Local delivery strategies for nitric oxide and gene therapy delivery

Abstract

Durant les últimes dècades s'han generat grans expectatives sobre la translació de la tecnologia de l'ARN a la pràctica clínica. Encara que inicialment es va preveure una transferència ràpida, les complexitats relacionades amb l'administració i biodistribució han limitat la disponibilitat com a eina terapèutica. En comparació amb els fàrmacs tradicionals, les tecnologies d'ARN requereixen vectors per permetre la distribució, internalització i, en última instància, alteració de l'expressió proteica. Principalment, vectors virals i no virals han estat proposats com a estratègies viables per millorar l'eficiència d'expressió. No obstant, l'ús de vectors sintètics té diversos avantatges, com versatilitat, capacitat d'escalat i reproductibilitat. Entre les millors famílies de vectors polimèrics es troben els poly (-aminoesteres), una família de polímers específicament desenvolupats per formar complexos amb àcids nucleics en forma de nanopartícules estables, biodegradar-se i facilitar l’escap de l’endosoma. Tot i que els ARN tenen un gran potencial terapèutic, el tractament de malalties complexes amb múltiples etapes generalment requereix un enfoc multifactorial per millorar els resultats clínics. L'òxid nítric té un profund efecte en la biologia epitelial tenint el desenvolupament de teràpies duals un gran potencial per millorar els resultats de malalties complexes. La introducció d'òxid nítric als pBAE s'ha aconseguit mitjançant l'addició de nitrats orgànics i tionitrits. S'ha descobert que les nanopartícules de pBAE que contenen nitrats orgànics formen nanopartícules estables i eficaces alhora que mostren efectes vasodilatadors in vivo. D'altra banda, l'ús de tionitrits com a grups alliberadors de NO, mostra un patró d'alliberament d'òxid nítric més ràpid i directe, auto-recirculació i toxicitat limitada. Les seves aplicacions s'han dirigit a aplicacions antimicrobianes locals. Una de les aplicacions estudiades ha estat el recobriment de stents de les vies respiratòries, mostrant una prometedora disminució de la colonització bacteriana en la superfície dels dispositius. S'han obtingut resultats similars en aplicacions dèrmiques on s'han observat efectes vasodilatadors dèrmics i antimicrobians en models preclínics i assajos clínics. En conclusió, aquesta tesi demostra que els tractaments locals combinats amb una nova família de polímers basats en pBAE amb capacitats integrades per administrar òxid nítric podrien ser una eina potencialment útil per tractar malalties cardiovasculars i epidèrmiques. Una família addicional de polímers que contenen òxid nítric s'ha dedicat amb èxit a aplicacions antimicrobianes.

Durante las últimas décadas se han generado grandes expectativas sobre la translación de la tecnología del ARN a la práctica clínica. Aunque inicialmente se previó una transferencia rápida, las complejidades relacionadas con la administración y biodistribución han limitado la disponibilidad como herramienta terapéutica. En comparación con los fármacos tradicionales, las tecnologías de ARN requieren vectores para permitir la distribución, internalización y, en última instancia, alteración de la expresión proteica. Principalmente, vectores virales y no virales han sido propuestos como estrategias viables para mejorar la eficiencia de expresión. Sin embargo, el uso de vectores sintéticos tiene varias ventajas, como versatilidad, capacidad de escalado y reproducibilidad. Entre las mejores familias de vectores poliméricos se encuentran los poly(-aminoesteres), una familia de polímeros específicamente desarrollados para formar complejos con ácidos nucleicos en forma de nanopartículas estables, biodegradarse y facilitar el escape de endosomas. Aunque los ARN tienen un gran potencial terapéutico, el tratamiento de enfermedades complejas de múltiples etapas generalmente requiere un enfoque multifactorial para mejorar los resultados clínicos. El óxido nítrico tiene un profundo efecto en la biología epitelial teniendo el desarrollo de terapias duales un gran potencial para mejorar los resultados de enfermedades complejas. La introducción de óxido nítrico al pBAE se ha logrado mediante la adición de nitratos orgánicos y tionitritos. Se ha descubierto que las nanopartículas de pBAE que contienen nitratos orgánicos forman nanopartículas estables y eficaces a la vez que muestran efectos vasodilatadores in vivo. Por otro lado, el uso de tionitritos como grupos liberadores de NO, muestra un patrón de liberación de óxido nítrico mas rápido y directo, auto-recirculación y toxicidad limitada. Sus aplicaciones se han dirigido a terapias antimicrobianas locales. Una de las aplicaciones estudiadas ha sido el recubrimiento de stents de las vías respiratorias, mostrando una prometedora disminución de la colonización bacteriana en la superficie de los dispositivos. Del mismo modo se han obtenido resultados similares en aplicaciones dérmicas donde se han observado efectos vasodilatadores dérmicos y antimicrobianos en modelos preclínicos y ensayos clínicos.

En conclusión, esta tesis demuestra que los tratamientos locales combinados con una nueva familia de polímeros basados en pBAE con capacidades integradas para administrar óxido nítrico podrían ser una herramienta potencialmente útil para tratar enfermedades cardiovasculares y epidérmicas. Una familia adicional de polímeros que contienen óxido nítrico se ha dedicado con éxito a aplicaciones antimicrobianas.

Over the last decades a great deal of expectations have been generated on translation of RNA technology into clinical practice. Although an initial fast translation was foreseen some decades ago, complexities related to administration and delivery have limited introduction as an available therapeutic option. When compared to traditional drugs, RNA technologies require vectors to allow distribution, internalization and ultimately alteration of expression. Mainly, viral and non-viral vectors have been proposed as viable strategies to enhance efficiency. However, use of synthetic vectors have advantages such as versatility, scale-up capabilities and reproducibility. Among the best polymeric vector families are pBAE, a family of biodegrade polymers specifically developed to be non-toxic, form stable nanoparticles and facilitate endosomal scape. Although RNAs hold a great therapeutic potential, treatment of complex multistage diseases usually require a multifactor approach to improve clinical outcomes. Nitric oxide plays a deep effect on epithelial biology and development of dual therapies may hold a strong potential to improve outcomes of complex diseases. Introduction of nitric oxide to pBAE has been accomplished both by adding organic nitrates and thionitrites. Organic nitrate containing pBAE nanoparticles have been found to form stable and effective nanoparticles while showing vasodilation effects in vivo. On the other hand, use of thionitrites as NO releasing moieties, shows a stronger nitric oxide release pattern, self-crosslinking and limited toxicity. Its applications have been directed towards local antimicrobial applications. One of the studied applications has been the coating of airway stents, showing a promising decrease of bacterial colonization. Similar results have been obtained in dermal applications were antimicrobial and dermal vasodilation effects have been observed in preclinical models and early stage clinical trials.

In conclusion, this thesis demonstrates that local treatments combined with a new family of pBAE based polymers with integrated capabilities to deliver nitric oxide could be a potential useful tool to treat cardiovascular and epidermal diseases. An additional family of polymers containing nitric oxide, has successfully dedicated to antimicrobial applications.