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Atelier 17

Transfert non viral de gènes dans les cellules en culture :

Revue des technologies d’électroporation et perspectives de transfection

de cellules en osmolarité extrême

Plate-forme Biogenouest IBiSA « SynNanoVect »

Pascal LOYER, Inserm UMR991, Hôpital Pontchaillou, Rennes

- Solutions for gene and drug delivery -

Rennes

Inserm U1078 (T. Montier) Responsable

UMR CNRS 6521 (P-A. Jaffres)

UMR CNRS 6226 (T. Benvegnu) ENSCR

Inserm UMR991 (P. Loyer)

2 villes et 4 laboratoires :

Brest

Plate-forme « Production de vecteurs de synthèse

et vectorisation de bio-molécules »

Vectorisation : technologies/vecteurs permettant d'améliorer l'efficacité d'un principe actif en augmentant sa biodisponibilité. Principes actifs : molécules bioactives incluant médicaments, acides nucléiques (ADN, siRNA), protéines, etc... Vecteur : structure macromoléculaire capable de véhiculer le principe actif en modifiant sa distribution tissulaire, sa biodisponibilité et/ou ses interactions avec des cellules cibles. Biodisponibilité (propriété pharmacocinétique) des principes actifs : fraction d’un principe actif qui : 1) atteint la circulation sanguine et qui est potentiellement active sur l’organe cible (in vivo), 2) pénètre dans les cellules en culture. Ciblage : l’adressage « spécifique » d’un principe actif vers un organe choisi par une vectorisation présentant un tropisme pour cet organe.

Plate-forme « Production de vecteurs de synthèse

et vectorisation de bio-molécules »

Génération

Encapsulation +

Furtivité +

Ciblage cellulaire

1ère

2ème

Encapsulation

Encapsulation + Furtivité In

dex t

héra

peutique

Principes actifs - acides nucléiques - médicaments

3ème

actuelle

La Vectorisation et nanovecteurs

Liposomes nanoparticules nanocapsules Virus

, etc.

Offre de prestations et de services :

Production de vecteurs de synthèse (lipides cationiques et neutres)

Formulation et caractérisation physico-chimique de nanoparticules

Vectorisation/Transfection d’acides nucléiques et de peptides

(lipofection, électroporation) et imagerie in vitro et in vivo

Recherche & Développement :

Nouveaux vecteurs de synthèse (lipides et polymères) pour la

vectorisation d’acides nucléiques, peptides et de xénobiotiques

Vectorisations optimisées in vitro et in vivo (cellules normales et

transformées) et ciblage cellulaire/tissulaire

CONTACT : www.synnanovect.ueb.eu

Responsable de la plateforme : [email protected]

Les prestations :

Synthèse de vecteurs de synthèse (lipides et polymères cationiques et neutres)

Structure moléculaire du vecteur

Formulation Ciblage

Efficacité du

vecteur

Conception et synthèse

de lipides cationiques et neutres

Caractérisations des

Propriétés physico-chimiques

Passif: caractéristiques physico-chimiques

Actif : Interactions ligands-récepteurs

Caractérisation des propriétés physico-chimiques

SAXS

TEM

(cryofracture) HPTLC

Size distribution(s)

5 10 50 100 500 1000 5000Diameter (nm)

10

20

% in

cla

ss

DLS - Zétamétrie

MOP

Les prestations :

Formulation et caractérisation de nanovecteurs

Vecteurs Applications Molécules délivrées Références

GLB-73 In vitro

(A549, Hela, 16HBE, CFBE41o-, Hep G2…)

In vivo (Intra Veineuse)

pDNA Guillaume-Gable C. et coll,

Hum Gene Ther. 1998

Floch V. et coll

Biochim Biophys Acta. 2000

KLN-5

In vitro

(K562, Daudi, Jurkatt)

Ex vivo

(Cellules dendritiques, Cellules

hématopoïétiques CD34+)

pDNA Montier T. et coll,

Biochim Biophys Acta. 2004

Le Gallo M. et coll,

J Gene Med. 2008

KLN-47

In vitro

(A549, Hela, 16HBE, CFBE41o-, SK-Mel28,

A375, Hepa RG, Hep G2…)

Ex vivo

(cellules épithéliales humaines, hépatocytes

humains…)

In vivo (Intra Veineuse)

pDNA

GCV (> 100kb)

siRNA

Montier T. et coll,

Mol Biotechnol. 2004

Picquet E. et coll,

Bioconjug Chem. 2005

Laurent V. et coll.

