Intracellular Delivery of Nucleic Acid Drugs by RNA-Ligand Conjugates and Self-Assembled DNA Micelles

Abstract

Various drug delivery systems have developed to deliver nucleic acid drugs to the specific locations in cells such as cytoplasm and nucleus. Mainly nucleic acid drugs are internalized through an endocytosis pathway, an intracellular uptake mechanism that is very common to all types of cells. However, there are multiple endocytosis pathway that govern the cellular fate of delivered nucleic acid drugs and it is important to understand and control specific elements of each pathway for successful intracellular delivery of nucleic acid drugs. Nanoparticulate based drug delivery systems have been widely utilized for this purpose to enhance the cellular uptake of nucleic acid drugs inside of cells. Cationic polymers and lipids are commonly used for preparing simple poly-ionic complexes through electrostatic interactions. However, this non-specific interaction is often disintegrated when the complexes are introduced to the biological fluids such as blood. Therefore, there are urgent needs for alternative formulation or conjugate delivery technology to overcome the limitation of current systems. In this thesis, various alternative approaches have been proposed to facilitate the intracellular delivery of nucleic acid drugs. Cationic carrier free system was suggested as an alternative solution for current delivery systems. Three different approaches were described depending the use of peptide, aptamer, and DNA micelles. All three approaches mainly focused on the delivery of nucleic acid drugs without the use of cationic materials often inducing cellular cytotoxicity and immunogenicity. In chapter I, cell penetrating peptide (CPP) conjugated siRNA was evaluated for its ability to delivery RNA to cytoplasm. CPPs were well known for their ability to interact with cellular membrane and transfer cargo materials to cytoplasm through the various endocytosis and non-endocytosis mechanism. In this study, translationally controlled tumor protein (TCTP) and melittin were utilized for this purpose and their effects were described. In chapter II, aptamer mediated intracellular delivery of siRNA was investigated. MUC-1 aptamer is directly introduced to the RNA molecule and Holliday DNA junction was simultaneously utilized to enhance the avidity of MUC-1 aptamer with its target receptor in cellular membrane. Holliday DNA junction has functioned as a physical scaffold to hold four MUC-1 aptamer siRNA strands in pre-defined geometry to allow facile interaction with target receptors. In chapter III, DNA block copolymer was utilized to form DNA micelles to investigate its ability to transfer cellular membrane through receptor mediated uptake. Various DNA block copolymer chains were evaluated to show enhanced cellular uptake. In addition, thermoresponsive DNA block copolymer exhibited temperature dependent cellular uptake behavior. Finally, it is clear that three different approaches described in this thesis paper show promising alternative solution to overcome the current limitations of cationic based gene delivery systems.;다양한 약물 전달 시스템은 핵산과 세포 핵과 같은 세포의 특정 위치로 핵산 약품을 전달하기 위해 개발되었다. 주로 핵산 약물은 모든 종류의 세포에 매우 흔한 세포 내의 수용 메커니즘인 효소 경로를 통해 내재화된다. 그러나, 전달된 핵산 약물의 세포 운명을 지배하는 다수의 효소 경로가 있으며 핵산 약물의 성공적인 세포 내 전달을 위해 각 경로의 특정 요소를 이해하고 제어하는 것이 중요하다. 나노 입자 기반의 약물 전달 시스템은 세포 내 핵산 약물의 세포 흡수를 향상시키기 위해 광범위하게 사용되어 왔다. 양이온 성 고분자와 지질은 정전기적 상호 작용을 통해 단순한 폴리-이온성 복합체를 제조하는 데 일반적으로 사용된다. 그러나, 이러한 비특이적 상호 작용은 복합체기 혈액과 같은 생물학적 유체에 도입될 때 종종 분해된다. 따라서 현재 시스템의 한계를 극복하기 위해서는 대체 제제 또는 복합 전달 기술이 시급하다. 본 논문에서는 핵산 약물의 세포 내 전달을 촉진하기 위해 다양한 대안이 제안되었다. 현재 전달 시스템을 대체할 수 있는 대안으로 양이온성 캐리어 프리 시스템이 제안되었다. 펩타이드, 압타버 및 DNA 마이셀의 사용에 따라 세 가지 접근 방식이 설명되었다. 이 세가지 접근법은 주로 세포 독성과 면역 원성을 유발하는 양이온성 물질을 사용하지 않고 핵산 약품의 전달에 초점을 맞추었다. 제1장에서, 세포 침투성 펩타이드 (CPP)가 결합된 짧은 간섭 RNA는 RNA를 세포질로 전달하는 능력에 대해 평가되었다. CPP는 세포막과 상호 작용하고 다양한 엔도사이토시스 및 비-엔도사이토시스 메커니즘을 통해 세포물질을 세포질로 전달하는 능력이 있다고 잘 알려져 있다. 이 연구에서는, 전이적으로 제어되는 종양 단백질 (TCTP) 과 Melittin 을 이용하여 그 효과를 기술하였다. 제2장에서, 압타머 매개 세포 내 전달을 연구하였다. MUC-1 압타머는 RNA분자에 직접 도입되고 Holliday DNA구조체는 MUC-1 압타머의 세포막 내의 표적 수용체와 결합력을 향상시키기 위해 동시에 사용되었다. Holliday DNA구조체는 표적 수용체와의 용이한 상호 작용을 가능하게 하기 위해 미리 정의된 기하학적 구조에서 MUC-1 압타머 짧은 간섭 RNA가닥 4 개를 고정하는 물리적인 역할을 했다. 제3장에서, DNA block copolymer 는 수용체 매개 흡수를 통해 세포막을 전달하는 능력을 조사하기 위해 DNA 마이셀을 형성하는데 이용되었다. 다양한 DNA block copolymer 사슬은 향상된 세포 흡수를 보여 주기 위해 평가되었다. 또한, 온도 응답성 DNA block copolymer 는 온도 의존적인 세포 흡수 효과를 보였다. 마지막으로, 본 논문에서 기술된 세 가지 다른 접근법은 감각 기반 유전자 전달 시스템의 현재 한계를 극복하기 위한 유망한 대안을 보여 준다.