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새로운 균일 자기장을 사용하여 자기 폴리에틸렌이민 나노입자의 MG-63 조골세포로의 자기 변형 개선

초록

이 연구는 저분자량 폴리에틸렌이민 변형 초상자성 산화철 나노입자(PEI-SPIO-NPs)와 새로운 균일 자기장의 사용을 통합하여 MG-63 조골세포의 자기 변형을 개선하는 것을 목표로 했습니다. 크기, 제타 전위, pDNA 결합 및 보호 능력과 같은 PEI-SPIO-NP의 우수한 특성은 유전자 전달에 적합한 것으로 결정되었습니다. 새로운 균일 자기장은 폴리에틸렌이민으로 변형된 초상자성 산화철 나노입자/pDNA 복합체(PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체)가 MG-63 세포 표면에 빠르고 균일하게 분포되도록 하여 국소 형질감염을 방지하고 막의 파괴를 감소시켰습니다. 양으로 하전된 PEI-SPIO-NPs의 중앙 집중화에 의해 형질감염 동안 자기 유전자 운반체의 효과적인 적용 범위가 증가하고 자기 감염 효율이 향상됩니다. 이 혁신적인 균일 자기장은 PEI-SPIO-NP와 pDNA 사이의 최적 양을 결정하고 균일한 조건에서 자기 유전자 운반체의 최적 제형 설계를 스크리닝하는 데 사용할 수 있습니다. 가장 중요한 것은, 새로운 균일한 자기장이 PEI-SPIO-NPs/pDNA의 조골 세포로의 형질감염을 촉진하여 골육종 조직에 대한 치료 유전자의 표적 전달을 위한 새로운 접근 방식을 제공할 뿐만 아니라 다른 종양 치료를 위한 참조를 제공한다는 것입니다. /P> <섹션 데이터-제목="배경">

배경

골육종은 주로 어린이와 청소년에게 영향을 미치는 가장 흔한 악성 골종양입니다. 기존 치료법은 개선이 제한적이기 때문에 치료를 위한 새로운 전략이 필수적입니다[1,2,3]. 유전자 요법의 출현으로 연구자들은 골육종에 대한 적용을 평가하게 되었습니다[4,5,6]. 안전하고 효과적인 유전자 전달 시스템은 유전자 치료에 매우 중요합니다. 유전자 전달 시스템은 바이러스 유전자 전달 시스템과 비바이러스 유전자 전달 시스템으로 나눌 수 있습니다. 바이러스 유전자 전달 시스템은 다양한 1차 세포 및 세포주에서 높은 형질감염 효율을 갖는 것으로 나타났습니다. 바이러스성 유전자 전달 시스템은 염증 반응 및 유전자 돌연변이 유발과 같은 안전성 문제와 밀접하게 연관되어 있어 연구자들이 연구를 비바이러스성 유전자 전달 시스템으로 전환하도록 촉구합니다. 그러나 대부분의 비바이러스성 유전자 형질감염 기술은 골육종 세포주를 형질감염시키는 데 특히 효과적이지 않았습니다[8, 9].

지난 10년 동안 유전자 총[10], 초음파[11] 및 전기천공[12]과 같은 다양한 물리적 방법이 형질감염을 개선하는 데 효율적으로 사용되었습니다. 그러나 이러한 물리적 방법은 또한 세포 손상을 유발합니다[13]. 자기장은 일반적으로 세포 손상을 일으키지 않기 때문에 자기 보조 형질감염 기술이 연구자들의 관심을 끌고 있습니다. Mah et al. 은 시험관 내 및 생체 내 모두에서 표적 특이적 향상된 형질감염을 달성하기 위해 녹색 형광 단백질(GFP)-보유 재조합 아데노 관련 바이러스(rAAV)를 자기 나노입자에 연결함으로써 유전자 형질감염 실험에 자기 나노입자를 도입했습니다. 순수한 아데노바이러스와 비교하여 자기 아데노바이러스 나노입자는 동일한 형질감염 속도 조건에서 GFP-운반 rAAV의 투여량을 1%로 줄일 수 있습니다[14]. Scherer et al. 마그네토펙션(magnetofection)이라는 용어는 자성 입자를 사용한 자석 매개 형질감염을 의미합니다[15]. 그 후, Plank et al. 비바이러스 벡터를 사용한 자기 형질감염 기술을 설명했습니다[16]. 비바이러스성 벡터의 마그네토펙션 효율을 더욱 향상시키기 위해 Fouriki et al. 자성 나노 입자에 동적 기계적 자극 효과를 유도하기 위해 진동 자기장의 주파수와 진폭을 조정하여 표적 세포와 접촉할 확률을 높였습니다[17]. Oralet al. 자기장의 속도와 방향을 제어하기 위해 자석의 육각형 축을 역으로 회전시킴으로써 형질감염 효율을 더욱 향상시키고 유전자 운반체의 세포독성을 감소시켰다[18]. 다른 연구에서 Vainauska et al. 자성 유전자 운반체의 전달을 목표로 하기 위해 원통형 영구 자석을 회전시켜 생성된 동적 경사 자기장을 사용했습니다[19].

자기장이 정적 및 단일에서 동적 및 정교함으로 진화함에 따라 자기 변환의 효율성이 크게 향상되었습니다. 그러나 자기장의 균일성과 유효범위에 대한 연구는 제한적이다. 우리가 아는 한, 대부분의 자석 장치는 특정 3차원 공간에서 균일한 자기장을 형성할 수 없으므로 자기 나노입자의 이질적인 분포를 초래하고 자기장의 국부적 형질감염 효과만 달성하고 결과적인 세포 독성을 해결하지 못합니다. 불균일한 자기장은 또한 자기 transfection 시약의 비교를 방해할 뿐만 아니라 transfection 효율성을 감소시킵니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 우리 연구 그룹은 Chongqing University의 전기 공학 대학과 협력하여 새로운 자기장 발생기를 개발했습니다[20, 21]. 자기장 발생기는 일정한 높이에서 균일한 자기장을 형성할 수 있으며, 첨가된 자성 나노입자는 배양판 바닥에 빠르고 균일하게 분포된다. 균일한 자기장은 다양한 transfection 시약의 용량과 transfection 효율 사이의 관계에 대한 비교 연구에 편리할 뿐만 아니라 자성 나노입자의 세포 흡수를 평가하는 데에도 활용될 수 있습니다.

