Polymeric microbubbles for mRNA delivery and molecular imaging

Chen, Junlin; Herrmann, Andreas; Kiessling, Fabian

doi:44528

Polymeric microbubbles for mRNA delivery and molecular imaging

Chen, Junlin^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Junlin Chen

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Kiessling, Fabian (Thesis advisor)^RWTH* ; Herrmann, Andreas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-08-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-07096
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1017036/files/1017036.pdf

Einrichtungen

Institut und Lehrstuhl für Experimentelle Molekulare Bildgebung (811003-3 ; 924210)

Projekte

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Mikrobläschen (MB) sind hohle, luftgefüllte Partikel, die bei der Gentherapie und der molekularen Bildgebung mit Ultraschall (US) immer mehr Aufmerksamkeit erregen. Bei der Verabreichung von mRNA werden MB als Verstärker eingesetzt, um die Passage von DNA und mRNA durch biologische Barrieren unter US-Exposition zu verbessern. Es ist jedoch noch unklar, ob in Nanocarrier verkapselte mRNA separat (Co-Verabreichung) oder konjugiert an MB (Co-Formulierung) verabreicht werden sollte. Daher haben wir die Auswirkungen der emeinsamen Verabreichung von Poly(n-butylcyanoacrylat) MB (PBCA-MB) mit mRNA-DOTAP/DOPE-Lipoplexen oder deren Co-Formulierung auf die Transfektion von Krebszellen in vitro und in vivo untersucht. Unsere Studien zeigen, dass PBCA-MB in Kombination mit US sehr gut geeignet sind, die Wirksamkeit der mRNA-Transfektion in vitro und in vivo zu verbessern. Unter fokussierter US-Exposition transfizierte die Co-Formulierung hauptsächlich (peri)vaskuläres Gewebe. Im Vergleich zur Co-Formulierung erreichte die Co-Administration tiefer liegendes Tumorgewebe, was zu einer höheren Transfektionseffizienz führte. Andererseits führte die Co-Formulierung im Vergleich zur Co-Verabreichung zu einer geringeren Off-Site-Transfektion, und die Transfektion durch den Co-Formulierungsansatz war stärker vom Ultraschallauslöser abhängig. Folglich sollte die Entscheidung zwischen Co-Administration und Co-Formulierung gründlich auf der Grundlage der spezifischen Ziele bei der Verabreichung von Nukleinsäuren abgewogen werden. Darüber hinaus hängt die Entwicklung von MB-basierten Co-Formulierungsansätzen stark von der Biokonjugationschemie ab. Die Einführung funktioneller Liganden auf MB-Oberflächen war jedoch eine Herausforderung, da herkömmliche Methoden zur Funktionalisierung von PBCA-MB häufig eine mehrstufige Synthese erfordern, was zu einer geringen MB-Ausbeute, schlechter Kontrollierbarkeit und begrenzter Reproduzierbarkeit führt. In diesem Zusammenhang haben wir ein neuartiges einstufiges Aminolyseprotokoll entwickelt, um funktionalisiertes PBCA-MB als Ultraschallkontrastmittel herzustellen. Um die Wirksamkeit dieser Methode bei der Einführung funktioneller Liganden in MB umfassend zu charakterisieren, wurden aktiv zielgerichtete MB erzeugt, und wir zeigen, dass sie in der Lage sind, unter in vitro-, ex vivo- und in vivo-Bedingungen effizient an entzündliches Endothel zu binden, um Brustkrebs zu erkennen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Aminolyseprotokoll herkömmliche Funktionalisierungsstrategien (Hydrolyse und Carbodiimidchemie) in Bezug auf Einfachheit, höhere MB-Ausbeute sowie bessere Kontrollierbarkeit und Reproduzierbarkeit deutlich übertrifft. Diese innovative Methode hat das Potenzial, den Übergang von der Produktion im Labormaßstab zur Herstellung im großen Maßstab zu erleichtern und dadurch die Kosten zu senken und die klinische Umsetzung von MB-basierten Technologien sowohl bei der Genübertragung als auch bei der molekularen Bildgebung zu beschleunigen.

Microbubbles (MB) are hollow, air-filled particles that have garnered increasing attention in gene delivery and ultrasound (US) molecular imaging. In mRNA delivery, MB are used as enhancers to improve DNA and mRNA passage through biological barriers under US exposure. However, it has remained unclear whether nanocarrier-encapsulated mRNA should be administered separately (co-administration) or conjugated to MB (co-formulation). Therefore, we analyzed the impact of poly(n-butyl cyanoacrylate) MB (PBCA-MB) co-administration with mRNA-DOTAP/DOPE lipoplexes or their co-formulation on the transfection of cancer cells in vitro and in vivo. Our studies demonstrate that PBCA-MB combined with US are highly suited to enhance mRNA transfection efficacy in vitro and in vivo. Under focused US exposure, co-formulation mainly transfected (peri)vascular tissue. Compared to co-formulation, co-administration reached deeper tumor tissues, thus resulting in higher transfection efficiency. On the other hand, compared to co-administration, co-formulation induced less off-site transfection, and the transfection by the co-formulation approach was more dependent on the ultrasound trigger. Consequently, the choice between co-administration and co-formulation should be thoroughly considered based on the specific targets and objectives when delivering nucleic acids. Additionally, the development of MB-based co-formulation approaches relies heavily on bioconjugate chemistries. However, introducing functional ligands to MB surfaces has been challenging, as conventional methods for functionalizing PBCA-MB often require multi-step synthesis, leading to low MB yield, poor controllability, and limited reproducibility. In this context, we developed a novel single-step aminolysis protocol to generate functionalized PBCA-MB as ultrasound contrast agents. To comprehensively characterize this method's efficacy in introducing functional ligands to MB, actively-targeting MB were generated and we display that they were capable of binding efficiently to inflammatory endothelium under in vitro, ex vivo, and in vivo conditions for breast cancer detection. Our results demonstrated that the aminolysis protocol significantly outperformed conventional functionalization strategies (hydrolysis and carbodiimide chemistry) in terms of simplicity, higher MB yield, and improved controllability and reproducibility. This innovative method has the potential to facilitate the transition from laboratory-scale production to large-scale manufacturing, thereby reducing costs and accelerating clinical translation of MB-based technologies in both gene delivery and molecular imaging applications.

OpenAccess:
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