Abstract Peptide surfactants developed in the Centre for Biomolecular Engineering at The University of Queensland are engineered to combine the advantages of traditional surfactants with biodegradability, biocompatibility, formation of a mechanically strong interfacial cohesive network, and reversible stimuli-responsiveness. In this project, the potential of peptide-stabilised emulsions as delivery systems for small interfering RNA (siRNA) was explored. In recent years, the potential of siRNA as a new class of therapeutics has attracted great attention. The ubiquitous nature of RNA interference (RNAi) implies that siRNA can be used to silence any disease-causing gene to treat any disease. The hurdle that needs to be overcome to turn siRNA therapy into clinical reality is its delivery into the cytosol, where gene silencing by siRNA occurs. Although numerous systems have been developed for the delivery of siRNA, safety and efficiency are major concerns associated with current formulations. Therefore this project aimed to prepare a stable peptide emulsion formulation and to conduct initial tests of its ability to deliver siRNA in vitro. The human tumour suppressor gene p53 and the human breast cancer MCF-7 cell line were used as the model gene and model cell line, respectively. The commercially available lipid-based transfection reagent Lipofectamine™ 2000 was used as the benchmark control. Sonication and membrane extrusion were used to formulate emulsions with droplet size (d=120 nm) suitable for intravenous applications using peptide surfactant in the presence of Zn(II). Although these peptide emulsions are stable by themselves and in bovine serum, emulsion stability was found to be strongly affected by the presence of salt, EDTA, and proteins. The instability of AM1 emulsion in cell culture media has been a concern when it was subjected to in vitro cell culture tests. AM1-stabilised emulsion droplets were shown to be taken up by MCF-7 cells. However, siRNA when coupled with AM1 emulsion was not delivered into cells. Cytotoxicity studies showed that peptide surfactants did not exhibit high-level toxicity to CHO cells at the tested concentrations (0.25-2 mg mL-1). AM1 peptide-stabilised emulsions were mildly toxic to CHO cells but no toxicity was observed with MCF-7 cells. Future work could include evaluation of peptide emulsion-siRNA complex formation, and exploring the effects of different cell culture media compositions on emulsion stability and their relation to cytotoxicity.

Em estudos de terapia gênica e vacinação por DNA, a eficiência e a segurança dos vetores que transportam o material genético terapêutico possuem papel fundamental. Vetores não virais são considerados mais seguros, mas menos eficientes em relação aos vetores virais. Em parte, isso se deve à falta de estudos sistemáticos e comparativos no que diz respeito às características físico-químicas desses vetores quando em soluções biológicas e o efeito delas sobre a eficiência de entrega gênica. O objetivo deste trabalho é avaliar o efeito do pH, da força iônica e do tipo tampão de complexação sobre as características físico-químicas de nanopartículas pDNA-protamina e pDNA-protamina-lipofectamina, visando à entrega gênica para diferentes linhagens celulares. Para isso, nanopartículas formadas em diferentes condições foram caracterizadas através de ensaios de espalhamento dinâmico de luz (DLS) e potencial zeta. Os estudos indicaram que o pH, a força iônica, o tipo de tampão e a presença de meio de cultura e soro no ambiente de complexação alteram significativamente o tamanho, a polidispersidade e o potencial zeta das partículas formadas. Finalmente, buscou-se avaliar o efeito dessas características sobre a eficiência de transfecção in vitro de células de macrófagos IC21 e células HeLa. Os estudos de transfecção em células Hela indicam que tanto a composição como as condições de formação das partículas influenciam significativamente a eficiência de transfecção. / In gene therapy and DNA vaccination studies, the efficiency and safety of the vector carrying the therapeutic gene play a fundamental role. Non-viral vectors are considered safer but less effective when compared to viral vectors. In part, this is due to the lack of systematic and comparative studies regarding the physicochemical characteristics of these vectors when prepared in biological solutions and their effect on gene delivery efficiency. The objective of this study was to evaluate the effect of pH, ionic strength and type of complexation buffer on pDNA-protamine and pDNAprotamine- lipofectamine nanoparticles aiming at gene delivery to different cell lines. In order to achieve this goal, nanoparticles formed under different conditions were characterized by dynamic light scattering test (DLS) and zeta potential. Our studies indicated that the pH, the ionic strength, buffer type, and the presence of culture medium and serum in the complexation environment all significantly affect the size, polydispersity, and zeta potential of the particles formed. Finally, we evaluated the effect of these characteristics on the efficiency of transfection in vitro using HeLa cells and macrophages IC21. The transfection studies, especially using Hela cells, indicated that both, nanoparticle composition and the conditions of complex formation, significantly affect the efficiency of the transfections.

Um dos principais limitantes ao desenvolvimento e aprovação para utilização em humanos das vacinas de DNA é a falta de um vetor ideal de entrega gênica, que seja ao mesmo tempo eficiente e seguro. Embora mais seguros, os vetores não virais enfrentam uma série de barreiras físicas, enzimáticas e difusionais que limitam a chegada do transgene ao núcleo das células alvo. Dando continuidade ao trabalho desenvolvido em nosso grupo de pesquisa, o principal objetivo desta dissertação de mestrado foi avaliar o desempenho do vetor não viral comercial Lipofectamina e da proteína multifuncional T-Rp3 na entrega do gene da glicoproteína do vírus da raiva (RVGP) a células BHK-21. Primeiramente, o gene RVGP foi inserido no plasmídeo modelo pVAX1. Foram então realizados estudos de transfecção em células BHK-21 (Baby Hamster Kidney), utilizando-se Lipofectamina como agente de transfecção, no sentido de constatar a correta expressão do gene RVGP contido no novo plasmídeo. Como controle positivo, foi utilizado o plasmídeo pCMV-RVGP. Os estudos de PCR quantitativo da transcrição reversa (qRT-PCR) e imunofluorescência indicaram a expressão da glicoproteína pelo pVAX1RVGP, ainda que em valores de expressão menores se comparados com o plasmídeo controle pCMV-RVGP. Foi também desenvolvido com sucesso um método quantitativo de determinação da expressão da RVGP em células utilizando-se citometria de fluxo, que confirmou os resultados anteriores. Devido ao plasmídeo pVAX1RVGP ter apresentado baixa eficiência de expressão da RVGP, buscou-se a elevação da eficiência a partir da adição da sequência de KOZAK no plasmídeo pVAX1RVGP. Nesse caso, ainda que os resultados indiquem um aumento na expressão, não houve confirmação estatística (p<0,05). Os estudos de entrega com a proteína T-Rp3 foram realizados com um lote da T-Rp3 armazenada em ultrafreezer. A proteína demonstrou-se não ser estável após o congelamento em nitrogênio líquido e armazenamento em ultrafreezer pelo tempo de 10 meses. Apesar de ser capaz de complexar o pDNA após esse tempo, não foi eficiente em ensaios de transfecção, tendendo a agregar em relações molares altas e ausência de soro fetal bovino. / One of the major bottlenecks on the development and approval of DNA vaccines in humans is the lack of an ideal gene delivery vector, which must be safe and efficient at the same time. Although safer, the non-viral vectors face a series of physical, enzymatic and diffusion barriers that limits the arrival of the endogenous gene in the nuclei of the target cells. The main goal of this work was the evaluation of the performances of the commercial non-viral vector Lipofectamine, and the recombinant protein T-Rp3, a multifunctional protein, on the delivery of the rabies virus glycoprotein (RVGP) gene to BHK-21 cells. First, the RVGP gene was inserted into the pVAX1 plasmid, and transfections using BHK-21 (Baby Hamster Kidney) cells were performed using the Lipofectamine reagent to verify the correct expression of the RVGP gene present in the new plasmid. As a positive control, the plasmid pCMV-RVGP was used. The quantitative reverse transcription (qRT-PCR) and immunofluorescence studies indicated the expression of RVGP from pVAX1RVGP, although in lower expression values in comparison to the control plasmid. In addition, a flow cytometry quantitative method to quantify and compare the expression of the RVGP in the membrane of the transfected cells was developed, confirming the previous results. With the purpose of increase, the expression of RVGP, the KOZAK consensus sequence was added to the new pVAX1RVGP plasmid, and despite of the apparent increase of RVGP expression, this could not be confirmed statistically. The experiments of gene delivery using the T-Rp3 protein were performed using a protein batch storaged in ultrafreezer for 10 months. However, the protein has shown not being stable after storage for this long period. Moreover, despite of being capable to complex pDNA after this time, T-Rp3 was not efficient in the transfection assays and tended to aggregate in high molar ratios.

Um dos principais limitantes ao desenvolvimento e aprovação para utilização em humanos das vacinas de DNA é a falta de um vetor ideal de entrega gênica, que seja ao mesmo tempo eficiente e seguro. Embora mais seguros, os vetores não virais enfrentam uma série de barreiras físicas, enzimáticas e difusionais que limitam a chegada do transgene ao núcleo das células alvo. Dando continuidade ao trabalho desenvolvido em nosso grupo de pesquisa, o principal objetivo desta dissertação de mestrado foi avaliar o desempenho do vetor não viral comercial Lipofectamina e da proteína multifuncional T-Rp3 na entrega do gene da glicoproteína do vírus da raiva (RVGP) a células BHK-21. Primeiramente, o gene RVGP foi inserido no plasmídeo modelo pVAX1. Foram então realizados estudos de transfecção em células BHK-21 (Baby Hamster Kidney), utilizando-se Lipofectamina como agente de transfecção, no sentido de constatar a correta expressão do gene RVGP contido no novo plasmídeo. Como controle positivo, foi utilizado o plasmídeo pCMV-RVGP. Os estudos de PCR quantitativo da transcrição reversa (qRT-PCR) e imunofluorescência indicaram a expressão da glicoproteína pelo pVAX1RVGP, ainda que em valores de expressão menores se comparados com o plasmídeo controle pCMV-RVGP. Foi também desenvolvido com sucesso um método quantitativo de determinação da expressão da RVGP em células utilizando-se citometria de fluxo, que confirmou os resultados anteriores. Devido ao plasmídeo pVAX1RVGP ter apresentado baixa eficiência de expressão da RVGP, buscou-se a elevação da eficiência a partir da adição da sequência de KOZAK no plasmídeo pVAX1RVGP. Nesse caso, ainda que os resultados indiquem um aumento na expressão, não houve confirmação estatística (p<0,05). Os estudos de entrega com a proteína T-Rp3 foram realizados com um lote da T-Rp3 armazenada em ultrafreezer. A proteína demonstrou-se não ser estável após o congelamento em nitrogênio líquido e armazenamento em ultrafreezer pelo tempo de 10 meses. Apesar de ser capaz de complexar o pDNA após esse tempo, não foi eficiente em ensaios de transfecção, tendendo a agregar em relações molares altas e ausência de soro fetal bovino. / One of the major bottlenecks on the development and approval of DNA vaccines in humans is the lack of an ideal gene delivery vector, which must be safe and efficient at the same time. Although safer, the non-viral vectors face a series of physical, enzymatic and diffusion barriers that limits the arrival of the endogenous gene in the nuclei of the target cells. The main goal of this work was the evaluation of the performances of the commercial non-viral vector Lipofectamine, and the recombinant protein T-Rp3, a multifunctional protein, on the delivery of the rabies virus glycoprotein (RVGP) gene to BHK-21 cells. First, the RVGP gene was inserted into the pVAX1 plasmid, and transfections using BHK-21 (Baby Hamster Kidney) cells were performed using the Lipofectamine reagent to verify the correct expression of the RVGP gene present in the new plasmid. As a positive control, the plasmid pCMV-RVGP was used. The quantitative reverse transcription (qRT-PCR) and immunofluorescence studies indicated the expression of RVGP from pVAX1RVGP, although in lower expression values in comparison to the control plasmid. In addition, a flow cytometry quantitative method to quantify and compare the expression of the RVGP in the membrane of the transfected cells was developed, confirming the previous results. With the purpose of increase, the expression of RVGP, the KOZAK consensus sequence was added to the new pVAX1RVGP plasmid, and despite of the apparent increase of RVGP expression, this could not be confirmed statistically. The experiments of gene delivery using the T-Rp3 protein were performed using a protein batch storaged in ultrafreezer for 10 months. However, the protein has shown not being stable after storage for this long period. Moreover, despite of being capable to complex pDNA after this time, T-Rp3 was not efficient in the transfection assays and tended to aggregate in high molar ratios.

Em estudos de terapia gênica e vacinação por DNA, a eficiência e a segurança dos vetores que transportam o material genético terapêutico possuem papel fundamental. Vetores não virais são considerados mais seguros, mas menos eficientes em relação aos vetores virais. Em parte, isso se deve à falta de estudos sistemáticos e comparativos no que diz respeito às características físico-químicas desses vetores quando em soluções biológicas e o efeito delas sobre a eficiência de entrega gênica. O objetivo deste trabalho é avaliar o efeito do pH, da força iônica e do tipo tampão de complexação sobre as características físico-químicas de nanopartículas pDNA-protamina e pDNA-protamina-lipofectamina, visando à entrega gênica para diferentes linhagens celulares. Para isso, nanopartículas formadas em diferentes condições foram caracterizadas através de ensaios de espalhamento dinâmico de luz (DLS) e potencial zeta. Os estudos indicaram que o pH, a força iônica, o tipo de tampão e a presença de meio de cultura e soro no ambiente de complexação alteram significativamente o tamanho, a polidispersidade e o potencial zeta das partículas formadas. Finalmente, buscou-se avaliar o efeito dessas características sobre a eficiência de transfecção in vitro de células de macrófagos IC21 e células HeLa. Os estudos de transfecção em células Hela indicam que tanto a composição como as condições de formação das partículas influenciam significativamente a eficiência de transfecção. / In gene therapy and DNA vaccination studies, the efficiency and safety of the vector carrying the therapeutic gene play a fundamental role. Non-viral vectors are considered safer but less effective when compared to viral vectors. In part, this is due to the lack of systematic and comparative studies regarding the physicochemical characteristics of these vectors when prepared in biological solutions and their effect on gene delivery efficiency. The objective of this study was to evaluate the effect of pH, ionic strength and type of complexation buffer on pDNA-protamine and pDNAprotamine- lipofectamine nanoparticles aiming at gene delivery to different cell lines. In order to achieve this goal, nanoparticles formed under different conditions were characterized by dynamic light scattering test (DLS) and zeta potential. Our studies indicated that the pH, the ionic strength, buffer type, and the presence of culture medium and serum in the complexation environment all significantly affect the size, polydispersity, and zeta potential of the particles formed. Finally, we evaluated the effect of these characteristics on the efficiency of transfection in vitro using HeLa cells and macrophages IC21. The transfection studies, especially using Hela cells, indicated that both, nanoparticle composition and the conditions of complex formation, significantly affect the efficiency of the transfections.