현재 설계에서 우리는 골육종 세포주에서 높은 자기 주입 효율을 가진 신뢰할 수 있는 비바이러스성 유전자 전달 시스템을 구축하는 것을 목표로 했습니다. 선형 Mw20000 폴리에틸렌이민(PEI-20000)은 자성 나노입자의 제조를 위해 선택되었습니다. 이전의 여러 연구에서 선형 PEI 전달 시스템이 생체 내 분지형 PEI 전달 시스템보다 더 나은 형질전환 효율을 가지고 있음을 확인했기 때문입니다[22, 23]. 폴리에틸렌이민 변형 초상자성 산화철 나노입자(PEI-SPIO-NPs)의 특성을 평가하였다. PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체를 MG-63 골육종 세포주로 형질감염시키는 데 사용된 균일한 자기장을 형성하기 위해 새로운 자기장 생성기가 개발되었습니다. 서로 다른 자기장이 자기 변형에 미치는 영향을 체계적으로 조사했습니다.

방법

재료 및 시약

초상자성 산화철 나노입자(SPIO-NPs), 폴리에틸렌이민 염산염(PEI) 및 Hoechst-33,324는 Sigma-Aldrich Co.(St Louis, MO, USA)에서 구입했습니다. PolyMag-200(상업용 마그네토펙션 시약)은 Beijing Chief-East Tech Co., Ltd.(Qwbio)(Beijing, China)로부터 입수했습니다. 1-에틸-3-[3-(디메틸아미노)프로필]카르보디이미드(EDC) 및 N -하이드록시 숙신이미드(NHS)는 Chengdu Xiya Reagent Co.(중국 쓰촨)에서 구입했습니다. PolyMag-200 및 96-웰 세포 배양 마그네틱 플레이트는 Chemicell GmbH(독일 베를린)에서 구입했습니다. Dulbecco의 변형 독수리 배지(DMEM)와 페니실린-스트렙토마이신 및 태아 소 혈청(FBS)은 Invitrogen-Gibco(CA, USA)에서 입수했습니다. 로다민 B 이소티오시아네이트는 Aladdin Ind., Co.(Shanghai, China)로부터 입수하였다. LysoTracker Green DND-26은 Shanghai Wei Jin Biological Technology Co., Ltd.(중국 상하이)에서 입수했습니다. CCK-8 테스트 키트는 Seven Seas Biological Technology Co., Ltd.(Shanghai, China)에서 구입했으며 Endo-free Plasmid Maxi Kit-25는 OMEGA(GA, USA)에서 구입했습니다. Phosphate-buffered saline(PBS) 및 기타 시약은 실험실에서 준비되었습니다. 모든 용매와 화학 물질은 분석 등급이었습니다.

PEI-SPIO-NP의 합성

PEI-SPIO-NP는 이전에 설명한 대로 준비되었습니다[24]. 간단히 말해서, 0.1g의 EDC와 0.5g의 NHS를 15mL의 carboxyl-modified SPIO-NPs 수용액(5mg/mL, pH 5로 조정)에 첨가하고 용액을 실온에서 4-6시간 동안 교반하여 활성화 산화철 나노입자의 카르복실. 다음으로 동량의 폴리에틸렌이민염산염 수용액(20 mg/mL)을 가하여 몇 시간 동안 반응시켰다. 생성된 접합된 PEI-SPIO-NPs 용액을 2일 동안 증류수에 담근 투석막(MWCO 20,000)을 사용하여 투석하여 접합되지 않은 PEI 분자 및 중간체를 제거했습니다. 나노입자 용액의 분취량을 동결건조하여 보관하였다.

PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 합성 및 특성화

PEI-SPIO-NPs의 합성은 위에서 설명한 바와 같으며, PEI-SPIO-NPs와 plasmid DNA(pDNA)를 37°C에서 10분 동안 별도로 예열한 다음 다른 N/P 비율로 함께 혼합하여 준비했습니다. PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체. PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 형태는 투과전자현미경(TEM, CM100, Philips, Netherlands)으로 측정하였고 유체역학적 직경은 동적 광산란(DLS, Nicomp 380, PSS, FL, USA)으로 측정하였다. . SPION 및 PEI-SPIO-NP의 자기 특성은 300K에서 EV-11 진동 샘플 자력계(PPMS-9, Quantum Design, San Carlos, CA, USA)로 조사되었습니다. 측정값은 철의 무게로 정규화되었습니다. 각 샘플 및 측정값은 ICP-OES(Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer)를 통해 확인되었습니다.

표면 전하는 인산 완충 식염수(PBS, pH =7.4)에서 동적 광산란 장치(Malvern, Southborough, MA, USA)를 사용하여 제타 전위를 측정하여 측정했습니다. PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체는 PEI-SPIO-NPs 용액을 pDNA 용액에 첨가하여 2.5~25 범위의 다양한 N/P 몰비로 제조하고 최종 pDNA 농도를 30μg/mL로 조정했습니다.

PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 성분은 원자력 현미경(IPC-208B, Chongqing University, Chongqing, China)을 사용하여 검출되었습니다. 관찰용 담체로 사용된 작고 박편화된 금속을 아세톤으로 세척하고 건조시켰다. 그 다음, 안티센스 프로브 샘플 몇 방울을 금속 위에 놓고 공기 건조시켰다. 샘플의 표면 형태는 700 nm × 700 nm 및 1000 × 1000 픽셀의 대규모 스캔 영역에서 관찰되었습니다. 샘플의 분자 구조와 미세 구조는 9nm × 9 nm 및 800 × 800 픽셀의 소규모 스캔 영역에서 관찰되었습니다. 원본 이미지 데이터를 컴퓨터로 전송하고 G2DR 소프트웨어를 사용하여 3D 재구성을 수행했습니다[25]. 측정은 각 그룹에 대해 세 번 반복되었습니다.

PEI-SPIO-NP와 결합한 후 pDNA의 이동성을 겔 전기영동으로 분석하였다. PEI-SPIO-NPs/pDNA의 N/P 비율은 1/5, 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30이었고, 여기서 DNA 함량은 3μg으로 유지되었습니다. 37°C에서 15분간 배양한 후 10 μL의 혼합 용액을 1% 아가로스 겔 전기영동(90V, 30분)으로 분석했습니다. Naked pDNA를 대조군으로 사용했습니다.

DNase I에 대한 pDNA 보호에 대한 PEI-SPIO-NP의 효과를 평가했습니다. 다양한 N/P 비율의 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체와 네이키드 pDNA(3μg)를 37°C, 5% CO2에서 배양했습니다. DNase/Mg 2+ 의 DNase I(4 U)을 사용하여 30분 동안 습하지 않은 환경 50mM Tris-HCl(pH=7.6) 및 10mM MgCl2로 구성된 분해 완충액 . 그런 다음 최종 농도가 2.5mM이 될 때까지 EDTA 용액(pH=8.0)을 첨가하여 DNase I을 비활성화했습니다. 그런 다음 샘플을 65°C에서 15분 동안 배양하고 1mg/mL 나트륨 헤파린 10μL를 첨가하여 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체에서 pDNA를 방출했습니다[26]. pDNA의 무결성은 1% 아가로스 겔 전기영동(90V, 30분)으로 평가했습니다.

자기장

새로운 자기장 발생기(그림 4)는 우리 그룹이 Chongqing University의 전기 공학 대학과 협력하여 개발했습니다[20, 21]. 균일한 자기장의 자석 배열을 보여주기 위해 3D CAD 이미지를 사용했습니다. 관심 영역에서 자기장의 XOY 평면 분포와 3D 분포를 표시했습니다. 서로 다른 자기장에서 PEI-SPION-NPs의 분포가 관찰되었으며, 불균일 자기장(96-well Nd-Fe-B 영구판)이 대조군으로 사용되었습니다.

세포 배양

인간 골육종 세포주 MG-63(원래 American Type Culture Collection에서 제공)은 Chongqing Engineering Research Center of Stem Cell Therapy(Chongqing, China)에서 입수했습니다. 세포를 10% FBS, 100U/mL 페니실린 및 100mg/mL 스트렙토마이신이 보충된 DMEM에서 유지하고 37°C에서 5% CO2로 배양했습니다. 95% 상대 습도.

시험관 세포독성

CCK-8 테스트 키트를 사용하여 MG-63 골육종 세포에 대한 pDNA가 있거나 없는 다른 나노입자와 자화 또는 비자화 나노입자의 시험관 내 세포독성 효과를 측정했습니다. 세포를 96웰 배양 플레이트에 4 × 10 3 의 밀도로 시딩했습니다. 웰당 세포 수, 다양한 나노입자를 추가하고 24시간, 48시간, 72시간, 96시간 동안 배양했습니다. CCK-8 용액(배양 배지의 10% 부피)을 미리 설정된 시점에 각 웰에 첨가하고, 세포를 추가로 2시간 동안 배양했습니다. 세포의 광학 밀도는 450nm의 파장에서 형광 마이크로플레이트 판독기를 사용하여 평가되었으며, 흡광도 값은 높은 세포 생존율을 반영합니다. 높은 생존력의 관찰은 나노입자가 낮은 세포독성 효과를 유도함을 나타냅니다. PolyMag-200/pDNA 및 PolyMag-200을 양성 대조군으로 사용했습니다. 서로 다른 자기장이 세포에 미치는 독성 효과를 연구하기 위해 유전자 벡터로 PEI-SPIO-NPs(pDNA 없음)를 선택하고 서로 다른 시점에서 서로 다른 자기장이 개입된 세포의 광학 밀도를 조사했습니다.

공초점 현미경 분석

공초점 레이저 스캐닝 현미경으로 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체 또는 폴리에틸렌이민 나노입자(PEI-NP)의 흡수를 관찰했습니다. MG-63 골육종 세포를 24mm 유리 접시에 3 × 10 5 의 밀도로 시딩했습니다. 우물 당. Rhodamine B isothiocyanate(RBITC)-표지된 PEI-SPIO-NPs/pDNA(3μg) 복합체를 세포에 첨가하고 균일한 자기장 또는 불균일한 자기장의 작용하에 30분 동안 배양했습니다. RBITC로 표지된 PEI-NPs/pDNA 복합체는 자기장의 개입 없이 세포에 추가되었습니다. 그런 다음 세포를 PBS(0.01M)로 즉시 두 번 세척하여 유리 RBITC 표지 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체 또는 RBITC 표지 PEI-NPs/pDNA 복합체를 제거하고 처리된 세포를 6-24시간 동안 배양했습니다. . 형질감염 후 6, 12, 24시간에 배지를 제거하고 세포 핵을 Hoechst 33342로 5분 동안 염색했습니다. Hoechst 33342 잔류물을 제거한 후 세포를 0.5mM LysoTracker Green DND-26을 포함하는 미리 데워진 배지에서 1시간 동안 배양한 다음 미리 데워진 PBS로 두 번 세척했습니다. 세포는 다음 여기(Ex) 및 방출(Em) 파장[GFP(Ex:488nm)으로 형광색소를 시각화하기 위해 × 40 대물렌즈를 사용하여 공초점 레이저 스캐닝 현미경(LSM 700, Carl Zeiss, Oberkochen, Germany)에서 이미지화되었습니다.; Em:530nm), Hoechst(예:350nm, Em:460nm), LysoTracker Green(예:443nm, Em:505nm), RBITC(예:554nm, Em:576nm)] [27 ].

