Charakterystyka i ocena potencjału dendrymerów karbokrzemowych jako nośników siRNA przez modelową barierę krew–mózg

Abstract

siRNA-based approaches represent a plausible disease-modifying strategy for Alzheimer’s disease, but their therapeutic use is restricted by the unfavorable pharmacokinetic profile of naked oligonucleotides and the restrictive properties of the blood–brain barrier. A carbosilane dendrimer–siRNA nanosystem was developed and validated through a hierarchical testing strategy designed to connect synthetic identity with biological performance under blood–brain barrier constraints. Biophysical and cytotoxicity profiling identified G3Si PEG6000 as the most suitable carrier among four candidate dendrimers. Protein interaction studies demonstrated rapid formation of a biologically relevant corona, with multivalent, predominantly entropy-driven binding accompanied by conformational rearrangements of plasma proteins. Hemocompatibility analyses showed that siRNA complexation markedly reduced hemolysis and improved overall blood tolerance. In neurovascular cell systems, the dendriplex enhanced intracellular siRNA localization in the cytoplasmic compartment and attenuated damage-associated responses relative to the non-complexed carrier. In tri-culture blood–brain barrier models, barrier effects were formulation- and dose-dependent but generally transient rather than permanently disruptive. In vivo, the dendriplex prolonged systemic exposure of siRNA and improved a sensitive spatial learning and memory measure in APOE4 knock-in mice, whereas free siRNA showed no analogous benefit. These results support G3Si PEG6000 dendriplexes as a suitable platform for further CNS-targeted RNA interference research. Within this translational framework, the present work provides a rigorous basis for further optimization of dendrimer-based siRNA delivery systems for Alzheimer’s disease and related CNS indications.

Terapie oparte na siRNA stanowią obiecującą strategię w leczeniu choroby Alzheimera, jednak ich zastosowanie kliniczne jest ograniczone przez niekorzystny profil farmakokinetyczny oraz selektywność bariery krew-mózg. W ramach niniejszej pracy opracowano nanonośnik siRNA oparty o dendrymer karbokrzemowy, który poddano walidacji z wykorzystaniem hierarchicznej strategii badawczej. Miała ona na celu powiązanie właściwości fizykochemicznych nośnika z jego aktywnością biologiczną przy szczególnym uwzględnieniu ograniczeń wynikających z właściwości bariery krew-mózg. Charakterystyka biofizyczna i ocena cytotoksyczności pozwoliły wskazać dendrymer G3Si PEG6000 jako optymalny nośnik spośród czterech badanych dendrymerów. Badania interakcji z białkami wykazały szybkie tworzenie się korony białkowej, kształtowanej przez wielowartościowe oddziaływania o entropowym charakterze, którym towarzyszyły zmiany konformacyjne białek osocza. Analiza hemokompatybilności wykazała, że utworzenie kompleksu z siRNA istotnie ograniczało hemolizę oraz poprawiało ogólną zgodność nanosystemu z krwią. W neuro-naczyniowych modelach komórkowych dendrypleks zwiększał akumulację siRNA w cytoplazmie oraz wykazywał niższą cytotoksyczność w porównaniu z wolnym nośnikiem. W trójkulturowym modelu bariery krew-mózg, odzwierciedlającym środowisko jednostki neuro-naczyniowej, wpływ na integralność bariery zależał od skompleksowania i stężenia, jednak zmiany te miały na ogół charakter przejściowy, a nie trwale destabilizujący. W badaniach in vivo dendrypleks wydłużył ogólnoustrojową ekspozycję na siRNA oraz poprawił wyniki uczenia się i pamięci przestrzennej mysiego modelu choroby Alzheimera, podczas gdy wolne siRNA nie wykazało analogicznego efektu. Uzyskane wyniki wskazują, że dendrypleksy G3Si PEG6000 stanowią wysoce obiecujący nanosystem do dostarczania terapeutycznego RNA do ośrodkowego układu nerwowego. W ujęciu translacyjnym wyniki te stanowią solidny fundament do dalszej optymalizacji terapii ukierunkowanych na chorobę Alzheimera i innych schorzeniach neurodegeneracyjnych.