Molecular engineering of dendrimer nanovectors for siRNA delivery and gene silencing

Yu Cao, Xiaoxuan Liu, Ling Peng

PDF(615 KB)
PDF(615 KB)
Front. Chem. Sci. Eng. ›› 2017, Vol. 11 ›› Issue (4) : 663-675. DOI: 10.1007/s11705-017-1623-5
REVIEW ARTICLE

Molecular engineering of dendrimer nanovectors for siRNA delivery and gene silencing

Author information +
History +

Abstract

Small interfering RNA (siRNA) therapeutics hold great promise to treat a variety of diseases, as long as they can be delivered safely and effectively into cells. Dendrimers are appealing vectors for siRNA delivery by virtue of their well-defined molecular architecture and multivalent cooperativity. However, the clinical translation of RNA therapeutics mediated by dendrimer delivery is hampered by the lack of dendrimers that are of high quality to meet good manufacturing practice standard. In this context, we have developed small amphiphilic dendrimers that self-assemble into supramolecular structures, which mimic high-generation dendrimers synthesized with covalent construction, yet are easy to produce in large amount and superior quality. Indeed, the concept of supramolecular dendrimers has proved to be very promising, and has opened up a new avenue for dendrimer-mediated siRNA delivery. A series of self-assembling supramolecular dendrimers have consequently been established, some of them out-performing the currently available nonviral vectors in delivering siRNA to various cell types in vitro and in vivo, including human primary cells and stem cells. This short review presents a brief introduction to RNAi therapeutics, the obstacles to their delivery and the advantages of dendrimer delivery vectors as well as our bio-inspired structurally flexible dendrimers for siRNA delivery. We then highlight our efforts in creating self-assembling amphiphilic dendrimers to construct supramolecular dendrimer nanosystems for effective siRNA delivery as well as the related structural alterations to enhance delivery efficiency. The advent of self-assembling supramolecular dendrimer nanovectors holds great promise and heralds a new era of dendrimer-mediated delivery of RNA therapeutics in biomedical applications.

Graphical abstract

Keywords

gene therapy / RNAi therapeutics / dendrimer / nanovectors / gene silencing

Cite this article

Download citation ▾
Yu Cao, Xiaoxuan Liu, Ling Peng. Molecular engineering of dendrimer nanovectors for siRNA delivery and gene silencing. Front. Chem. Sci. Eng., 2017, 11(4): 663‒675 https://doi.org/10.1007/s11705-017-1623-5

