KR101316519B1 - A Complex containing Oligo-Aspartic acids-PNA for PNA delivery - Google Patents
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Abstract
본 발명은 세포 내에 PNA의 세포 흡수율 향상 및 효과적인 전달을 위한 복합체 및 이의 이용 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 올리고-아스파라긴산(Asp)-PNA-양이온 담체(PEI 또는 Lipofectamine)의 복합체를 형성함으로써 PNA의 세포 흡수능 및 트랜스펙션 효율을 증가시키고, mRNA의 스플라이싱 교정(splicing correction) 작용을 하는, 효과적인 우수한 유전자 전달 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a complex for improving cell uptake and effective delivery of PNA into a cell and a method of using the same, and specifically, to forming a complex of oligo-aspartic acid (Asp) -PNA-cationic carrier (PEI or Lipofectamine) The present invention relates to an effective and excellent gene delivery system that increases cell uptake and transfection efficiency and acts as a splicing correction of mRNA.
Description
본 발명은, 세포 내에 PNA의 세포 흡수율 향상 및 효과적인 전달을 위한 복합체 및 이의 이용 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a complex for improving cellular uptake and effective delivery of PNA into a cell and a method of using the same.
통상적인 단백질 치료의 대용으로서 다양한 유전자 치료 기법이 발달되어 왔으나, 이에는 여전히 해결되어야 할 중요한 과제들이 존재한다. 유전자 치료의 주요한 과제 중 하나는 세포 독성이 거의 없는 유전자 전달체를 이용하여 효율적인 세포막 및 핵막의 통과를 통하여 치료용 유전자의 효과적인 유입(influx) 및 유전자의 발현을 달성하는 것이다.Although various gene therapy techniques have been developed as a substitute for conventional protein therapy, there are still important challenges to be solved. One of the major challenges of gene therapy is to achieve efficient influx of therapeutic genes and expression of genes through efficient cell and nuclear membrane passages using gene carriers with little cytotoxicity.
합성 펩타이드에 기초한 유전자 전달 시스템은, 낮은 pH의 엔도좀 막 내에서누출을 야기시킴으로써 DNA를 응축시키고, 또한 엔도좀 탈출을 촉진하므로 중합체성 유전자 전달 시스템과 관련된 상기 문제점들을 극복할 수 있다. 이러한 이유로, 다양한 합성 펩타이드가 in vitro 여러 세포주에서의 유전자 전달을 촉진하는 것으로 개발되어 왔다. 그러나, 이 역시 in vivo 적용에 있어서 독성 및 혈청 불안정성 등의 문제점이 존재한다.Gene delivery systems based on synthetic peptides can overcome the above problems associated with polymeric gene delivery systems by condensing DNA by causing leakage in low pH endosomal membranes and also promoting endosomal escape. For this reason, various synthetic peptides are in It has been developed to promote gene delivery in various cell lines in vitro . However, this too in Problems such as toxicity and serum instability exist in vivo applications.
단백질 전달을 위한 PTDs(Protein transduction domain)가 세포내 흡수 및 핵 전위(translocation)를 강화할 수 있기 때문에, 중합체성 또는 합성 펩타이드-기재 유전자 전달 시스템의 대안으로서 제안되었다. Since protein transduction domains (PTDs) for protein delivery can enhance intracellular uptake and nuclear translocation, they have been proposed as an alternative to polymeric or synthetic peptide-based gene delivery systems.