유세포분석

MG-63 세포를 12웰 플레이트에 접종했습니다(1 × 10 5 웰당 세포) 24시간 동안 PBS로 두 번 헹구고 형질감염 전에 37°C에서 0.8mL Opti-MEM 배지와 함께 1시간 동안 사전 배양했습니다. PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체(N/P =10) 또는 3μg pDNA를 포함하는 PEI-NPs/pDNA 복합체(N/P =10)를 각 웰에 첨가하고 세포 배양 플레이트를 균일한 또는 20분 동안 불균일한 자기장. PolyMag-200/pDNA를 양성 대조군으로 사용했습니다. 4시간 후, 세포를 1mL PBS(0.01M)로 3회 세척하여 유리 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체 또는 PEI-NPs/pDNA 복합체를 제거하고, 세포를 추가로 24시간 동안 배양했습니다. 인큐베이션 후 세포를 수집하고 유세포 분석법(BD FACS Canto II, BD Biosciences, San Jose, CA, USA)에 의해 형질감염 효율을 평가했으며, 실험의 이 부분을 3회 반복했습니다.

통계 분석

정량적 데이터는 삼중(n =5) 평균 ± 표준편차로 표현된다. 다중 비교 및 ​​학생의 t를 위한 일원 분산 분석을 사용하여 통계 분석을 수행했습니다. 그룹 간 비교 테스트. 값 <0.05는 통계적으로 유의한 것으로 간주되었습니다.

결과 및 토론

자기의 원리

Magnetofection은 초상자성 나노입자와 연관되어 있고 자기 구배장의 적용에 의해 표적 세포에 축적되는 벡터로 정의됩니다[15]. 그림 1은 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 구성요소와 형태, 그리고 마그네토펙션의 기본 원리를 보여줍니다. 느린 벡터 축적과 결과적으로 표적 조직의 낮은 벡터 농도는 효과적인 유전자 전달에 대한 간단하지만 강력한 장벽으로 확인되었습니다[28]. 마그네토펙션의 주요 효능 향상 메커니즘은 표적 세포에 대한 전체 벡터 용량의 급속한 침강으로 나타나며, 이러한 세포의 최대 100%는 몇 분 내에 표면에 결합된 벡터 입자를 갖게 됩니다. 따라서, 마그네토펙션은 느린 벡터 축적의 강력한 장벽과 결과적으로 표적 조직에서 낮은 벡터 농도를 극복하는 적절한 도구입니다. PEI-SPIO-NPs/pDNA는 무작위로 복합체를 형성하며 자기장이 없는 상태에서 표적 세포에 침착하는 데 제한적이고 시간 소모적입니다. 그럼에도 불구하고, PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체는 자기장이 있는 상태에서 비교적 짧은 시간에 표적 세포에 광범위하고 균일하게 접촉할 수 있으며, 이는 세포의 단위 면적에서 세포내이입의 기회를 증가시킬 수 있으므로 PEI-SPIO-NPs/pDNA complex의 활용도를 높이고 transfection 효율을 높입니다.

<그림>

PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체를 사용한 자기감염 개요. 라이닝된 폴리에틸렌이민(LPEI)과 초상자성 산화철 나노입자(SPIO-NP)는 탈수 축합 반응에 의해 연결됩니다. 이를 위해 SPIO-NP는 LPEI로 코팅되었습니다. 즉, LPEI는 SPIO-NP의 표면에 단단히 결합되어 함께 PEI-SPIO-NP를 형성합니다. PEI-SPIO-NP가 네이키드 pDNA와 혼합되면 음전하를 띤 pDNA가 정전기 흡착을 통해 양전하를 띤 PEI-SPIO-NP에 결합합니다. 세포는 복합체를 세포 쪽으로 끌어당기는 자기장의 존재 하에 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체와 함께 배양됩니다. 마그네토펙션의 결과는 본질적으로 모든 세포가 벡터와 접촉하고 높은 비율의 세포가 빠르게 형질감염된다는 것입니다.

PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 특성화

그림 2a는 PEI-SPIO-NPs가 대략 구형이고 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체가 응집된 것처럼 보이며 둘 다 유리한 분산성을 가지며 양전하와 음전하 사이의 인력으로 인해 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체가 작은 크기. PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 히스테리시스 루프는 그림 2b에 나와 있습니다. 원자 흡수 분광계로 측정한 PEI-SPION-NPs의 산화철 중량%는 20.33(± 2.87)%이다. PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 포화 자화는 21.5(± 1.6) emu/g의 철이었다. 변형되지 않은 초상자성 산화철 나노입자에 비해 감소된 자기 특성에도 불구하고, PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체는 고효율 자기 주입에 필요한 우수한 자기 반응성을 나타냈습니다.

<그림>

PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 특성. PEI-SPIO-NPs 및 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 TEM. SPIO-NP 및 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 히스테리시스 루프. 다양한 N/P 비율에서 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 제타 전위 및 유체역학적 직경. d AFM 그레이스케일 이미지 및 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 분자 구조. 빨간 점은 SPIO 화학 그룹의 위치를 ​​나타내고, 녹색 점은 질소 원자를 나타내고, 노란 점은 탄소 원자를 나타내고, 인 원자는 흰색 원 검은 점으로 표시됩니다. (a) PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체 및 e의 크기 분포 (b) Malvern Zetasizer 동적 광산란 기기로 측정한 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 제타 전위. 결과는 평균 ± SD(n =5)

유체역학적 직경과 제타 전위는 유전자 운반체의 필수 매개변수로 간주되었습니다. 그림 2c는 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 유체역학적 직경이 200(± 21.7) nm이고 N/P 비율(NH2 —PEI / PO4의 그룹 - pDNA의 그룹) 2.5 및 175(± 16.4) nm(N/P 비율이 5일 때)는 전위가 음에서 양으로 전환되는 동안 크기의 급격한 변화가 발생했음을 나타냅니다. 이후 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체 사이의 반발력은 N/P 비율이 높을수록 증가하여 나노입자의 크기가 증가했음을 나타냅니다.

