Enhancing nanoparticles selectivity through maleimide-thiol interaction : implication for non-viral gene delivery

The transfer of foreign genetic material into host cells using polymer or lipid-based delivery vehicles is known as non-viral gene delivery. Despite their great advantages, including large cargo capacity and lower immunogenicity, these delivery vectors are unfortunately plagued by limited effectiveness because of both extracellular and intracellular barriers. In order to improve the effectiveness of non-viral vectors, research has recently focused on functionalizing existing vectors or synthetizing new ones for gene delivery. As a matter of fact, the polymer functionalization can influence the way how gene delivery nanoparticles are internalized. In light of this, it was determined to investigate a novel class of non-viral vectors that would functionalize the gold standard (bPEI) using a moiety that could enhance the vectors' internalization. It was decided to perform a functionalization of the polymer with maleimide groups, which able to interact with free thiols on the cell membrane. This could represent a promising way to improve non-viral vector effectiveness. Two types of PEG-MAL (PEG2 vs PEG70) moieties were used, each one with low and high grafting degree. After a physico-chemical characterization and the investigation of protein corona formation, the interaction between complexes and free thiols on SiMAG-Thiol beads was carried out with the goal of simulating membrane thiols. Results showed that functionalization does not influence the complexation ability of the polymers. The addition of PEG-MAL alters the physico-chemical characteristics increasing the size and decreasing the zeta potential of complexes. PEG70 shields more the protein adsorption compared to PEG2. We found out that maleimide groups and thiols have a huge chemical affinity. Overall, these results showed that it possible to exploit the maleimide-thiol binding to enhance complexes internalization through thiol-mediated pathway.

Il trasferimento di materiale genico nelle cellule utilizzando vettori polimerici o lipidici è noto come gene delivery non virale. Nonostante i loro grandi vantaggi, tra cui una grande capacità di carico e una minore immunogenicità, questi vettori sono purtroppo caratterizzati da un'efficacia limitata a causa della presenza di barriere sia extracellulari sia intracellulari. Al fine di migliorare l'efficacia dei vettori non virali, la ricerca si è recentemente concentrata sulla funzionalizzazione dei vettori esistenti o sulla sintesi di nuovi vettori per il gene delivery. Infatti, è noto che la funzionalizzazione del polimero può influenzare il modo in cui le nanoparticelle di gene delivery vengono internalizzate. Alla luce di ciò, è stato deciso di indagare su una nuova classe di vettori non virali andando a funzionalizzare il gold standard (bPEI) utilizzando una specie in grado di migliorare l'interiorizzazione dei vettori. Per questo motivo, si è scelto di eseguire una funzionalizzazione del polimero con gruppi maleimmide, i quali sono in grado di interagire con i tioli liberi sulla membrana cellulare. Questo potrebbe rappresentare un modo promettente per migliorare l'efficacia del vettore non virale. Sono stati utilizzati due tipi di PEG-MAL (PEG2 vs PEG70), ciascuno con un alto e un basso grado di grafting. Dopo una caratterizzazione fisico-chimica e lo studio della formazione della corona proteica, è stata condotta l'interazione tra complessi e tioli liberi su particelle SiMAG-Thiol con l'obiettivo di simulare i tioli di membrana. I risultati hanno mostrato che la funzionalizzazione non influenza la capacità di complessazione dei polimeri. Inoltre, l'aggiunta di PEG-MAL altera le caratteristiche fisico-chimiche aumentando le dimensioni e diminuendo il potenziale zeta dei complessi. Il PEG70 protegge maggiormente l'adsorbimento delle proteine rispetto al PEG2. Abbiamo riscontrato che la maleimmide e i tioli hanno un'elevata affinità chimica. Nel complesso, questi risultati hanno mostrato che è possibile l’utilizzo di un percorso tiolo-mediato per migliorare l'interiorizzazione dei complessi.