폴리(L-리신)(PLL) 및 폴리에틸렌이민(PEI) 기재 유전자 캐리어(carrier)는 비바이러스성 중합체성 유전자 캐리어의 전형적인 예이다. 양이온성 중합체 중에서, 분지화된 25kD의 PEI 는 가장 광범위하게 연구되는 화합물 중 하나이다. 분지화된 PEI 는 일차 및 이차 아민기를 함유함으로써 엔도좀의 산성 환경에서 용이하게 양성자화된다. 그 결과 양성자 스폰지(sponge) 활성은 엔도좀 팽창 및 막 파괴에 이은 DNA/PEI 의 엔도좀 탈출을 이끈다. Poly (L-lysine) (PLL) and polyethyleneimine (PEI) based gene carriers are typical examples of nonviral polymeric gene carriers. Among the cationic polymers, branched 25 kD PEI is one of the most widely studied compounds. Branched PEIs are readily protonated in the acidic environment of the endosome by containing primary and secondary amine groups. As a result, proton sponge activity leads to endosomal escape of DNA / PEI followed by endosomal expansion and membrane disruption.
또한, 짧은 양이온성 펩타이드를 갖는 응축된 DNA 는 더 낮은 협동 효과(cooperative effect)에 의하여 안정성이 낮다는 문제가 있으며, 그 결과로서 복합체는 혈류에서 불안정하고, in vitro 에서 DNA를 대사로부터 보호하기에 불충분하게 된다. 반면 양이온성 펩타이드가 음성으로 하전된 유전자와 너무 강하게 결합하는 경우에는 유전자가 복합체로부터 유리되지 않을 수 있다.In addition, condensed DNA with short cationic peptides has a problem of low stability due to a lower cooperative effect, as a result of which the complex is unstable in the bloodstream, in It is insufficient to protect DNA from metabolism in vitro . On the other hand, if the cationic peptide binds too strongly with a negatively charged gene, the gene may not be released from the complex.
즉, 바이러스성 벡터의 경우 면역반응이나 자가복제와 같은 문제점이 있으며, 일반적인 중합체성 벡터의 경우 생체 적합성이 떨어지고 이로 인하여 세포 및 생체 독성이 크고 핵산 전달 효율이 낮다는 문제점이 있다.That is, in the case of a viral vector, there is a problem such as an immune response or a self-replicating, and in the case of a general polymeric vector, there is a problem in that the biocompatibility is deteriorated, which results in high cell and biotoxicity and low nucleic acid delivery efficiency.
따라서, 세포외 공간에서 핵산을 안정화시키면서, 핵산의 세포 내로의 유입 및 복합체로부터의 핵산의 유리를 원활히 하여 유전자 발현의 수준을 높일 수 있는 새로운 유형의 유전자 전달 시스템의 개발이 필요하다.Therefore, there is a need for the development of a new type of gene delivery system that can enhance the level of gene expression by stabilizing nucleic acids in the extracellular space, while smoothing the influx of nucleic acids into cells and the release of nucleic acids from complexes.
이에 본 발명자들은 PNA와 올리고 아스파라긴산(Asp)을 컨쥬게이션시켜 음전하의 올리고-아스파라긴산(Asp)-PNA를 고안하여 양이온 담체와 복합체를 형성함으로써 PNA의 세포 흡수능 및 트랜스펙션 효율을 증가시키고, 나아가 mRNA의 스플라이싱 교정(splicing correction) 작용을 하는 것을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
The present inventors conjugate PNA and oligo aspartic acid (Asp) to design negatively charged oligo-aspartic acid (Asp) -PNA to form a complex with a cationic carrier, thereby increasing the cellular uptake and transfection efficiency of PNA, and further mRNA The inventors have discovered that the splicing correction function of and has completed the present invention.
본 발명의 목적은 음전하의 올리고-아스파라긴산(Asp)-PNA 및 양이온 담체로 이루어진 PNA 전달용 복합체를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a PNA delivery complex consisting of a negatively charged oligo-aspartic acid (Asp) -PNA and a cationic carrier.
본 발명의 다른 목적은 상기 PNA 전달용 복합체를 이용하여 유전자를 교정(gene correction)하는 방법을 제공하는데 있다.
Another object of the present invention to provide a method for gene correction (gene correction) using the complex for PNA delivery.