References

[1]
Bobbin M L, Rossi J J. RNA interference (RNAi)-based therapeutics: Delivering on the promise? Annual Review of Pharmacology and Toxicology, 2016, 56(1): 103–122
CrossRef Google scholar
[2]
Haussecker D, Kay M A. Drugging RNAi. Science, 2015, 347(6226): 1069–1070
CrossRef Google scholar
[3]
Crunkhorn S. Trial watch: Pioneering RNAi therapy shows antitumour activity in humans. Nature Reviews. Drug Discovery, 2013, 12(3): 178–178
CrossRef Google scholar
[4]
Castanotto D, Rossi J J. The promises and pitfalls of RNA-interference-based therapeutics. Nature, 2009, 457(7228): 426–433
CrossRef Google scholar
[5]
Fire A, Xu S, Montgomery M K, Kostas S A, Driver S E, Mello C C. Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature, 1998, 391(6669): 806–811
CrossRef Google scholar
[6]
Bernstein E, Caudy A A, Hammond S M, Hannon G J. Role for a bidentate ribonuclease in the initiation step of RNA interference. Nature, 2001, 409(6818): 363–366
CrossRef Google scholar
[7]
Ameres S L, Martinez J, Schroeder R. Molecular basis for target RNA recognition and cleavage by human RISC. Cell, 2007, 130(1): 101–112
CrossRef Google scholar
[8]
Hutvágner G, Zamore P D. A microRNA in a multiple-turnover RNAi enzyme complex. Science, 2002, 297(5589): 2056–2060
CrossRef Google scholar
[9]
Yin H, Kanasty R L, Eltoukhy A A, Vegas A J, Dorkin J R, Anderson D G. Non-viral vectors for gene-based therapy. Nature Reviews. Genetics, 2014, 15(8): 541–555
CrossRef Google scholar
[10]
Kanasty R, Dorkin J R, Vegas A, Anderson D. Delivery materials for siRNA therapeutics. Nature Materials, 2013, 12(11): 967–977
CrossRef Google scholar
[11]
Whitehead K A, Langer R, Anderson D G. Knocking down barriers: Advances in siRNA delivery. Nature Reviews. Drug Discovery, 2009, 8(2): 129–138
CrossRef Google scholar
[12]
Liu X, Rocchi P, Peng L. Dendrimers as non-viral vectors for siRNA delivery. New Journal of Chemistry, 2012, 36(2): 256–263
CrossRef Google scholar
[13]
Ravina M, Paolicelli P, Seijo B, Sanchez A. Knocking down gene expression with dendritic vectors. Mini-Reviews in Medicinal Chemistry, 2010, 10(1): 73–86
CrossRef Google scholar
[14]
Tomalia D A, Christensen J B, Boas U. Dendrimers, Dendrons, and Dendritic Polymers: Discovery, Applications, and the Future.London: Cambridge University Press, 2012, 100–105
[15]
Walter M V, Malkoch M. Simplifying the synthesis of dendrimers: Accelerated approaches. Chemical Society Reviews, 2012, 41(13): 4593–4609
CrossRef Google scholar
[16]
Tomalia D A B H, Dewald J, Hall M, Kallos G, Martin S, Roeck J, Ryder J, Smith P. A new class of polymers: Starburst-dendritic macromolecules. Polymer Journal, 1985, 17(1): 117–132
CrossRef Google scholar
[17]
Haensler J, Szoka F C. Polyamidoamine cascade polymers mediate efficient transfection of cells in culture. Bioconjugate Chemistry, 1993, 4(5): 372–379
CrossRef Google scholar
[18]
Kukowska-Latallo J F, Bielinska A U, Johnson J, Spindler R, Tomalia D A, Baker J R. Efficient transfer of genetic material into mammalian cells using Starburst polyamidoamine dendrimers. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1996, 93(10): 4897–4902
CrossRef Google scholar
[19]
Eichman J D, Bielinska A U, Kukowska-Latallo J F, Baker J R Jr. The use of PAMAM dendrimers in the efficient transfer of genetic material into cells. Pharmaceutical Science & Technology Today, 2000, 3(7): 232–245
CrossRef Google scholar
[20]
Guillot-Nieckowski M, Eisler S, Diederich F. Dendritic vectors for gene transfection. New Journal of Chemistry, 2007, 31(7): 1111–1127
CrossRef Google scholar
[21]
Mintzer M A, Simanek E E. Nonviral vectors for gene delivery. Chemical Reviews, 2009, 109(2): 259–302
CrossRef Google scholar
[22]
Behr J P. The proton sponge: A trick to enter cells the viruses did not exploit. CHIMIA International Journal for Chemistry, 1997, 51(1-2): 34–36
[23]
Liu X, Liu C, Catapano C V, Peng L, Zhou J, Rocchi P. Structurally flexible triethanolamine-core poly(amidoamine) dendrimers as effective nanovectors to deliver RNAi-based therapeutics. Biotechnology Advances, 2014, 32(4): 844–852
