SUPERVISOR
محمدعلي گلعذار (استاد راهنما) محمدحسين فتحي (استاد مشاور) ژاله ورشوساز (استاد راهنما)
STUDENT
Ali Fattahi
علي فتاحي
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
چکيده در اين رساله اصلاح انتقال ژن توسط سامانه کيتوزان با استفاده از رتينوئيک اسيد و پکتين به سلول HepG2 بررسي شد. ابتدا، تراگاکانتيک اسيد –نوعي پکتين شاخه دار- از صمغ کتيرا جدا شد. وزن ملکولي به روش کروماتوگرافي نفوذ ژلي و ويسکوزيته ذاتي تعين و درصد استريفيکاسيون به روش تيتراسيون محاسبه شد. سميت سلولي اين پليمر روي رده هاي سلولي Hela، HepG2 و L929 بررسي و چسبندگي سلولي روي رده سلولي L929 مطالعه شد. با روش ژلاسيون يوني و در نسبت هاي مختلف وزني، نانوذرات کيتوزان-تراگاکانتيک اسيد ساخته شد. به روش کونژوگاسيون تراکمي کيتوزان- رتينوئيک اسيد در نسبت هاي مولي متفاوت از رتينوئيک اسيد تهيه و صحت انجام واکنش توسط طيف بيني FTIR و NMR ارزيابي و از مشتقات حاصله به روش اولتراسونيک ميسل ساخته شد. پکتين به روش ژلاسيون يوني و در نسيت هاي وزني متفاوت روي پلي پلکس پوشش داده شد. مورفولوژي نانوذرات با SEM و اندازه ذره اي ، بار سطحي و تاثير pH بر بار سطحي و اندازه ذره اي با روش تفرق نور ليزر اندازه گيري شد. در نهايت سميت سلولي نانوذرات و نانوميسل روي دو رده سلولي Hela و HepG2 و پلي پلکس پوشش داده شده با پکتين روي COS7 به روش MTT ارزيابي شد و غلظت بحراني ميسل با استفاده از پيرين و به روش فلوئورسنس بررسي شد. امکان بارگذاري رتينوئيک اسيد در سامانه ارزيابي و درصد بارگذاري، مقدار بارگذاري و سرعت رهايش با استفاده از طيف بيني UV بررسي شد. پلاسميد به روش برهمکنش يوني روي نانوذرات و در پلي پلکس کيتوزان بارگذاري شد. نسبت باري بهينه حامل به پلاسميد از طريق روش ژل الکتروفورز يا فلئومتري تعيين و سپس در چندين نسبت باري بالاتر از نسبت بهينه، ترانسفکسيون روي رده هاي Hela، HepG2 و COS7 ارزيابي شد. وزن ملکولي تراگاکانتيک 300 کيلودالتون و درصد استريفيکاسيون 94% محاسبه شد. پليمر فاقد سميت سلولي بود و نسبت به آلژينات چسبندگي سلولي بهتري داشت. نانوذرات کيتوزان/تراگاکانتيک با نسبت وزني 3 و اندازه ذره اي 77 / 6±5 / 132 نانومتر و بارسطحي 84 / 1±45 / 30 ميلي ولت جهت مطالعات بيان ژن انتخاب شد. بررسي کونژوگه کيتوزان-رتينوئيک اسيد نشانگر انجام واکنش بود و غلظت بحراني ميسل ها بين 2- 10×3 / 1 تا 2- 10×13 / 2 ميلي گرم بر ميلي ليتر بود. اندازه ذره اي ميسل ها در محدوده 4 / 208-14 / 142 نانومتر و بارسطحي بين 25 / 27+ تا 48 / 34+ بود و نانوميسل ها شکل کروي داشتند. نتايج ژل الکتروفورز نشانگر بارگيري کامل پلاسميد توسط نانوپلکس در نسبت هاي باري بالاتري نسبت به پلي پلکس کيتوزان بود. ترانسفکسيون نانوپلکس نسبت به پلي پلکس کيتوزان بالاتر بوده، افزايش ترانسفکسيون در رده سلولي HepG2 بيشتر از رده سلولي Hela بود که احتمالا به وجود گالاکتوز در ساختار تراگاکانتيک اسيد و رسپتورهاي آسيالوگلايکوپروتئين مرتبط است. بيان ژن مسي پلکس در سلول هاي Hela و HepG2 نسبت به پلي پلکس و نانوپلکس کمتر بود ولي به علت پايداري بالاي سامانه در حضور 10% سرم، ترانسفکسيون افزايش يافت. ميزان بارگيري پلاسميد در اين سامانه نسبت به ديگر سامانه ها بالاتر بود و پلاسميد در نسبت باري بالاتر از 5 / 0 بطور کامل در ميسي پلکس بارگيري شد. اثر پوشش پکتين بر سميت سلولي پلي پلکس پلي اتيلن ايمين و پايداري سامانه در برابر هپارين نشانگر کاهش سميت سلولي اين حامل در رده سلولي و افزايش پايداري سامانه پوشش داده شده بود درحالي که ترانسفکسيون سامانه پوشش دار نسبت به سامانه فاقد پوشش، کاهش چنداني نداشت. کلمات کليدي: کيتوزان، رتينوئيک اسيد، پکتين، تراگاکانتيک اسيد، انتقال ژن، سميت سلولي