우리는 원자 배열에 따른 화학 결합의 유형을 분석하고 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 분자 구조를 추가로 추측했습니다. PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 분자 구조는 원자력 현미경(AFM, 그림 2d)에 의해 간접적으로 공개되었는데, 이는 초상자성 산화철 나노입자의 카르복실기가 아미드 결합에 의해 PEI의 1차 아민과 결합되었음을 보여줍니다. 또한, pDNA는 뉴클레오티드 사슬의 포스페이트 그룹과 PEI의 아민 그룹 사이의 정전기적 결합을 통해 PEI 분자 사슬에 싸여 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체를 형성합니다. AFM 그레이 스케일 이미지에서 빨간 점은 철 원자의 위치를 ​​나타내고, 녹색 점은 질소 원자를 나타내고, 노란 점은 탄소 원자를 나타내고, 인 원자는 검은 점이 있는 흰색 원으로 표시됩니다.

그림 2e와 같이 동적 광산란 장비를 사용하여 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 잠재력을 감지했습니다. pH =7에서 초상자성 산화철 나노입자(SPIO-NP)의 전위는 - 6.6(± 1.1) mV였으며, 이는 표면에 카르복실기가 존재함을 나타냅니다. PEI-SPIO-NP의 전위는 + 18.2(± 1.5) mV였습니다. SPIO-NP로 변형된 PEI의 잠재력은 양전하를 띤 표면으로 변형되어 음전하를 띤 pDNA와 결합하는 유전자 운반체로 사용될 수 있습니다. 우리는 다른 N/P 비율에서 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 표면 전하 변화를 평가했습니다. PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체는 2.5의 낮은 N/P 비율에서도 음의 표면 전하를 나타내었고 N/P 비율이 5로 증가함에 따라 점차적으로 양의 표면 전하로 변환되었습니다. 이러한 N/P 비율의 증가 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체에서 폴리플렉스의 표면 양전하가 증가했습니다. N/P 비율이 10일 때, PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체(N/P =10)의 전위는 + 11.9(± 1.2) mV였고, 표면 전하는 안정기에 도달했습니다. 양전하를 띤 복합체는 음전하를 띤 세포막과 접촉하여 복합체를 형성한 나노입자의 세포 흡수를 가능하게 하였다[29]. PEI-SPIO-NP는 음전하를 띤 pDNA의 유전자 운반체로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 표적 약물 전달을 위한 일정 수준의 자성에 기여하고 자기공명영상(MRI) 조영제 영상에 사용되는 조영제가 된다[30, 31] .

유전자 운반체의 기본적인 요구 사항은 형질감염 운반체가 핵산과 안정한 복합체를 효율적으로 형성해야 한다는 것입니다. 결합 능력을 평가하기 위해 유사한 부피의 PEI-SPIO-NPs 용액과 pDNA 용액을 다른 N/P 비율로 혼합하고 와류시켰다. 그런 다음 혼합물의 10μL 분취량을 아가로스 겔 전기영동으로 분석했습니다(그림 3a). Naked pDNA와 달리 플라스미드의 이동은 N/P 비율 5에서 완전히 차단되어 PEI-SPIO-NP가 pDNA를 완전히 농축했음을 나타냅니다[32].

<그림>

PEI-SPIO-NP의 pDNA 결합 분석 및 pDNA 보호 분석. 다양한 N/P 비율에서 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 아가로스 겔 전기영동. DNase-I 처리 후 PEI-SPIO-NPs/pDNA의 전기 영동 이동성 분석. 다양한 N/P 비율과 pDNA(3μg)의 PEI-SPIO-NP를 5% CO2에서 37°C에서 배양했습니다. DNase/Mg 2+ 의 DNase-I(4 U)를 사용하여 30분 동안 습하지 않은 환경 50mM Tris-HCl(pH =7.6) 및 10mM MgCl2로 구성된 분해 완충액 . 그런 다음 최종 농도가 2.5mM이 될 때까지 EDTA 용액(pH =8)을 추가하여 DNase I을 비활성화했습니다. 그런 다음 샘플을 65°C에서 15분 동안 인큐베이션하고 1mg/mL 나트륨 헤파린 10μL를 첨가하여 PEI-SPIO-NPs/pDNA에서 pDNA를 방출했습니다. pDNA의 무결성은 1% 아가로스 겔 전기영동(90V, 30분)으로 평가되었습니다.

잠재적인 유전자 운반체로서의 PEI-SPIO-NP의 또 다른 특징은 pDNA가 뉴클레아제에 의해 분해되지 않도록 보호하여 형질감염을 유리하게 할 수 있다는 것입니다. 그림 3b는 네이키드 pDNA가 DNase-I에 의해 크게 분해됨을 보여줍니다. N/P 몰비 <5에서 PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체는 완전히 소화된 반면, PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체(N/P =5:1)에서 방출된 pDNA는 그대로 유지되었습니다. 이러한 DNase-I 보호 분석의 결과는 PEI-SPIO-NP가 DNase-I 소화로부터 pDNA를 효과적으로 보호하여 유전자 치료에 대한 잠재적인 응용을 암시함을 보여주었습니다.