CrossRef Google scholar
[24]
Biswas S, Torchilin V. Dendrimers for siRNA delivery. Pharmaceuticals, 2013, 6(2): 161–183
CrossRef Google scholar
[25]
Kang H, DeLong R, Fisher M H, Juliano R L. Tat-conjugated PAMAM dendrimers as delivery agents for antisense and siRNA oligonucleotides. Pharmaceutical Research, 2005, 22(12): 2099–2106
CrossRef Google scholar
[26]
Zhou J, Wu J, Hafdi N, Behr J P, Erbacher P, Peng L. PAMAM dendrimers for efficient siRNA delivery and potent gene silencing. Chemical Communications, 2006, 22: 2362–2364
CrossRef Google scholar
[27]
Wu J, Zhou J, Qu F, Bao P, Zhang Y, Peng L. Polycationic dendrimers interact with RNA molecules: Polyamine dendrimers inhibit the catalytic activity of Candida ribozymes. Chemical Communications, 2005, 3: 313–315
CrossRef Google scholar
[28]
Venkatesh S, Workman J L. Histone exchange, chromatin structure and the regulation of transcription. Nature Reviews. Molecular Cell Biology, 2015, 16(3): 178–189
CrossRef Google scholar
[29]
Liu X, Wu J, Yammine M, Zhou J, Posocco P, Viel S, Liu C, Ziarelli F, Fermeglia M, Pricl S,  Structurally flexible triethanolamine core PAMAM dendrimers are effective nanovectors for DNA transfection in vitro and in vivo to the mouse thymus. Bioconjugate Chemistry, 2011, 22(12): 2461–2473
CrossRef Google scholar
[30]
Liu X, Liu C, Laurini E, Posocco P, Pricl S, Qu F, Rocchi P, Peng L. Efficient delivery of sticky siRNA and potent gene silencing in a prostate cancer model using a generation 5 triethanolamine-core PAMAM dendrimer. Molecular Pharmaceutics, 2012, 9(3): 470–481
CrossRef Google scholar
[31]
Posocco P, Liu X, Laurini E, Marson D, Chen C, Liu C, Fermeglia M, Rocchi P, Pricl S, Peng L. Impact of siRNA overhangs for dendrimer-mediated siRNA delivery and gene silencing. Molecular Pharmaceutics, 2013, 10(8): 3262–3273
CrossRef Google scholar
[32]
Shen X C, Zhou J, Liu X, Wu J, Qu F, Zhang Z L, Pang D W, Quelever G, Zhang C C, Peng L. Importance of size-to-charge ratio in construction of stable and uniform nanoscale RNA/dendrimer complexes. Organic & Biomolecular Chemistry, 2007, 5(22): 3674–3681
CrossRef Google scholar
[33]
Liu X, Rocchi P, Qu F Q, Zheng S Q, Liang Z C, Gleave M, Iovanna J, Peng L. PAMAM dendrimers mediate siRNA delivery to target Hsp27 and produce potent antiproliferative effects on prostate cancer cells. ChemMedChem, 2009, 4(8): 1302–1310
CrossRef Google scholar
[34]
Liu C, Liu X, Rocchi P, Qu F, Iovanna J L, Peng L. Arginine-terminated generation 4 PAMAM dendrimer as an effective nanovector for functional siRNA delivery in vitro and in vivo. Bioconjugate Chemistry, 2014, 25(3): 521–532
CrossRef Google scholar
[35]
Liu X, Liu C, Chen C, Bentobji M, Cheillan F A, Piana J T, Qu F, Rocchi P, Peng L. Targeted delivery of Dicer-substrate siRNAs using a dual targeting peptide decorated dendrimer delivery system. Nanomedicine; Nanotechnology, Biology, and Medicine, 2014, 10(8): 1627–1636
CrossRef Google scholar
[36]
Reebye V, Sætrom P, Mintz P J, Huang K W, Swiderski P, Peng L, Liu C, Liu X, Lindkær-Jensen S, Zacharoulis D,  Novel RNA oligonucleotide improves liver function and inhibits liver carcinogenesis in vivo. Hepatology (Baltimore, MD.), 2014, 59(1): 216–227
CrossRef Google scholar
[37]
Kala S, Mak A S C, Liu X, Posocco P, Pricl S, Peng L, Wong A S T. Combination of dendrimer-nanovector-mediated small interfering RNA delivery to target akt with the clinical anticancer drug paclitaxel for effective and potent anticancer activity in treating ovarian cancer. Journal of Medicinal Chemistry, 2014, 57(6): 2634–2642
CrossRef Google scholar
[38]
Cui Q, Yang S, Ye P, Tian E, Sun G, Zhou J, Sun G, Liu X, Chen C, Murai K,  Downregulation of TLX induces TET3 expression and inhibits glioblastoma stem cell self-renewal and tumorigenesis. Nature Communications, 2016, 7: 10637–10651
CrossRef Google scholar
[39]
Lang M F, Yang S, Zhao C, Sun G, Murai K, Wu X, Wang J, Gao H, Brown C E, Liu X,  Genome-wide profiling identified a set of miRNAs that are differentially expressed in glioblastoma stem cells and normal neural stem cells. PLoS One, 2012, 7(4): e36248–e36251
