PDMAEMA transfectants: impact of molecular weight and endosomal escape

The present study investigated the efficacy of poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate (PDMAEMA) as a non-viral gene delivery vector,  with particular emphasis on how molecular weight (MW), chemical architecture, and experimental conditions influence transfection efficiency (TE) and cytotoxicity. Different formulations of PDMAEMA - including linear (3.9 – 19.1 kDa), star-shaped (25 kDa), and as a copolymer with polycaprolactone (PCL) - were synthesized.  All formulations were benchmarked against the gold standard 25 kDa branched-polyethyleneimine (bPEI). Our findings demonstrate that high MW (HMW) polymers provide enhanced DNA protection and condensation, resulting in superior TE; however, this advantage is counterbalanced by increased cytotoxicity, presumably due to stronger interactions with cellular membranes.  A significant challenge identified in this research concerns endosomal escape: PDMAEMA demonstrates limited capacity to facilitate DNA release from the endosomal compartment, a key step in successful transfection. Notably, when cells were subjected to osmotic shock using hypotonic solutions, endosomal permeabilization increased substantially, yielding up to a ten-fold improvement in TE. This approach suggests that manipulation of extracellular conditions represents a promising strategy to overcome the vector’s inherent limitations. In conclusion, our data support the hypothesis that combining low MW (LMW) PDMAEMA with controlled osmotic conditions offers an effective and less cytotoxic alternative to conventional vectors. Future research should further explore PDMAEMA-DNA interactions; assess complex stability, and optimize both polymer formulations and endosomal escape mechanisms to maximize TE.

Lo studio valuta l'efficacia del poli(2-(dimetilamino)etil metacrilato) (PDMAEMA) come vettore non virale per la veicolazione genica, concentrandosi sull'impatto del peso molecolare, dell'architettura chimica e delle condizioni sperimentali sull'efficienza di trasfezione e sulla citotossicità. Sono state sintetizzate diverse strutture di PDMAEMA, tra cui lineare (3,9 – 19,1 kDa), a stella (25 kDa) e copolimero con il policaprolattone (PCL). Le analisi comparative vengono eseguite con la poli(etilenimina) (25 kDa bPEI), considerata il gold standard di riferimento. I risultati dimostrano che i polimeri ad alto peso molecolare forniscono una maggiore protezione e condensazione del DNA, migliorando l’efficienza di trasfezione; tuttavia, questo vantaggio è associato a un aumento della citotossicità, probabilmente dovuto a interazioni più forti con la membrana cellulare. Un aspetto critico analizzato in questo lavoro riguarda la capacità di eseguire la fuga endosomiale: il PDMAEMA mostra una capacità limitata nel favorire il rilascio del DNA dal compartimento endosomiale, un passaggio chiave per un’efficace trasfezione. I risultati sperimentali dimostrano che l’applicazione di uno shock osmotico con soluzioni ipotoniche induce una maggiore permeabilizzazione endosomiale, determinando un miglioramento dell’efficienza di trasfezione fino a dieci volte maggiore. Questo approccio suggerisce che la manipolazione delle condizioni extracellulari possa rappresentare una strategia valida per superare le limitazioni del vettore. In sintesi, i dati supportano l'ipotesi che una combinazione di PDMAEMA a basso peso molecolare con condizioni osmotiche controllate possa rappresentare un'alternativa efficace e meno citotossica rispetto ai vettori tradizionali. Studi futuri potrebbero approfondire le interazioni tra PDMAEMA e DNA, indagando la stabilità dei complessi formati, l’ottimizzazione della struttura del polimero ed eventuali strategie di fuga endosomiale per massimizzare l'efficienza della trasfezione.