Synthesis, characterization and biological evaluation of aminoglycoside-conjugates for cell transfection

Gene delivery aims to introduce genetic materials into cells using vectors for therapeutic purposes. The development of efficient and safe methods to delivery exogenous nucleic acids into cells, is still a challenging task. Gene transfer by means of non-viral vectors has attracted great interest because non-viral vectors are easy to synthesize, stable, and relatively safe. In this context, cationic lipids and polymers are promising candidates for designing alternative vectors. Cationic lipids and polymers are able to spontaneously complex the genetic material and promote its uptake into cells. However, their clinical application is still hampered by their low transfection efficiency. Aminoglycosides, which are a class of polyaminosugars with inherent antimicrobial properties, are known to bind to nucleic acids, thus providing a favorable scaffold for the synthesis of non-viral vectors. During my PhD project I have explored the synthesis and the transfection potential of novel classes of non-viral gene delivery vectors based on the use of aminoglycosides as polar head. Aminoglycosides were tethered to different structures to obtain nonviral vectors:  A library of cationic lipids was obtained exploring a triazine core with different lipophilic moieties in combination with neomycin and paromomycin (chapter II),  Calix[4]arene, a macrocyclic scaffold already employed in the synthesis of vectors with high transfection efficiency, was also explored in combination with neamine, neomycin and paromomycin (chapter III),  PAMAM, dendrimeric, well-defined structure that allows for an easy functionalization, was conjugated with neomycin (chapter IV). All the conjugates were synthesized and characterized through different techniques. Their biological properties as transfectants were also investigated. The growth of antimicrobial resistance represents a worldwide emergency that need to be urgently addressed. A promising strategy to overcome this threat to human health consists in the improvement of the effect of already existing antibiotics. During my research project, I have also tried to enhance aminoglycoside antibacterial activity by synthesizing a library of aminoglycoside-antimicrobial peptide conjugates.

Il gene delivery ha lo scopo di introdurre materiale genetico nelle cellule per scopi terapeutici utilizzando dei vettori. Lo sviluppo di metodi sicuri ed efficienti per l'introduzione di acidi nucleici è ancora una sfida. Il trasferimento di geni per mezzo di vettori non-virali è molto interessante poichè essi sono facili da sintetizzare, stabili e relativamente sicuri. Lipidi e polimeri cationici sono candidati promettenti per il design di vettori alternativi. Questi complessano spontaneamente il materiale genetico e promuovono l'uptake nelle cellule. Tuttavia, la loro applicazione clinica è ostacolata dalla bassa efficienza di trasfezione. Gli aminoglicosidi sono adatti per la sintesi di vettori non-virali grazie alla loro abilità di legare gli acidi nucleici. Durante il mio dottorato ho esplorato la sintesi e le proprietà come trasfettanti di nuove classi di vettori non-virali basati su aminoglicosidi come testa polare. Gli aminoglicosidi sono stati legati con diverse strutture: - una libreria di lipidi cationici è stata sintetizzata sfruttando le triazine come core in combinazione con neomicina e paromomicina; - Calix[4]arene, una struttura macrociclica, già nota nella sintesi di vettori con alta efficienza di trasfezione, è stata impiegata in combinazione con neomicina, neamina e paromomicina; - PAMAM, struttura dendrimerica che permette una facile funzionalizzazione, è stata coniugata con la neomicina. Tutti i derivati sono stati sintetizzati, caratterizzati con varie tecniche e testati come trasfettanti. La crescita della resistenza batterica rappresenta un'emergenza mondiale. Una strategia per affrontare il problema consiste nel migliorare gli effetti di antibiotici già esistenti. Durante il mio progetto, ho anche sintetizzato una libreria di antibatterici costituiti da aminoglicosidi coniugati con peptidi antimicrobici, per aumentare le proprietà antibatteriche degli aminoglicosidi.