Катионные амфифилы на основе амидов малоновой кислоты в качестве медиаторов трансфекции

Цели. Задача данной работы заключалась в получении катионных амфифилов, являющихся амидами малоновой кислоты. Целевые амфифилы должны содержать насыщенную и ненасыщенную алкильные цепи в гидрофобном блоке, а также один или два положительных заряда в полярной головной части за счет этилендиамина и аминокислоты L-орнитина. Для таких катионных амфифилов должны быть определены физико-химические свойства и трансфекционная активность липосомальных композиций на их основе.

Методы. Исходным соединением в синтезе был диэтиловый эфир малоновой кислоты. С ним проводили реакцию С-алкилирования для присоединения первой гидрофобной цепи (с использованием октилбромида, додецилбромида и октадецилбромида). В качестве второй гидрофобной цепи использовали N-олеиламин, который присоединяли по карбоксильной группе малоновой кислоты путем образования амидной связи. Полярная головная группа была представлена этилендиамином, который присоединяли по оставшейся карбоксильной группе малоновой кислоты. Далее к этилендиамину присоединяли L-орнитин для получения катионных липидов с двумя положительными зарядами в головной группе. Структуры соединений характеризовали с помощью инфракрасной спектроскопии, спектроскопии ядерного магнитного резонанса и элементного анализа. Методом фотонно-корреляционной спектроскопии оценивали распределение частиц по размерам. С помощью люциферазного теста определяли эффективность трансфекции на клеточной линии HeLa.

Результаты. Разработана схема синтеза новых катионных амифифилов с несимметричным гидрофобным блоком. Полученные на их основе липосомальные частицы имеют размер около 120 нм и обладают достаточно высоким дзета-потенциалом (29–30 мВ).

Выводы. Размер полученных липосом позволяет им проникать в клетки, что делает возможным использование таких композиций для трансфекции. Высокий дзета-потенциал свидетельствует об их стабильности. Наши результаты показали, что эффективность трансфекции полученными липосомами в смеси с холестерином сопоставима с коммерческим препаратом. Катионные амфифилы на основе амидов малоновой кислоты являются перспективными для разработки трансфекционных липосомальных композиций на их основе.

1. O՚Connor T.P., Crystal R.G. Genetic medicines: treatment strategies for hereditary disorders. Nat. Rev. Genet. 2006;7(4):261-276. https://doi.org/10.1038/nrg1829

2. Maeder M.L., Gersbach C.A. Genome-editing Technologies for Gene and Cell Therapy. Mol. Ther. 2016;24(3):430-446. https://doi.org/10.1038/mt.2016.10

3. Tassler S., Pawlowska D., Janich C., Dobner B., Wölk C., Brezesinski G. Lysine-based amino-functionalized lipids for gene transfection: the influence of the chain composition on 2D properties. Phys. Chem. Chem. Phys. 2018;20(10):6936-6944. https://doi.org/10.1039/c8cp00047f

4. Sheridan C. Gene therapy finds its niche. Nat. Biotechnol. 2011;29(2):121-128. https://doi.org/10.1038/nbt.1769

5. Wagner E. Polymers for siRNA Delivery: Inspired by Viruses to be Targeted, Dynamic, and Precise. Acc. Chem. Res. 2012;45(7):1005-1013. https://doi.org/10.1021/ar2002232

6. Crystal R.G. Transfer of Genes to Humans: Early Lessons and Obstacles to Success. Science. 1995;270(5235):404-410. https://doi.org/10.1126/science.270.5235.404

7. Dittrich M., Brauer C., Funari S.S., Dobner B., Brezesinski G., Wölk C. Interactions of Cationic Lipids with DNA: A Structural Approach. Langmuir. 2018;34(49):14858-14868. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b01635

8. Sen J., Chaudhuri A. Design, Syntheses, and Transfection Biology of Novel Non-Cholesterol- Based Guanidinylated Cationic Lipids. J. Med. Chem. 2005;48(3):812-820. https://doi.org/10.1021/jm049417w

9. Antipina M.N., Schulze I., Heinze M., Dobner B., Langner A., Brezesinski G. Physical-Chemical Properties and Transfection Activity of Cationic Lipid/DNA Complexes. ChemPhysChem. 2009;10(14):2471-2479. https://doi.org/10.1002/cphc.200900069

10. Wölk C., Heinze M., Kreideweiss P., Dittrich M., Brezesinski G., Langner A., Dobner B. Synthesis and DNA transfection properties of new head group modified malonic acid diamides. Int. J. Pharm. 2011;409(1-2):46-56. http://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2011.02.022

11. Wölk C., Janich C., Bakowsky U., Langner A., Brezesinski G. Malonic acid based cationic lipids – The way to highly efficient DNA-carriers. Adv. Colloid Interface Sci. 2017;248:20-34. https://doi.org/10.1016/j.cis.2017.08.003

12. Jones C.H., Chen C.K., Ravikrishnan A., Rane S., Pfeifer B.A. Overcoming Nonviral Gene Delivery Barriers: Perspective and Future. Mol. Pharm. 2013;10(11):4082-4098. https://doi.org/10.1021/mp400467x

13. Janich C., Taßler S., Meister A., Hause G., Schäfer J., Bakowsky U., Brezesinski G., Wölk C. Structures of malonic acid diamide/phospholipid composites and their lipoplexes. Soft Matter. 2016;12(27):5854-5866. https://doi.org/10.1039/C6SM00807K

14. Ahmad A., Evans H.M., Ewert K., George C.X., Samuel C.E., Safinya C.R. New multivalent cationic lipids reveal bell curve for transfection efficiency versus membrane charge density: lipid-DNA complexes for gene delivery. J. Gene Med. 2005;7(6):739-748. https://doi.org/10.1002/jgm.717

15. Серебренникова Г.А., Маслов М.А., Морозова Н.Г. Модульные транспортные системы на основе катионных и нейтральных амфифилов для генной терапии. Тонкие химические технологии. 2011;6(5):72-86.

16. Дениева З.Г., Буданова У.А., Себякин Ю.Л. Синтез катионных и ионизируемых амфифилов на основе геминального аминодиола как потенциальных транс- портных систем миРНК. Тонкие химические технологии. 2019;14(3):42-49. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2019-14-3-42-49

17. Heinze M., Brezesinski G., Dobner B., Langner A. Novel Cationic Lipids Based on Malonic Acid Amides Backbone: Transfection Efficacy and Cell Toxicity Properties. Bioconjug. Chem. 2010;21(4):696-708. https://doi.org/10.1021/bc9004624

18. Buck J., Grossen P., Cullis P.R., Huwyler J., Witzigmann D. Lipid-Based DNA Therapeutics: Hallmarks of Non-Viral Gene Delivery. ACS Nano. 2019;13(4):3754-3782. https://doi.org/10.1021/acsnano.8b07858