SUPERVISOR
محمدعلی گلعذار (استاد راهنما) محمدحسین فتحی (استاد مشاور) ژاله ورشوساز (استاد راهنما)
STUDENT
Ali Fattahi
علی فتاحی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1386
TITLE
Modification of Chitosan Mediated Gene Delivery System with Retinoic acid and Pectin to HepG2 cells
: improve of chitosan mediated gene delivery system with retinoic acid and pectin for gene delivery to HepG2 has been investigated in the current dissertation. Initially, tragacntic acid (TA) -kind of pectin- was extracted from gum tragacanth. Molecular weight (MW) was determined by gel permeation chromatography and intrinsic viscosity. Desertification degree (ED) was measured by titration. Its cytotoxicity has been checked on Hela, HepG2 and L929. Chitosan-tragacanthic acid nanopartilces have been fabricated with ionic gelation method in different weight ratios. Chitosan-retinoic acid (RA) derivatives were prepared in various molar ratios via condensation method, and the validity of reaction was confirmed using FTIR and NMR spectroscopy. Micelles have been prepared with ultrasonic method. Critical concentration of micelle (CMC) was determined using pyrene. Loading of RA in the micelles was assayed, and loading efficacy, loading content and release rate were investigated using UV spectroscopy. Plasmid has been loaded on chitosan-TA nanoparticles and chotosan-RA micelles and in polyplexes by ionic gelation. Pectin has been coated on polyethylenimine (PEI) polyplex with same method in different weight ratios. Optimized charge ratio of vehicle to plasmid was determined through either gel electrophoresis or Cybergreen-1 fluorometry assay, and transfection was studied in charge ratios upper than optimum charge ratio. Particle size, surface charge and pH effect on surface charge and particle size of nanoparticles have been determined by light scattering method. Morphology was investigated by SEM. Finally, cytotoxicity of optimum particles were evaluated on Hela and HepG2 cell lines by MTT assay. MW and ED of TA were 300 kDa and 94%, respectively. TA had shown no cytotoxicity on mentioned cell lines, and its cell adhesion was better than alginate. Nano-composites of chitosan-tragacanthic acid were consisted of spherical particles with particle size blow than 200 nm with positive charge. Nanoparticles with weight ratio of 3, particle size of 132.5 ± 6.77 nm and charge ratio of 30.45 ± 1.84 mV were chosen for gene delivery study. Spherical micelles with CMC of 1.3×10 -2 to 2.13×10 -2 mg/ml were prepared. Their size and surface charge were reneged from 142.14 to 208.4 nm and from +27.25 to +34.48 mv, respectively. Gel electrophoresis results showed complete plasmid loading by nanoplexes in upper charge ratios comparing to chitosan polyplexes while it happened in lower charge ratio for miceplexes. Transfection of nanoplexes was higher than polyplexes in Hela and HepG2 cell lines. It can be attributed to galactose groups in side chain of TA and existing of asialoglicoprotein receptors in HepG2 cell membrane. Miceplexes gene expression was lower in Hela and HepG2 compared to that of polyplexes and nanoplexes. However, transfection was increased in presence of 10% fetal bovine serum. Plasmid content was more in this system comparing to other systems. Effect of pectin coat on cytotoxicity and stability of PEI polyplexes showed less cell cytotoxicity and more system stability comparing to uncoated polyplexes, while coated system transfection was not that much lower comparing to uncoated system. Overall, nanoplex is a proper choice for liver gene delivery because of targeting to hepatocytes. More stability of miceplex and its more gene expression in serum medium make this system more suitable for in vivo gene delivery. Pectin coat is a good method for gene delivery in in vivo because of less cell cytotoxicity and more system stability to glycosaminoglycan. Key worlds: chitosan, retinoic acid, pectin, tragacanthic acid, gene delivery, cytotoxicity
