In vivo delivery of plasmid DNA by lipid nanoparticles: the influence of ionizable cationic lipids on organ-selective gene expression

阳离子聚合 体内 转染 基因传递 化学 DNA 核酸 RNA干扰 基因 遗传增强 细胞生物学 脂质体 生物物理学 生物化学 计算生物学 核糖核酸 生物 遗传学 有机化学
作者
Azizah Algarni,Emily H. Pilkington,Estelle J.A. Suys,Hareth Al-Wassiti,Colin W. Pouton,Nghia P. Truong
出处
期刊:Biomaterials Science [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:10 (11): 2940-2952 被引量:40
标识
DOI:10.1039/d2bm00168c
摘要

Ionizable cationic lipids play a critical role in developing new gene therapies for various biomedical applications, including COVID-19 vaccines. However, it remains unclear whether the formulation of lipid nanoparticles (LNPs) using DLin-MC3-DMA, an optimized ionizable lipid clinically used for small interfering RNA (siRNA) therapy, also facilitates high liver-selective transfection of other gene therapies such as plasmid DNA (pDNA). Here we report the first investigation into pDNA transfection efficiency in different mouse organs after intramuscular and intravenous administration of lipid nanoparticles (LNPs) where DLin-MC3-DMA, DLin-KC2-DMA or DODAP are used as the ionizable cationic lipid component of the LNP. We discovered that these three benchmark lipids previously developed for siRNA delivery followed an unexpected characteristic rank order in gene expression efficiency when utilized for pDNA. In particular, DLin-KC2-DMA facilitated higher in vivo pDNA transfection than DLin-MC3-DMA and DODAP, possibly due to its head group pKa and lipid tail structure. Interestingly, LNPs formulated with either DLin-KC2-DMA or DLin-MC3-DMA exhibited significantly higher in vivo protein production in the spleen than in the liver. This work sheds light on the importance of the choice of ionizable cationic lipid and nucleic acid cargo for organ-selective gene expression. The study also provides a new design principle towards the formulation of more effective LNPs for biomedical applications of pDNA, such as gene editing, vaccines and immunotherapies.
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