Synthesis and Evaluation of Ph and Temperature Stimuli-Responsive Magnetic Nanohydrogels for Gene Delivery

Year 2024, Volume: 7 Issue: 5, 815 - 825, 15.09.2024

Ferzane Valioğlu , Fereshteh Valipour , Sibel Sümer , Mustafa Türk , Soodabeh Davaran

https://doi.org/10.34248/bsengineering.1501951

Abstract

Çeşitli hastalıkların tedavisinde umut verici bir yaklaşım olarak gen aktarım teknolojilerinin sunulması, son yirmi yılda tıpta devrim yaratmıştır. Bu nedenle, etkili tedavi için hedeflenen genlerin spesifik bölgelere aktarımı için uygun vektörlerin, özellikle özgün fizikokimyasal özelliklere sahip polimerlerin uygulanması, daha kişiselleştirilmiş tıp için vazgeçilmez bir rolları olur ve yeni tıbbi tedavilerinde kullanılmaya devam edilmesine yanıt olarak güvenli teknolojiler geliştirir. Bu amaçla, serbest radikal polimerizasyon yöntemi ile pH ve sıcaklık duyarlılığına sahip, N-izopropil akrilamid (NIP AM) ve DMAEMA'nın (DMAEMAQ) kuaterner alkil amonyum halojenür tuzlarına dayanan, manyetik ve manyetik olmayan iki tür katyonik nanotaşıyıcı hidrojeller sentezledik. Bu kopolimerlerin özellikleri; Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi, 1H NMR spektroskopisi, Zeta potansiyeli, düşük kritik çözelti sıcaklığı (LCST) ve jel elektroforezi ile karakterize edildi. Sonuçlarda manyetik P[NIPAM-DMAEMAQ] hidrojelin +24,7 mV yüklü olması, ortalama 86,95 ve 91,22 nm nanoboyut ve %95'ten fazla nanopartiküüler ile genin etkileşimi gösterildi. Ayrıca sentezlenen nanohidrojelde ~40 °C'lik bir LCST'de suda keskin bir hacim-faz geçişi sonuçlandı. Böylece, her iki monomerin kombinasyonu, yüksek transfeksiyon verimliliğine ve biyouyumluluk özelliklerine sahip oldukları e genin doğru aktarmasında etkili bir şekilde gerçekleştirebilen bir sistem ortaya çıkardı. Ayrıca manyetik potansiyeli nanohidrojelin genleri lokalize bölgelere taşıyacak bir vektör olarak belirlendi. Böylece, sentezlenen P[NIPAM-DMAEMAQ] nanohidrojel kombinasyonunun pH ve sıcaklığa duyarlılıkları, biyolojik olarak parçalanabilen ve manyetik nanoparçacıkların bir gen taşıyıcı özeliğe sahıp olması kanser ve farklı hastalık tedavilerinde umut verici bir yaklaşıma sahip olacağını göstermektedir.

Keywords

GEn aktarımı, Biyobuzunlu, Manyetik P(NIPAM_DAEAQ), pH e Isıya duyarlı hydrojeller

Synthesis and Evaluation of Ph and Temperature Stimuli-Responsive Magnetic Nanohydrogels for Gene Delivery

Abstract

The offer of gene delivery technologies as a promising approach to treating diverse diseases has revolutionized human medicine during the last two decades. So, the application of suitable vectors, particularly polymers with substrates with unique physicochemical properties for the transfer of targeted genes to logical sites for effective treatment, plays an indispensable role for more personalized medicine and improves the safety profile in response to continuing to use new medical technologies. For this purpose, we synthesized nanocarriers with a two-block cationic hydrogel, magnetic and non-magnetic, based on N-isopropyl acrylamide (NIPAM) and quaternary alkyl ammonium halide salts of DMAEMA (DMAEMAQ) with pH and temperature responsiveness via the free radical polymerization technique. The bulk properties of these co-polymers were characterized by using Fourier transform infrared spectroscopy, 1H NMR spectroscopy, Zeta potential, lower critical solution temperature (LCST), and gel electrophoresis to show the loading of nanoparticles with the gene.
In the results, magnetic P[NIPAM-DMAEMAQ] hydrogel showed controllable responsive properties determined by the nature of the cationic charge +24.7 mV incorporated, nanosize around 86.95 and 91.22 nm, and efficiency loaded with the gene more than 95%. As well, the synthesized nanohydrogel exhibited a sharp volume-phase transition in water at a LCST of ∼40 °C. So, the combination of both monomers yielded an interesting system with high transfection efficiency and compliant biocompatibility characteristics, which could effectively achieve gene loading. Also, the magnetic potential of nanohydrogel was determined as a vector to deliver genes to localized sites. Notably, the synthesized combination P[NIPAM-DMAEMAQ] nanohydrogel has been considered a transfection of the biodegradable and biocompatible magnetic nanoparticle sensitive to tunable pH and temperature responsiveness, demonstrating that it will hold a promising approach as a potential carrier to improve gene delivery therapeutic efficacy in cancer and different disease treatments.

Keywords

Gen delivery, Biodegradation, Magnetic P(NIPAM-DMAEMAQ), pH and Thermo responsive hydrojels

Supporting Institution

This work was financially supported by Hacettepe University, Scientific Research Projects Coordination Unit. (Grant No. 610).

References

• Bi Q, Song X, Hu A, Luo T, Jin R, Ai H, Nie Y. 2020. Magnetofection: Magic magnetic nanoparticles for efficient gene delivery. Chin J Chem, 31: 3041-3046.
• De Jesus‐Tullez MA, Sanchez‐Cerrillo DM, Quintana‐Owen P, Schubert US, Contreras‐Lopez D, Guerrero‐Sanchez C. 2020. Kinetic investigations of quaternization reactions of poly [2‐(dimethylamino) ethyl methacrylate] with diverse alkyl halides. Macromol Chem Phys, 221: 1900543.