در این رساله اصلاح انتقال ژن توسط سامانه کیتوزان با استفاده از رتینوئیک اسید و پکتین به سلول HepG2 بررسی شد. ابتدا، تراگاکانتیک اسید –نوعی پکتین شاخه دار- از صمغ کتیرا جدا شد. وزن ملکولی به روش کروماتوگرافی نفوذ ژلی و ویسکوزیته ذاتی تعین و درصد استریفیکاسیون به روش تیتراسیون محاسبه شد. سمیت سلولی این پلیمر روی رده های سلولی Hela، HepG2 و L929 بررسی و چسبندگی سلولی روی رده سلولی L929 مطالعه شد. با روش ژلاسیون یونی و در نسبت های مختلف وزنی، نانوذرات کیتوزان-تراگاکانتیک اسید ساخته شد. به روش کونژوگاسیون تراکمی کیتوزان- رتینوئیک اسید در نسبت های مولی متفاوت از رتینوئیک اسید تهیه و صحت انجام واکنش توسط طیف بینی FTIR و NMR ارزیابی و از مشتقات حاصله به روش اولتراسونیک میسل ساخته شد. پکتین به روش ژلاسیون یونی و در نسیت های وزنی متفاوت روی پلی پلکس پوشش داده شد. مورفولوژی نانوذرات با SEM و اندازه ذره ای ، بار سطحی و تاثیر pH بر بار سطحی و اندازه ذره ای با روش تفرق نور لیزر اندازه گیری شد. در نهایت سمیت سلولی نانوذرات و نانومیسل روی دو رده سلولی Hela و HepG2 و پلی پلکس پوشش داده شده با پکتین روی COS7 به روش MTT ارزیابی شد و غلظت بحرانی میسل با استفاده از پیرین و به روش فلوئورسنس بررسی شد. امکان بارگذاری رتینوئیک اسید در سامانه ارزیابی و درصد بارگذاری، مقدار بارگذاری و سرعت رهایش با استفاده از طیف بینی UV بررسی شد. پلاسمید به روش برهمکنش یونی روی نانوذرات و در پلی پلکس کیتوزان بارگذاری شد. نسبت باری بهینه حامل به پلاسمید از طریق روش ژل الکتروفورز یا فلئومتری تعیین و سپس در چندین نسبت باری بالاتر از نسبت بهینه، ترانسفکسیون روی رده های Hela، HepG2 و COS7 ارزیابی شد. وزن ملکولی تراگاکانتیک 300 کیلودالتون و درصد استریفیکاسیون 94% محاسبه شد. پلیمر فاقد سمیت سلولی بود و نسبت به آلژینات چسبندگی سلولی بهتری داشت. نانوذرات کیتوزان/تراگاکانتیک با نسبت وزنی 3 و اندازه ذره ای 77 / 6±5 / 132 نانومتر و بارسطحی 84 / 1±45 / 30 میلی ولت جهت مطالعات بیان ژن انتخاب شد. بررسی کونژوگه کیتوزان-رتینوئیک اسید نشانگر انجام واکنش بود و غلظت بحرانی میسل ها بین 2- 10×3 / 1 تا 2- 10×13 / 2 میلی گرم بر میلی لیتر بود. اندازه ذره ای میسل ها در محدوده 4 / 208-14 / 142 نانومتر و بارسطحی بین 25 / 27+ تا 48 / 34+ بود و نانومیسل ها شکل کروی داشتند. نتایج ژل الکتروفورز نشانگر بارگیری کامل پلاسمید توسط نانوپلکس در نسبت های باری بالاتری نسبت به پلی پلکس کیتوزان بود. ترانسفکسیون نانوپلکس نسبت به پلی پلکس کیتوزان بالاتر بوده، افزایش ترانسفکسیون در رده سلولی HepG2 بیشتر از رده سلولی Hela بود که احتمالا به وجود گالاکتوز در ساختار تراگاکانتیک اسید و رسپتورهای آسیالوگلایکوپروتئین مرتبط است. بیان ژن مسی پلکس در سلول های Hela و HepG2 نسبت به پلی پلکس و نانوپلکس کمتر بود ولی به علت پایداری بالای سامانه در حضور 10% سرم، ترانسفکسیون افزایش یافت. میزان بارگیری پلاسمید در این سامانه نسبت به دیگر سامانه ها بالاتر بود و پلاسمید در نسبت باری بالاتر از 5 / 0 بطور کامل در میسی پلکس بارگیری شد. اثر پوشش پکتین بر سمیت سلولی پلی پلکس پلی اتیلن ایمین و پایداری سامانه در برابر هپارین نشانگر کاهش سمیت سلولی این حامل در رده سلولی و افزایش پایداری سامانه پوشش داده شده بود درحالی که ترانسفکسیون سامانه پوشش دار نسبت به سامانه فاقد پوشش، کاهش چندانی نداشت. کلمات کلیدی: کیتوزان، رتینوئیک اسید، پکتین، تراگاکانتیک اسید، انتقال ژن، سمیت سلولی