Gene Silencing Using Chitosan Based siRNA Delivery Systems in Cells and Animals

Le développement de vecteurs de livraison non viraux à des fins thérapeutiques a pris de l'ampleur dans les dernières années. Le chitosane est un polymère cationique naturel ayant la capacité de former des nanoparticules lorsqu'il est mélangé à des molécules polyanioniques comme les petits ARN interférents (pARNi). Les efforts pour identifier les paramètres moléculaires favorisant une bioactivité optimale n'ont pas été concluants en raison de différences expérimentales, d'un manque d'uniformité des protocoles de transfection, de la faible caractérisation du polymère et des différences au niveau des sources de chitosane utilisé. Cette thèse a été entreprise afin de répondre aux objectifs suivants: 1) Tester et valider l'efficacité de transfection de formulations, précédemment identifiées comme optimales pour la livraison d'ADN plasmidique, 2) Examiner l'influence des paramètres intrinsèques (dégrée de deacetylation (DDA), la masse moléculaire (Mn) et le ratio N:P) et extrinsèques (sérum, pH, force ionique et conditions de mélange) sur les caractéristiques physicochimiques des particules, leur internalisation dans les cellules, l'efficacité de silençage, la toxicité métabolique, la génotoxicité et l'hémocomptabilité, en utilisant une chimiothèque de chitosanes hautement caractérisés, et 3) Sélectionner des formulations ayant des caractéristiques optimales relatives à la taille, le potentiel zêta, l'intégrité des nanoparticules et la capacité de ces dernières à induire un silençage spécifique du gène en question tout en étant sécuritaire, et 4) Caractériser la biodistribution des nanoparticules, leurs toxicités et leurs potentiel de silençage génique suite à des injections intraveineuses chez la souris. Une étude initiale a démontré que le chitosane interfère avec l'extraction d'acide nucléique de cellules transfectées in vitro. Une méthode enzymatique simple et peu coûteuse a permis de récupérer l'ARN totale pour des applications moléculaires tel que la PCR en temps réel. De plus, cette étude a permis de réduire le biais (~ 10-15 %) associé aux nanoparticules adsorbées à la surface des cellules lors de mesures du niveau d'internalisation par cytométrie en flux. En outre, la digestion enzymatique du chitosane pourrait être effectuée en présence de guanidium, un agent chaotropique présent dans le tampon de lyse, démontrant ainsi l'efficacité et la simplicité de cette méthode. Avec la résolution de cet obstacle technique, nous avons sélectionné des formulations ayant démontré, auparavant, une efficacité de transfection élevée pour la livraison d'ADN plasmidique. Ces formulations ont été caractérisés pour leur taille, leur forme, leur potentiel surfacique (potentiel zêta), leur capacité de protéger les pARNi contre les nucléases et leur efficacité à transfecter, de façon non toxique, différentes lignées cellulaires. Les nanoparticules ainsi formées étaient sphériques et leur taille variait entre 40 et 100 nm. De plus, les résultats ont démontré que la protection contre les nucléases dépendait de la masse moléculaire et du ratio N:P. Par ailleurs, une haute efficacité (~80%) de silençage génique, en présence de sérum (10%), a pu être atteinte dans plusieurs lignées cellulaires. Pour la première fois, des nanoparticules avaient pu être obtenues à un faible ratio N:P marquant ainsi une différence frappante avec la littérature. Nos résultats ont pu démontrer la cause de ce bais favorisant la sélection de nanoparticules à haut ratio N :P testée dans la littérature. Dans la perspective de comprendre l'influence du degré de désacétylation (DDA) et de la masse moléculaire (Mn) du chitosane ainsi que du ratio N :P sur l'efficacité de transfection in vitro, la toxicité, la génotoxicité, l'hémocompatibilité et la biodistribution in vivo, une chimiothèque de chitosans hautement caractérisés a été produite à de différents DDA (98%, 92%, 80% et 72%) et Mn (5, 10, 40, 80 et 120 kDa) et mélangée avec des pARNi à des ratios N :P de 5 :1 et 30 :1. Les nanoparticules, ainsi formées, ont été caractérisées pour leurs tailles et potentiel surfacique en présence de 10 et 150 mM de sel. L'efficacité d'encapsulation (EE) et de transfection a été mesurée à pH 6.5 et 8 (EE) et à pH 6.5 et 7.4 respectivement. Les formulations les plus performantes ont été sélectionnées pour une caractérisation plus poussée de l'influence de la Mn et du ratio N:P sur l'internalisation des nanoparticules, l'activité métabolique cellulaire, la génotoxicité et l'efficacité de transfection in vitro en présence de sérum. L'hémocompatibilité et la biodistribution in vivo ont également été examinées pour différents Mn, ratios N :P et doses. Nos résultats ont démontré que l'internalisation des nanoparticules et l'efficacité de silençage étaient positivement corrélées à l'augmentation du potentiel surfacique, obtenu en augmentant le DDA et la Mn. Une longueur minimale de ~60-70 monomères (Mn ~10 kDa) était requise pour garantir une stabilité et un silençage en présence ou absence de sérum. L'efficacité de silençage a atteint des niveaux équivalents (~ 80-90%) à ceux du contrôle positif (DharmaFECT®) sans toxicité métabolique ou génotoxicité démontrant ainsi la supériorité de notre système comparativement aux lipides cationiques qui ont diminué l'activité métabolique des cellules. La présence de concentration croissante de sérum a négativement influencé la transfection in vitro. Nos résultats indiquent que l'influence négative du sérum est inversement proportionnelle à une augmentation du DDA, de la Mn et du ratio N :P. L'hémocompatibilité s'est révélée être dépendante de la dose, du DDA et de la masse moléculaire suggérant ainsi l'utilisation d'acide hyaluronique (HA), un polymère anionique et biocompatible, pour diminuer l'interaction avec les composantes du sang et améliorer la stabilité colloïdale. Les études de toxicité in vivo ont démontré que les nanoparticules de chitosane formulées à N:P 5 pourraient être tolérées jusqu'à une dose de 2.5mg/kg siRNA, tandis que celles revêtues de HA améliorent la tolérabilité par un facteur d'au moins 4. Contrairement aux nanoparticules lipidiques, les nanoparticules avec ou sans revêtement n'ont ni entraîné l'expression de cytokines pro-inflammatoires (ex. IL-1β, IL-6, TNF-α, IFN-γ et KC) ni l'augmentation de biomarqueurs sérologiques tels que l'ALT, AST, ALP, l'urée sanguine, et la créatinine. Une diminution des thrombocytes a été uniquement observée avec les formulations lipidiques soulignant ainsi des différences majeures avec le chitosane. L'analyse histopathologique des tissus et le suivit des masses corporelles ont confirmés le profil d'innocuité observé avec le chitosane. L'étude de biodistribution chez la souris démontre une accumulation spécifique de nanoparticules dans les tubules épithéliaux proximaux du rein où 40-50% de silençage a été observé, suggérant ainsi des applications potentielles du système au niveau des maladies rénales.