Modificação da poli(etilenoimina) com aminoácidos e avaliação da interação com o DNA para obtenção de poliplexos com aplicação na terapia genética

Abstract

As terapias genéticas não virais têm sido estudadas para o tratamento alternativo de doenças, incluindo os cânceres. Neste sentido, a poli(etilenoimina) (PEI) surge como um importante polieletrólito catiônico utilizado em ensaios de terapias genéticas não virais pois apresenta uma boa interação com o ácido desoxirribonucleico (DNA), assim como uma eficiente transfecção celular. Contudo, o excesso de cargas positivas do polímero faz com que a sua citotoxicidade seja alta, necessitando de modificações com moléculas capazes de diminuí-la. Neste contexto, os aminoácidos arginina, cisteína e histidina podem ser interessantes para a modificação do polímero pois podem contribuir na redução das cargas positivas ao se ligarem às aminas primárias da PEI, reduzindo, assim, a citotoxicidade. Além disso, a arginina pode aumentar a interação com a membrana celular, a cisteína pode agregar maior estabilidade aos poliplexos e a histidina pode funcionar como um tampão eficiente devido ao pKa do grupo lateral, aumentando a possibilidade de transfecção até o núcleo celular e, consequentemente, uma replicação celular mais eficaz. Por estes motivos, o principal objetivo deste trabalho foi modificar a PEI com os referidos aminoácidos individualmente, de forma a avaliar a influência desta modificação na interação com o DNA, bem como na viabilidade celular e transfecção dos poliplexos. Os polímeros foram caracterizados e a substituição foi determinada por ressonância magnética nuclear de prótons (1H RMN), de modo que o percentual obtido foi de 19%, 17% e 19% para a PEI modificada com arginina, cisteína e histidina, respectivamente. A interação dos polímeros com o DNA foi avaliada por diferentes técnicas, como espectrofotometria no ultravioleta e visível (UV-vis), emissão de fluorescência, eletroforese em gel de agarose, potencial zeta, espalhamento de luz dinâmico (DLS) e microscopia eletrônica de transmissão criogênica (cryo-TEM), que evidenciaram que a complexação entre os polímeros e o DNA é completa a partir da razão nitrogênio/fosfato (N/P) igual a 2. A viabilidade e a transfecção celular, por sua vez, foram determinadas utilizando as culturas celulares HeLa e ARPE-19, ambas epiteliais e que tem como diferença o fato de serem tumorais e saudáveis, respectivamente. Nesses ensaios, foi constatado que os polímeros modificados aumentaram a viabilidade celular e a transfecção dos poliplexos em relação a PEI não modificada, especialmente a PEI modificada com a arginina no que se refere a transfecção, evidenciando as contribuições dos aminoácidos empregados.

Abstract: Non-viral genetic therapies have been studied for the alternative treatment of diseases, including cancers. In this context, poly(ethyleneimine) (PEI) emerges as an important cationic polyelectrolyte used in non-viral genetic therapy assays due to its good interaction with deoxyribonucleic acid (DNA), as well as efficient cellular transfection. However, the polymer?s excess positive charges result in high cytotoxicity, requiring modifications with molecules capable of reducing it. In this context, the amino acids arginine, cysteine, and histidine may be of interest for polymer modification as they can help reduce positive charges by binding to the primary amines of PEI, thereby reducing cytotoxicity. Additionally, arginine can enhance interaction with the cell membrane, cysteine can provide greater stability to the polyplexes, and histidine can act as an efficient buffer due to the pKa of its side group, increasing the possibility of transfection to the cell nucleus and, consequently, more effective cell replication. For these reasons, the main objective of this study was to modify PEI with these amino acids individually, in order to evaluate the influence of these modifications on the interaction with DNA, as well as on cell viability and polyplex transfection. The polymers were characterized, and the substitution was determined by proton nuclear magnetic resonance (1H NMR), with the percentage obtained being 19%, 17%, and 19% for PEI modified with arginine, cysteine, and histidine, respectively. The interaction of the polymers with DNA was evaluated by different techniques, such as ultraviolet-visible (UV-vis) spectroscopy, fluorescence emission, agarose gel electrophoresis, zeta potential, dynamic light scattering (DLS), and cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM), which demonstrated that complexation between the polymers and DNA is complete at a nitrogen/phosphate (N/P) ratio of 2. Cell viability and transfection were determined using HeLa and ARPE-19 cell cultures, both epithelial, with the difference being that one is tumorigenic and the other is healthy. In these assays, it was found that the modified polymers increased cell viability and polyplex transfection compared to unmodified PEI, especially the PEI modified with arginine concerning transfection, highlighting the contributions of the employed amino acids.