위에서 나타낸 바와 같이, N/P가 <5일 때, PEI-SPIO-NP는 뉴클레아제 분해로부터 pDNA를 보호할 수 없었다. PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 크기는 N/P가> 10일 때 증가하여 벡터 수송에 적합하지 않았습니다[33, 34]. PEI-SPIO-NPs/pDNA 복합체의 크기가 가장 작았고 N/P =5에서 안정성을 보였고, PEI-SPIO-NPs의 제타 전위는 N/P> 10일 때 유의하게 증가하지 않았다. PEI-SPIO-NPs/pDNA의 안정성을 보장하기 위해 후속 실험을 위해 10의 N/P 비율을 선택했습니다.

자기장의 생성

새로운 Halbach 자기장 발생기(그림 4a, b)는 Chongqing University의 전기 공학 대학과 공동으로 우리 그룹에 의해 개발되었습니다[20, 21]. 새로운 자기장 발생기는 9개의 동일한 직육면체 영구 자석 모듈과 2개의 수동 시밍 시트(그림 4c)로 구성되어 수평면에서 매우 균일한 자기장을 생성합니다.

<그림>

자기장 발생기 및 자기장 균일성 및 PEI-SPIO-NP는 서로 다른 자기장에 분포되어 있습니다. Graussmeter에 의한 자기장 균일성 측정. 균일한 자기장 발생기. 균일한 자기장 발생기의 자석 배열의 3D 이미지(각 자석의 크기는 40 × 40 × 200mm 3 ) ). d 96웰 자기장 발생기. 96웰 자기장 발생기의 자기장 균일성. 균일 자기장 발생기의 자기장 균일성 96웰 자기장에서 PEI-SPIO-NP의 분포. 균일한 자기장에서 PEI-SPIO-NP의 분포. 균일한 자기장(50mm × 50mm) 및 j의 XOY 평면 분포 균일한 자기장의 3D 분포

최적화된 자석 구조는 YOZ 평면에서 50mm × 50mm 영역의 수평 방향으로 평평하게 분포하는 자기장을 생성할 수 있습니다. 기울기는 2mT/mm의 기울기로 수직 방향으로 분포됩니다. 자기장은 1.3 × 10 −3 의 균일성과 함께 50mm × 50mm의 XOY 영역에 균일하게 분포됩니다. 그리고 자기장이 0.0739T일 때 세포배양판이 놓여진 관상면과 시상면의 자기강도는 각각 0.0632T와 0.07T였다. 80%(그림 4d, e). 그러나 새로운 Halbach 자기장에서 각 우물의 균일성 차이는 2‰보다 작으므로 두 자기장 사이의 균일성 차이는> 100배입니다(그림 4f). 이 경우 96-well cell culturing magnetic plate를 불균일한 자기장으로 설정하였고, 새로운 Halbach 자기장은 비교적 균일한 자기장으로 후속 연구를 위한 실험도구로 사용하였다.

PEI-SPIO-NP의 분포는 자기장의 영향을 크게 받았습니다. PEI-SPIO-NP는 중력으로 인해 점차적으로 가라앉았고 자기장이 없을 때 무작위로 분포했습니다. 자기장이 가해지면 PEI-SPIO-NP가 플레이트 바닥으로 빠르게 가라앉습니다. 또한, 분포는 다른 자기장에서도 크게 변경될 수 있습니다. 기존의 불균일 자기장(96-well cell culturing magnetic plate)에서 PEI-SPIO-NPs는 덩어리 또는 밴드로 모여서 자기력선을 따라 분포되었습니다(그림 4g). 그러나 PEI-SPIO-NP는 새로운 자기장 발생기에 의해 유도된 균일한 자기장에 균일하게 분포되었습니다(그림 4h). 자기장의 XOY 평면 분포와 3D 분포(그림 4i, j)에서 알 수 있듯이 그림의 빨간색 영역은 약 2,000분의 2의 균일도(Z =10 mm)이며, 대상 영역의 자기장 기울기는 약 1.3 t/m(130 G/cm)임을 알 수 있습니다. The magnetic field generated in the designated area could obtain a good flat property in the horizontal direction by adjusting the arrangement of the magnet module and changing the magnetization direction of the magnet module.

Assessment of In Vitro Cytotoxicity

We used CCK-8 kits to evaluate the effects of magnetization, magnetic field, and pDNA on the cytotoxicity of nanoparticles. Figure 5a shows that with the prolongation of culture time, the absorbance values increased in all the groups except for the PolyMag-200/pDNA groups. The absorbance values of PEI-SPIO-NPs/pDNA group were higher than that of PEI-NPs/pDNA group and PolyMag-200/pDNA group (P  < 0.05) and lower than that of the control group (P  > 0.05), suggesting that the cytotoxicity of PEI-SPIO-NPs/pDNA complexes is lower than unmagnetized PEI-NPs/pDNA complexes and PolyMag-200/pDNA complexes. Figure 5b shows the negative effects on the absorbance values caused by the uniform and non-uniform magnetic fields. The negative effect caused by the uniform magnetic field was smaller than that caused by the non-uniform magnetic field (P <0.05). As shown in Fig. 5c, the absorbance values of nanoparticles without pDNA is significantly lower than that of nanoparticles with pDNA (P  < 0.05), which meant nanoparticles added with pDNA have low cytotoxicity effect to Mg-63 osteoblasts.