CrossRef Google scholar
[40]
Zhou J, Neff C P, Liu X, Zhang J, Li H, Smith D D, Swiderski P, Aboellail T, Huang Y, Du Q,  Systemic administration of combinatorial dsiRNAs via nanoparticles efficiently suppresses HIV-1 infection in humanized mice. Molecular Therapy, 2011, 19(12): 2228–2238
CrossRef Google scholar
[41]
Svenson S. The dendrimer paradox—High medical expectations but poor clinical translation. Chemical Society Reviews, 2015, 44(12): 4131–4144
CrossRef Google scholar
[42]
Yu T, Liu X, Bolcato-Bellemin A L, Wang Y, Liu C, Erbacher P, Qu F, Rocchi P, Behr J P, Peng L. An amphiphilic dendrimer for effective delivery of small interfering RNA and gene silencing in vitro and in vivo. Angewandte Chemie International Edition in English, 2012, 51(34): 8478–8484
CrossRef Google scholar
[43]
Chen C, Posocco P, Liu X, Cheng Q, Laurini E, Zhou J, Liu C, Wang Y, Tang J, Col V D,  Mastering dendrimer self-assembly for efficient siRNA delivery: From conceptual design to in vivo efficient gene silencing. Small, 2016, 12(27): 3667–3676
CrossRef Google scholar
[44]
Márquez-Miranda V, Araya-Durán I, Camarada M B, Comer J, Valencia-Gallegos J A, González-Nilo F D. Self-assembly of amphiphilic dendrimers: The role of generation and alkyl chain length in siRNA interaction. Scientific Reports, 2016, 6: 29436–29451
CrossRef Google scholar
[45]
Liu X, Liu C, Zhou J, Chen C, Qu F, Rossi J J, Rocchi P, Peng L. Promoting siRNA delivery via enhanced cellular uptake using an arginine-decorated amphiphilic dendrimer. Nanoscale, 2015, 7(9): 3867–3875
CrossRef Google scholar
[46]
Nakase I, Akita H, Kogure K, Gräslund A, Langel Ü, Harashima H, Futaki S. Efficient intracellular delivery of nucleic acid pharmaceuticals using cell-penetrating peptides. Accounts of Chemical Research, 2012, 45(7): 1132–1139
CrossRef Google scholar
[47]
Liu X, Zhou J, Yu T, Chen C, Cheng Q, Sengupta K, Huang Y, Li H, Liu C, Wang Y,  Adaptive amphiphilic dendrimer-based nanoassemblies as robust and versatile siRNA delivery systems. Angewandte Chemie International Edition in English, 2014, 53(44): 11822–11827
CrossRef Google scholar
[48]
Percec V, Wilson D A, Leowanawat P, Wilson C J, Hughes A D, Kaucher M S, Hammer D A, Levine D H, Kim A J, Bates F S,  Self-assembly of Janus dendrimers into uniform dendrimersomes and other complex architectures. Science, 2010, 328(5981): 1009–1014
CrossRef Google scholar
[49]
Liu X, Wang Y, Chen C, Tintaru A, Cao Y, Liu J, Ziarelli F, Tang J, Guo H, Rosas R,  A fluorinated bola-amphiphilic dendrimer for on-demand delivery of siRNA, via specific response to reactive oxygen species. Advanced Functional Materials, 2016, 26(47): 8594–8603
CrossRef Google scholar
[50]
Gorrini C, Harris I S, Mak T W. Modulation of oxidative stress as an anticancer strategy. Nature Reviews. Drug Discovery, 2013, 12(12): 931–947
CrossRef Google scholar
[51]
Trachootham D, Alexandre J, Huang P. Targeting cancer cells by ROS-mediated mechanisms: A radical therapeutic approach? Nature Reviews. Drug Discovery, 2009, 8(7): 579–591
CrossRef Google scholar
[52]
Valentine D L. Adaptations to energy stress dictate the ecology and evolution of the Archaea. Nature Reviews. Microbiology, 2007, 5(4): 316–323
CrossRef Google scholar
[53]
Chen H, Viel S, Ziarelli F, Peng L. 19F NMR: A valuable tool for studying biological events. Chemical Society Reviews, 2013, 42(20): 7971–7982
CrossRef Google scholar

Acknowledgements

We acknowledge support from La Ligue Nationale Contre le Cancer (LP), Fondation pour la Recherche Médicale (SPF20150934261, YC), Association pour la Recherche sur les Tumeurs de la Prostate (LP, XL), Association Française contre les Myopathies (XL), the international ERA-Net EURONANOMED European Research projects “DENANORNA”, “Target4Cancer” and “NANOGLIO” (LP), Agence Nationale de la Recherche, CNRS, Aix-Marseille University and China Pharmaceutical University.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany
AI Summary AI Mindmap
PDF(615 KB)

Accesses

Citations

Detail

Sections
Recommended

/