Biotechnology J. 2010

Delépine P. et coll,

En préparation

BSV-4 (EP8e)

In vitro

(A549, Hela, 16HBE, CFBE41o-, SK-Mel28,

A375, Hepa RG, Hep G2…)

In vivo (Intra Veineuse)

pDNA

siRNA

Picquet E. et coll,

Bioconjug Chem. 2005

Le Gall T. et coll,

J. Med Chem 2010

Laurent V. et coll

Biotechnology J 2010

MM18-DOPE

In vitro

(A549, Hela, 16HBE, CFBE41o-, SK-Mel28,

A375, Hepa RG, Hep G2…)

pDNA

siRNA

Réthoré G. et coll,

Chem Commun 2007

Laurent V. et coll, Biotech J 2010

Nos vecteurs lipidiques pour la transfection :

www.synnanovect.ueb.eu

P

O

NH

As

I

O

O

KLN 47 Lipophosphoramidate AS

(Floch, Loisel et al. 2000; Guenin, Herve et al. 2000)

0

10

20

30

40

50

NT 0.5 1 2 4 8 16

GF

P p

ositiv

e c

ells (

%)

0

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3040

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Via

bility (

%)

0

5

10

15

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25

30

Lip

ofe

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e

2000

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(%

)

0

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90

100

Via

bility

(%

)

Nos vecteurs lipidiques pour la transfection : KLN47

Cellules HepaRG

Cellules HepaRG : rhodamine-siARN

Les prestations :

Vectorisation et imagerie in vivo (Inserm U1085, Brest) associées à

l’évaluation de paramètres cellulaires et biochimiques (robot d’analyse du sang et

plasma : énumération cellulaire, enzymes hépatiques, ionogrammes)

L’électroporation (Inserm UMR991, Rennes)

Méthode d'introduction de molécules bioactives dans des cellules par l’application d’un

champ électrique de haut voltage pendant quelques millisecondes sur les cellules vivantes

(en suspension). Les membranes cellulaires sont transitoirement « déstabilisées » et les

molécules à vectoriser, présentes dans l'espace extracellulaire, pénètrent par diffusion et

sous l’effet du champ électrique dans les cellules (ex: ADN chargé négativement)

. Voltage : > 1000 volts

. Temps : 10 à 40 millisecondes

. 1 à 3 pulses

. Tampons de resuspension cellulaire pré-définis

Les prestations :

L’électroporation :

La seule méthode non virale de transfert de gènes permettant une

expression significative d’un vecteur d’expression dans des cellules peu ou pas

proliférantes (primaires)

HepaRG progénitrices: Cellules proliférantes

HepaRG différenciées « Hepatocyte-like Cells » :

Cellules quiescent es

Cellules HepaRG progénitrices (proliférantes) ou différenciées (quiescentes) : lipofection KLN47

0

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20

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100

EP BSV10/DOPE R1 GLB43/DOPE R1 MM18/Chol R2

GF

P p

ositiv

e c

ells (

%)

0

2

4

6

8

10

12

14

Flu

ore

sce

nce

ra

tio

V. Laurent, A. Fraix, T. Montier, S. Cammas-Marion, C. Ribault, T. Benvengu, PA. Jaffres, P. Loyer. Biotechnol J, 2010, 5, 314-320.

Contraste plasmide protéine GFP

EP

Liposome

Lipofection vs Electroporation

ADN

Noyau

Endocytose

Sortie des

endosomes

Import

nucléaire

Lipoplexe

Liposome-ligand ADN

Noyau

Endocytose

Sortie des

endosomes

Import

nucléaire

Lipoplexe

Liposome-ligand

L’électroporation :

Transfert d’ADN « nu » versus l’encapsulation pour la lipofection/polyfection

L’électroporation :

Inserm UMR991 : deux technologies d’électroporation

. Système « microporator MP100 » (Digital Bio, LabTech France , 2007)

Disponible sous le nom de système Neon™ (Invitrogen/Life Sciences)

Transfection de cellules HepaRG progénitrices ou différenciées par électroporation (24 tests 0,5 µg pEGFP pour 105 cellules)

0

10

20

30

40

50

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100

15 4 5 3 23 9 16 22 8 2 19 12 20 14 24 7 21 11 6 18 13 10 17 NT

GF

P p

ositiv

e c

ells

(%

)

0

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Via

bility

(%

)

Electroporation (Microporator MP100) :

0

10

20

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50

60

70

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90

100

5 4 9 3 15 8 12 14 16 20 2 13 7 11 19 17 24 21 6 22 18 10 23 NT

GF

P p

ositiv

e c

ells

(%

)

0

20

40

60

80

100

120

Via

bili

ty (

%)

V. Laurent, A. Fraix, T. Montier, S. Cammas-Marion, C. Ribault, T. Benvengu, PA. Jaffres, P. Loyer. Biotechnol J, 2010, 5, 314-320. J. Dumont, R. Jossé, C. Lambert, S. Anthérieu, V. Laurent, P. Loyer, MA Robin, A. Guillouzo. Toxicol Appl Pharmacol., 2010, 249, 91-100.