Comparison of cytotoxicity effects of the uniform magnetic field and non-uniform magnetic field, PEI-SPIO-NPs/pDNA complexes, PolyMag-200/pDNA complexes and PEI-NPs/pDNA complexes, and different nanoparticles with pDNA and without pDNA on MG-63 osteoblasts. Cytotoxicity is detected by the CCK-8 test kit, the absorbance was measured at a wavelength of 450 nm, which reflects the cell viability, and the high viability is indicative of the low cytotoxicity. The results are expressed as the mean ± SD (n  = 5, one-way ANOVA, *P  < 0.05, **P <0.01). The cytotoxicity effects of PEI-SPIO-NPs/pDNA complexes, PolyMag-200/pDNA complexes and PEI-NPs/pDNA complexes on MG-63 osteoblasts. The cytotoxicity effects of the uniform magnetic field and non-uniform magnetic field on MG-63 osteoblasts and c the cytotoxicity effects of different nanoparticles with pDNA and without pDNA

Although PEI is an efficient transfection reagent, its cytotoxicity is strongly and positively correlated with its transfection efficiency and the mechanism of cytotoxicity caused by PEI is not very clear [35]. The present study found that during transfection, PEI increases the permeability of the cell membrane and damages the integrity of the mitochondrial and nuclear membranes [36, 37]. Sonawane et al. [38] reported that PEI25K promotes the release of mitochondrial protons and inhibits the electron transport chain in a dose- and time-dependent manner, indicating that PEI induces cell apoptosis. Another study showed that PEI induces cell autophagy, which is closely related to cytotoxicity [39]. The cytotoxicity of magnetized PEI decreased, and this might be attributable to the surface carboxyl groups of superparamagnetic iron oxide nanoparticles, which are negatively charged, thus partly neutralizing the positive charge of the PEIs and decreasing the chances of incurring irreversible damage. The non-uniform magnetic field induced PEI-SPIO-NPs/pDNA complexes to gather into masses or bands, and be distributed along with the lines of magnetic force (Fig. 4b), thereby causing severe damage to parts of the cell membrane and even cell death due to the excessively high number of positive charges [40]. In contrast, PEI-SPIO-NPs/pDNA complexes were uniformly distributed across the uniform magnetic field, thereby decreasing the accumulation of positive charges and reducing the cytotoxicity.

Nanoparticles added with pDNA have low cytotoxicity effect to Mg-63 osteoblasts than nanoparticles without pDNA; this may be attributed to the negatively charged pDNA partially neutralize the surface positive potential of the cationic nanoparticles at the beginning of magnetofection progress. Moghimi SM et al. concluded that PEI-induced cellular toxicity could been defined as a two-stage process, with the first stage taking place within 30 min of PEI uptake [41]. Stage-one toxicity has been defined as necrosis that is based on compromise of cell membrane integrity mediated by PEI binding to negatively charged plasma membrane proteoglycans, with highly cationic NPs being extremely cytotoxic [42]. After internalized by MG-63 osteoblast, different nanoparticles exhibits similar cytotoxic mechanisms, internalization leads to proton buffering, osmotic pressure, and eventual lysis of lysosomal membranes, releasing hydrolytic enzymes and other lysosomal constituents into the cytoplasm [43].

Cellular Uptake of PEI-SPIO-NPs/pDNA Complexes

To better understand the intracellular distribution of PEI-SPIO-NPs/pDNA complexes or PEI-NPs/pDNA complexes and the relationship between intracellular uptake of complexes and transfection efficiency, a laser scanning confocal microscope was used to trace the magnetized RBITC-PEI-SPIO-NPs/pDNA complexes and non-magnetized RBITC-PEI-NPs/pDNA complexes during transfection of MG-63 cells. LysoTracker Green D26 is a specific marker for lysosomes, and Hoechst 33342 specifically stains nuclei. Overlapping green and red fluorescence, which yields yellow fluorescence, represents colocalization and indicates entrapment of polyplexes in lysosome.

Figure 6 shows that extensive co-localization was observed at 6 h post-transfection, which indicates that most of the complexes were entrapped in endosomes. The RBITC-PEI-SPIO-NPs/pDNA + uniform magnetic field group showed a higher frequency of co-localization than the RBITC-PEI-SPIO-NPs/pDNA + non-uniform magnetic field group and the RBITC-PEI-NPs/pDNA group (arrow). At 12 h post-transfection, most of the red fluorescence had already translocated from the green fluorescence of lysosomes to the surrounding blue fluorescence of nuclei, and some green fluorescence of gene expression was visible in the cytoplasm, which indicated that most complexes escaped the endosomes via the proton sponge effect [44, 45] (arrow). The fluorescent signals of the RBITC-PEI-SPIO-NPs/pDNA + uniform magnetic field group were more distinct than those of the RBITC-SPIO-PEI-NPs/pDNA + non-uniform magnetic field group and the RBITC-PEI-NPs/pDNA group. It was interesting that the cytoplasm emitted green fluorescence in the RBITC-PEI-SPIO-NPs/pDNA + uniform magnetic field group, which indicated expression of GFP, thereby illustrating the proton sponge effect that facilitates gene expression. At 12 h post-transfection, some nuclei emitted red fluorescence in the RBITC-PEI-SPIO-NPs/pDNA + uniform magnetic field group, indicating that complexes had been transported into nuclei, which may be attributable to the mechanical effect of magnetofection (arrow). At 24 h post-transfection, the green fluorescence in the cytoplasm showed maximal levels, the RBITC-PEI-SPIO-NPs/pDNA + uniform magnetic field group showed more intense green fluorescence than the RBITC-PEI-SPIO-NPs/pDNA + non-uniform magnetic field and the PBITC-PEI-NPs group (arrow). The affiliated magnetic field enabled the magnetic nanoparticles to attach rapidly to the cell membrane and accelerate intracellular uptake of magnetic nanoparticles. By contrast, up to 100% of these cells will have vector particles bound to their surfaces within a few minutes in the presence of the novel uniform magnetic field; more vectors adherence leads to a greater probability of cellular uptake, and transfection efficiency is positively correlated with uptake capability [46].

