Biomaterials. 2023;294:121971. doi: 10.1016/j.biomaterials.2022.121971
  47. 47. Nowakowski A, Andrzejewska A, Boltze J, et al. Translation, but not transfection limits clinically relevant, exogenous mRNA based induction of alpha-4 integrin expression on human mesenchymal stem cells. Sci Rep. 2017;7(1):1103. doi: 10.1038/s41598-017-01304-3
  48. 48. Fedorovskiy AG, Antropov DN, Dome AS, et al. Novel Efficient Lipid-Based Delivery Systems Enable a Delayed Uptake and Sustained Expression of mRNA in Human Cells and Mouse Tissues. Pharmaceutics. 2024;16(5):684. doi: 10.3390/pharmaceutics16050684
  49. 49. Zhang L, Qiang W, Li MQ, et al. A drug delivery system of HIF-1α siRNA nanoparticles loaded by mesenchymal stem cells on choroidal neovascularization. Nanomedicine. 2024;19(26):2171-2185. doi: 10.1080/17435889.2024.2393075
  50. 50. Andersen MØ, Nygaard J V, Burns JS, et al. siRNA Nanoparticle Functionalization of Nanostructured Scaffolds Enables Controlled Multilineage Differentiation of Stem Cells. Molecular Therapy. 2010;18(11):2018-2027. doi: 10.1038/mt.2010.166
  51. 51. Benoit DSW, Boutin ME. Controlling Mesenchymal Stem Cell Gene Expression Using Polymer-Mediated Delivery of siRNA. Biomacromolecules. 2012;13(11):3841-3849. doi: 10.1021/bm301294n

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Примечание

Финансирование: Исследование главным образом поддержано грантом Российского научного фонда № 24-15-20026, https://rscf.ru/project/24-15-20026/, совместно с грантом Санкт-Петербургского научного фонда. Приготовление липосом выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках программы «Приоритет 2030», соглашение 075-15-2024-221 от 07.02.2024.


© Эко-Вектор,


СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 74760 от 29.12.2018 г.