Nucleofector II: « Amaxa System » (2002)

L’électroporation :

Système « 4D-Nucleofector™» (Amaxa/Lonza, 2011)

Core unit

X unit

Y unit

96-well Shuttle

HT-Nucleofector™

384-well plate nucleofector device

V. Laurent, Glaise D, Nübel T, Gilot D, Corlu A, Loyer P. Methods In Mol Biol, 2012, sous presse.

L’électroporation :

Système « 4D-Nucleofector» (Amaxa/Lonza, 2011)

X unit: 2 options Cuvette strip (20 l, 105 cells or « regular » cuvette (100 l, 106 cells)

96-well plate Shuttle Cuvette strip (20 l, 105 cells)

Analyses In situ Analyses ARN-Protéines Criblages banques siARNs (« in situ reading out »)

V

+ -

Phase contrast HepaRG cells GFP

Program ED142

L’électroporation :

Système « 4D-Nucleofector» (Amaxa/Lonza, 2011)

Y unit: For adherent cells Cells cultured in regular 24-well plates and electroporation performed using « dipping electrodes »

R&D de la plate-forme SynNanoVect :

Synthèse de nouveaux vecteurs : Lipides d’Archébactéries (T. Benvegnu, ENSCR)

Diéther Tétraéther

O

OH2N O

OOO O

OHO OH

diester ou diéther

tétraéther

INNOVATION

Halophiles

Marais salants

Thermophiles

Cheminées hydrothermales

LIPOSOME Organisation des lipides en

bicouche

ARCHAEOSOME Organisation des lipides en monocouche

(Brard, Richter et al. 2004; Brard, Laine et al. 2007; Rethore, Montier et al. 2007; (Benvegnu, Rethore et al. 2005; Laine, Mornet et al. 2008; Brevet 2006, ENSCR-CNRS)

R&D : Lipides d’archéobactéries ou archéolipides (T. Benvegnu, ENSCR)

Etudes de stabilité des archaeosomes : relargage de sonde fluorescente

Sonde fluorescente : 4(5)-carboxyfluorescéine

O O

O O O O P

O

O -

M e 3 N + ( C H 2 ) 2 O P

O

O -

O ( C H 2 ) 2 N + M e 3

O

O O

OOHHO

20 % - 95 % pH = 2, t = 10 min

20 % 85 % 95 % pH = 2, t = 5 min

30 % 80 % 70 % lipoprotéines, t = 15h

80 % 30 % 100 % Tensioactif, t = 5s

diPC Diol MB

EPC Conditions

20 %

Diol MB

diPC

1 brevet (2006, co-propriété) avec licence d’exploitation ; Chem. Commun. 2005, (44), 5536-5538.

R&D : Les applications des archaeosomes (T. Benvegnu, ENSCR)

Transfection d’acides nucléiques vers les cellules en osmolarité extrême :

. Cellules d’organismes marins

L’administration par voie orale de liposomes véhiculant des médicaments:

. Ciblage hépatique après absorption intestinale

. Nanoparticules plus petites, plus furtives que les liposomes . biocompatibles et (bio)dégradables capables de s’auto-assembler en architectures macromoléculaires originales . Structures « cargo » pour des médicaments . Groupements latéraux permettant le greffage d’agents de ciblage (peptides hépatotropes) Z.W. Huang, V. Laurent, G. Chetouani, T. Benvegnu, P. Loyer, S. Cammas-Marion, Int. J .Pharm. 2012, 423, 84-92

Nanocapsule Nanosphère

R&D :

Synthèse et évaluation de mono- et copolymères de polyesters/polycarbonates

(S. Cammas-Marion, ENSCR)

. PMLA : poly(acide malique)

Procédure pour accéder aux services :

Prendre contact avec un responsable de site (www.synnanovect.ueb.eu)

Définir le projet – étudier la faisabilité (rédaction d’une fiche projet)

Etablir un devis

Réalisation du projet – cas du prêt de matériel (électroporation):

. Formation d’une ou plusieurs personnes, autonomie d’utilisation avec suivi de consommation (réactifs)

Clôture du projet – rendu de résultats

Facturation

Fiche de satisfaction

Comité de pilotage, de gauche à droite : Thierry Benvegnu, Pascal Loyer, Tristan Montier (Directeur de la plateforme), Paul-Alain Jaffrès

Inserm U1078 (T.Montier, MCU, Directeur) . Nathalie Carmoy (IE) . Tony Le Gall (IR) . Yann Sibrill (AI) . Caroline Denis (TR) . Véronique Laurent (CM)

UMR CNRS6521 (PA.Jaffres, PU) . Hélène Couthon-Gourvès (MCU)

UMR CNRS6226, ENSCR (T.Benvegnu, PU) . Jean-Paul Guegan (AI) . Sandrine Cammas-Marion (CR) . Loïc Lemiègre (MCU) . Jelena Jeftic (PU) . Thomas Vives (AI)

Inserm UMR991 (P.Loyer, CR) . Catherine Ribault (TRE) . Véronique Laurent (CM)