Sustained release of plasmid DNA from 3-D fibrous scaffold for enhanced cardiac repair

Abstract

Technologies to increase tissue vascularity are critically important to the fields of cardiovascular medicine. Currently, limited technologies exist to encourage angiogenesis in a controlled manner. In the present study, a sustained gene delivery system was developed using a PLLA 3-D fibrous scaffold coated with PLGA nanoparticles encapsulating plasmid VEGF/CPP complexes. The use of sustained release concept using a poly (lactic-co-glycolic acid) (PLGA) copolymer nanoparticles could allow localized and sustained plasmid VEGF release and consequently a prolonged uptake in stem cells. Also, to increase the transfection efficiency, we describe the use of non-viral gene transfer by cell-permeable peptide (CPP). Plasmid VEGF completely bound this CPP at a charge ratio of 1:10 (-/+) and efficient cellular uptake of these complexes was detected visually by confocal microscopy. Flow cytometry revealed that the transfection efficiency in rCSCs treated with pDNA/CPP complex was approximately 1.8-fold higher than that in cells transfected using Lipofectamine. Plasmid VEGF/CPP complexes were released from the scaffolds over 14 days and were successfully transfected into rCSCs seeded on the scaffolds. The sustained delivery system showed about 1.5 fold higher cumulative expression of hVEGF protein for a longer period of time than bolus delivery. We anticipate that this novel gene delivery system combined with rCSC-mediated cellular therapy will enable a new approach for cardiac repair.;조직의 혈관 생성을 증가시킴으로써 조직으로의 혈액의 공급이 원활하도록 할 수 있는 기술은 심혈관 질환의 치료 분야에서 매우 중요하나, 현재까지 신생혈관생성을 적절한 수준으로 조절하여 촉진시킬 수 있는 기술은 매우 제한적인 실정이다. 고분자 나노 입자를 이용한 서방출 시스템은 고분자가 서서히 생분해됨에 따라 안쪽에 봉입된 유전자가 서서히 방출되게 하므로 유전자가 부착 부위로 국소적이고 지속적으로 방출될 수 있으며, 결과적으로 유전자가 도입된 세포의 단백질 발현이 장시간 지속될 수 있도록 해준다. 본 연구에서는 심장 조직에 부착하기 용이한 형태인 삼차원 섬유형 PLLA 지지체에 혈관내피세포성장인자 유전자를 봉입한 PLGA 나노 입자를 코팅하여 새로운 유전자 서방출 시스템을 설계하였다. 또한 유전자의 세포 도입율을 증가시키기 위하여 비바이러스성 벡터로서 세포투과성펩티드를 사용하였다. 유전자와 세포투과성펩티드가 성공적으로 복합체를 형성하여 세포 내로 도입되는 것을 확인하였으며, 세포투과성펩티드의 세포 도입율을 측정하였다. 또한 고분자로부터의 유전자 방출 패턴을 확인하였고 유전자를 단독 주입한 세포보다 서방출 시스템에서의 세포가 지속적으로 유전자를 발현하는 것을 확인하였다. 이러한 결과들을 통해 고분자와 세포투과성펩티드를 이용한 유전자 서방출 시스템이 지속적인 혈관 생성을 유도할 수 있음을 확인하였으며, 본 실험에서 유전자 발현 세포로 이용된 심장유래줄기세포와 함께 심근 경색 부위에 적용함으로써 심근 조직 재생능을 향상시키는 데 있어 유용한 치료법이 될 수 있음을 증명하였다