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Diblock Copolymer Targeted Lipid Nanoparticles: Next-Generation Nucleic Acid Delivery System Produced by Confined Impinging Jet Mixers

核酸 转染 基因传递 乙二醇 PEG比率 纳米技术 赫拉 生物物理学 材料科学 化学 细胞 生物化学 生物 基因 经济 有机化学 财务
作者
Bumjun Kim,Sai Nikhil Subraveti,Jason Liu,Satya K. Nayagam,Safaa Merghoub,Nicholas J. Caggiano,David F. Amelemah,Ting Jiang,Navid Bizmark,Jonathan M. Conway,Andrew Tsourkas,Robert K. Prud’homme
出处
期刊:ACS applied bio materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (11): 7595-7607
标识
DOI:10.1021/acsabm.4c01176
摘要

Despite the recent advances and clinical demonstration of lipid nanoparticles (LNPs) for therapeutic and prophylactic applications, the extrahepatic delivery of nucleic acids remains a significant challenge in the field. This limitation arises from the rapid desorption of lipid-PEG in the bloodstream and clearance to the liver, which hinders extrahepatic delivery. In response, we explore the substitution of lipid-PEG with biodegradable block copolymers (BCPs), specifically poly(ε-caprolactone)-block-poly(ethylene glycol) (PCL-b-PEG). BCPs offer strong anchoring for large macromolecules, potentially enhancing cell-specific targeting. To develop and optimize BCP-stabilized LNPs (BCP-LNPs), we employed a Design of Experiment (DOE) approach. Through a systematic exploration, we identified optimal formulations for BCP-LNPs, achieving desirable physicochemical properties and encapsulation efficiency. Notably, BCP-LNPs exhibit surprising trends in transfection efficiency, with certain formulations showing up to a 40-fold increase in transfection in Hela cells, while maintaining minimal cytotoxicity. The lipid compositions that optimized PCL-b-PEG LNP transfection were different from the compositions that optimized PEG-lipid LNP transfection. Furthermore, our study confirms the versatility of BCP-LNPs in encapsulating and delivering both mRNA and pDNA, demonstrating their cargo-agnostic nature. Lastly, we showcased the targeted BCP-LNPs using a Cetuximab-conjugated formulation. These targeted LNPs show significant promise in delivering cargo specific to EGFR-overexpressing cells (A549 cells), with up to 2.4 times higher transfection compared to nontargeted LNPs. This finding underscores the potential of BCP-LNPs in targeted gene therapy, especially in challenging scenarios such as tumor targeting. Overall, our study establishes the viability of BCP-LNPs as a versatile, efficient, and targeted delivery platform for nucleic acids, opening avenues for advanced therapeutic applications.
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