Intracellular tracking of PEI-SPIO-NPs/pDNA complexes in the presence of uniform magnetic field (uniform MF) or non-uniform magnetic field (non-uniform MF) and PEI-NPs/pDNA complexes without magnetic field (No MF) at 6, 12, and 24 h post-transfection to MG-63 osteoblasts. Confocal images were obtained from three channels and overlaid:red indicates RBITC-PEI-SPIO-NPs/pDNA complexes (excitation:554 nm; emission:576 nm), green represents lysosomes stained with Lysotracker-DND26 and the homogeneous green in the cytoplasm implies GFP expression (excitation:443 nm; emission:505 nm), blue signifies the nuclei stained by the Hochest 33342. (excitation:359 nm; emission:461 nm)

In Vitro Transfection

Because PEI-SPIO-NPs are endowed with promising attributes such as pDNA condensation ability and high cell viability, we next used it as a gene carrier to determine the role of novel uniform and non-uniform magnetic fields on transfection efficiency. To evaluate the effectiveness of magnetofection, we selected the MG-63 osteosarcoma cell line as target cells and used GFP-pDNA as the reporter gene.

GFP expression was observed by inverted fluorescence microscopy at 24 h post-transfection. Figure 7a shows that the PEI-SPIO-NPs/pDNA group yielded significantly higher transfection efficiencies than the PEI-NPs/pDNA group in the presence of the uniform or non-uniform magnetic field, which is obvious in the uniform magnetic field group (P  < 0.05), the transfection efficiency of the uniform magnetic field group was 42.1%, which is roughly two times higher than that of the non-uniform magnetic field group. Although PolyMag-200/pDNA showed high transfection efficiency and has been confirmed to transfect most adherent cell lines, it is also highly cytotoxic. The cells were collected for flow cytometry at 48 h post-transfection (Fig. 7b), and the statistical analysis results were in agreement with the findings from fluorescence microscopy (Fig. 7c).

MG-63 osteoblasts transfected with PEI-SPIO-NPs/pDNA or PEI-NPs/pDNA under the condition of no magnetic field, non-uniform magnetic field, or uniform magnetic field. GFP-pDNA was used for reporter gene in combination with PEI-NPs or PEI-SPIO-NPs (N/P = 10), and the cells were exposed to the non-uniform or uniform magnetic fields for 20 min. At 24-h post-transfection, cell images were captured under an inverted fluorescent microscope. PolyMag-200 comprise commercial magnetic transfection reagents that were used as positive control, naked pDNA was used as the negative control. At × 40 magnification in an inverted fluorescent microscope. Transfection efficiency was calculated by flow cytometer and c statistical analysis of the transfection efficiency of PEI-SPIO-NPs/pDNA group, PolyMag-200/pDNA group and PEI-NPs/pDNA group. The results are expressed as the mean ± SD (n  = 5, one-way ANOVA, *P  < 0.05, **P  < 0.01)

The mechanism underlying the increase in transfection efficiency by magnetofection is currently unclear. Previous studies have demonstrated that magnetofection does not involve magnetic nanoparticles being pulled directly into the cells by the magnetic field, magnetic nanoparticles enter cells via endocytosis and remain intact upon cellular uptake [47]. The observed significant increase in transfection efficiency may be due to the synergistic effect of accelerated sedimentation and fast internalization [48, 49]. The number of magnetic complexes that enter each cell apparently influences pDNA content. Although genes must still escape endosomes before transcription, transfection efficiency is positively correlated with uptake capability [50], branched PEIs showed a higher uptake rate. However, once inside the cell, lysosomal escape becomes the key to transfection, especially with higher N/P ratios, and linear PEIs showed higher rates of lysosomal escape [51,52,53]. Because of the magnetic force, PEI-SPIO-NPs can quickly come in close contact with cell membranes, which to some extent, increases the uptake capability of complexes. Once the complexes are inside the cell, PEIs provide a structural advantage and facilitate timely release of pDNA, which is eventually expressed by the cells.

Conclusions

The novel magnetic field generator has been developed to induced a uniform magnetic field, in which the PEI-SPIO-NPs/pDNA complexes are rapidly and uniformly distributed on the surface of MG-63 osteoblasts, thereby averting local transfection and decreasing disruption of the membrane caused by centralization of positively charged PEI-SPIO-NPs/pDNA complexes, ultimately resulting in an increase in the effective coverage of the magnetic gene carriers during transfection, and improving magnetofection efficiency. This innovative uniform magnetic field could be used to determine the optimal amount of PEI-SPIO-NPs and pDNA, and screen for the optimal formulation design of a magnetic gene carrier under homogeneous conditions. Most importantly, the novel uniform magnetic field facilitates the transfection of PEI-SPIO-NPs/pDNA complexes into osteoblasts, which provides a novel approach for the targeted delivery of therapeutic genes to osteosarcoma tissues and serves as a reference for the treatment of other tumors. However, a series of comprehensive studies are warranted to establish the therapeutic potential of PEI-SPIO-NPs that are integrated into a novel uniform magnetic field in combating osteosarcoma.

약어

AFM:

원자력 현미경

CLSM:

Confocal laser scanning microscopy

DLS:

동적 광산란

DMEM:

Dulbecco’s modified Eagle’s medium

EDC:

1-Ethyl-3-[3-(dimethylamino) propyl] carbodiimide

FBS:

Fetal bovine serum

GFP:

Green fluorescent protein

ICP-OES:

유도 결합 플라즈마 광 방출 분광계

MF:

Magnetic field

MG-63:

Human osteoblasts

MRI:

자기공명영상

MWCO:

Molecular weight cut off

NHS:

아니 -hydroxy succinimide

PBS:

인산염 완충 식염수

pDNA:

Plasmid DNA

PEI:

폴리에틸렌이민

PEI-NPs:

Polyethylenimine nanoparticles

PEI-SPIO-NPs:

Polyethylenimine modified superparamagnetic iron oxide nanoparticles

RBITC:

Rhodamine B isothiocyanate

SPIO-NPs:

Superparamagnetic iron oxide nanoparticles

TEM:

투과전자현미경

VSM:

Vibrating sample magnetometer


나노물질

  1. 전자기
  2. 자기 측정 단위
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