Molecular engineering of dendrimer nanovectors for siRNA delivery and gene silencing

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

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

[2] Haussecker D, Kay M A. Drugging RNAi. Science, 2015, 347(6226): 1069–1070

[3] Crunkhorn S. Trial watch: Pioneering RNAi therapy shows antitumour activity in humans. Nature Reviews. Drug Discovery, 2013, 12(3): 178–178

[4] Castanotto D, Rossi J J. The promises and pitfalls of RNA-interference-based therapeutics. Nature, 2009, 457(7228): 426–433

[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

[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

[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

[8] Hutvágner G, Zamore P D. A microRNA in a multiple-turnover RNAi enzyme complex. Science, 2002, 297(5589): 2056–2060

[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

[10] Kanasty R, Dorkin J R, Vegas A, Anderson D. Delivery materials for siRNA therapeutics. Nature Materials, 2013, 12(11): 967–977

[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

[12] Liu X, Rocchi P, Peng L. Dendrimers as non-viral vectors for siRNA delivery. New Journal of Chemistry, 2012, 36(2): 256–263

[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

[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

[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

[17] Haensler J, Szoka F C. Polyamidoamine cascade polymers mediate efficient transfection of cells in culture. Bioconjugate Chemistry, 1993, 4(5): 372–379

[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

[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

[20] Guillot-Nieckowski M, Eisler S, Diederich F. Dendritic vectors for gene transfection. New Journal of Chemistry, 2007, 31(7): 1111–1127

[21] Mintzer M A, Simanek E E. Nonviral vectors for gene delivery. Chemical Reviews, 2009, 109(2): 259–302

[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

[24] Biswas S, Torchilin V. Dendrimers for siRNA delivery. Pharmaceuticals, 2013, 6(2): 161–183

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[41] Svenson S. The dendrimer paradox—High medical expectations but poor clinical translation. Chemical Society Reviews, 2015, 44(12): 4131–4144

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[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

[52] Valentine D L. Adaptations to energy stress dictate the ecology and evolution of the Archaea. Nature Reviews. Microbiology, 2007, 5(4): 316–323

[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

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany