Intracellular delivery of baculovirus and streptavidin-based vectors in vitro : towards novel therapeutic applications

Abstract

Geeniterapia on kokeellinen lääketieteellinen hoitomuoto, jonka pyrkimyksenä on korvata solujen perintöaineksen puuttuva tai vaurioitunut geeni ja sen tuote. Toistaiseksi geeniterapian kliiniset kokeet ovat kohdistuneet pääasiassa syövän, sydän- ja verisuonisairauksien ja yksittäisten geenivirheiden aiheuttamien sairauksien hoitoon.Geenien kuljettamiseen soluihin, kudoksiin tai elimiin käytetään joko synteettisiä tai virusperäisiä kuljettimia. Kuljettimien kehittämisessä kuhunkin tautimalliin sopivaksi on kuitenkin vielä monia haasteita, kuten syntyvät immuniteettireaktiot sekä hoitogeenin ilmentymisen riittävä tehokkuus kohdekudoksessa. Johanna Laakkonen seurasi väitöstutkimuksessaan lupaavia, hyönteisvirukseen sekä bakteerin proteiiniin perustuvia geenisiirtokuljettimia solutasolla. Tutkimustuloksia voidaan hyödyntää kehitettäessä uusia ja turvallisempia geeniterapiakuljettimia.Laakkonen totesi hyönteisiä infektoivien bakulovirusten käyttävän ihmisen soluun sisäänmenossaan fagosytoosinkaltaista mekanismia. Tietoa voidaan mahdollisesti käyttää jatkossa bakuloviruksen geeninsiirron tehostamiseen prekliinisissä kokeissa. Bakuloviruskuljettimien huomattiin myös aiheuttavan ihmisen soluissa muutoksia ja tuottavan niissä omia virusproteiinejaan. Kuljettimen kehityksen kannalta on jatkossa tärkeää määrittää syntyneet soluvasteet ja muokata kuljetinta siten, että se sopii kunkin geeniterapian sovelluksen tarkoitukseen.Laakkonen tutki myös synteettistä TAT-streptavidiinikuljetinta. Streptavidiinin voimakasta sitoutumista biotiini-vitamiiniin on aiemmin käytetty hyväksi monissa bioteknologisissa ja diagnostisissa sovelluksissa. Tutkimuksessa TAT-peptidejä käytettiin tehostamaan kuljettimen menoa soluihin sisälle. Tulokset osoittavat TAT-streptavidiinikuljettimen laajan potentiaalisuuden biotinyloitujen molekyylien kuljetuksessa soluihin. Laakkosen tutkimus edistää osaltaan synteettisten ja virusperäisten kuljettimien kehittämistä geeniterapian sovelluksiin. Kuljettimien solunsisäisien mekanismien karakterisoiminen on olennaisen tärkeää luotaessa tehokkaita, pysyviä ja turvallisia sovelluksia lääketieteellisiksi hoitomuodoiksi.

To achieve cell-specific delivery, gene therapy vectors must be able to internalize and express transgenes in their target cells. Despite of the high transduction efficiency of the viral vectors, their natural tropism rarely matches to required therapeutical needs. This thesis was focused on the development of two potential gene therapy vectors, the baculovirus Autographa californica multiple nucleopolyhedrovirus (AcMNPV) and a novel, non-viral vector TAT-streptavidin, by characterizing their underlying intracellular mechanisms in human cells. Baculovirus was shown to utilize a RhoA and Arf6-regulated phagocytosis-like mechanism for their cellular uptake. After endosomal release, the virus accumulated into nuclei near promyelocytic leukaemia nuclear bodies (PML NBs), a nuclear substructure involved in transcription and replication of viruses. Non-replicative baculovirus was also found to be capable of producing its immediate early proteins in human cells. In addition, virus transduction altered the size of PML NBs and the localization of the host chromatin.Non-viral vector TAT-streptavidin was shown to internalize into all tested human cell lines. The vector was, however, unable to mediate efficient endosomal release and underwent lysosomal degradation. Co-treatment with the endosomal releasing agent (poly)propylacrylicacid significantly increased the nuclear delivery of the TAT-streptavidin and its cargo, indicating the potentiality of the vector to mediate efficient cellular delivery of biotinylated molecules. To conclude, the defining of the gene therapy vectors at the cellular level enables their more accurate developing towards targeting of specific cells and delivering of functional therapeutic macromolecules into human cells.