상기 목적을 해결하기 위하여 본 발명은 음전하의 올리고-아스파라긴산(Asp)-PNA 및 양이온 담체로 이루어진 PNA 전달용 복합체를 제공하며, 상기 복합체는 구체적으로 Asp(n)-PNA-PEI로 구성되고, 이 때, 상기 n은 5~12일 수 있고, 올리고-아스파라긴산(Asp)은 PNA와 컨쥬게이션을 형성하고 있다. In order to solve the above object, the present invention provides a complex for delivery of PNA consisting of a negatively charged oligo-aspartic acid (Asp) -PNA and a cationic carrier, and the complex is specifically composed of Asp (n) -PNA-PEI, At this time, n may be 5 to 12, and oligo-aspartic acid (Asp) forms a conjugate with PNA.
또한, 상기 양이온 담체는 비제한적으로, 폴리에틸렌이민(PEI) 또는 리포펙타민(Lipofectamine)일 수 있다. 따라서, 상기 복합체는 Asp(n)-PNA-PEI로 구성되거나, Asp(n)-PNA-리포펙타민(Lipofectamine)으로 구성될 수 있다. 이 때, 상기 PEI는 분자량 20~30kD인 것이 바람직하다.In addition, the cationic carrier may be, but not limited to, polyethyleneimine (PEI) or lipofectamine. Thus, the complex may be composed of Asp (n) -PNA-PEI or Asp (n) -PNA-Lipofectamine. At this time, it is preferable that the said PEI is 20-30 kD in molecular weight.
이러한 본 발명의 복합체는 부-나노몰(sub-nanomolar) 범위에서 작용하므로 낮은 농도일지라도 우수한 효과를 나타낸다.Such a complex of the present invention acts in the sub-nanomolar range and thus shows excellent effects even at low concentrations.
본 발명의 상기 복합체는 PNA의 세포 내 전달, 즉 트랜스펙션 효율이 높을 뿐만 아니라, 세포 흡수능이 우수하다. 또한, 상기 복합체는 세포 내에서 유전자 교정(gene correction). 특히, 스플라이싱 교정(splicing correction) 작용을 한다.The complex of the present invention not only has high intracellular delivery, that is, transfection efficiency, of PNA, but also has excellent cell uptake. In addition, the complexes are gene correction in cells. In particular, it acts as a splicing correction.
이 때, 상기 복합체의 트랜스펙션 효율은 PNA에 컨쥬게이션된 올리고-아스파라긴산(Asp)의 개수 및 양이온 담체 용량에 각각 의존적이다. At this time, the transfection efficiency of the complex is dependent on the number of oligo-aspartic acid (Asp) conjugated to PNA and the cation carrier capacity, respectively.
한편, 본 발명은 다른 관점에서 상기 Asp(n)-PNA-PEI/리포펙타민(Lipofectamine)복합체를 이용하여 유전자를 교정하는 방법, 특히, 목적 유전자의 mRNA의 스플라이싱 교정(splicing correction)하는 방법을 제공한다.
In another aspect, the present invention provides a method for correcting a gene using the Asp (n) -PNA-PEI / Lipofectamine complex, in particular, for splicing correction of mRNA of a target gene. Provide a method.
본 발명은 PNA와 올리고 아스파라긴산(Asp)을 컨쥬게이션시켜 음전하의 올리고-아스파라긴산(Asp)-PNA를 고안하여 양이온 담체와 복합체, 예를 들어, Asp(n)-PNA-PEI/Lipofectamine 복합체를 형성함으로써 PNA의 세포 흡수능 및 트랜스펙션 효율을 증가시키고, mRNA의 스플라이싱 교정(splicing correction) 작용을 하는 바, 효과적인 우수한 유전자 전달 시스템으로 사용될 수 있다.
The present invention conjugates PNA with oligo aspartic acid (Asp) to design negatively charged oligo-aspartic acid (Asp) -PNA to form a complex with a cationic carrier, for example, Asp (n) -PNA-PEI / Lipofectamine complex. Increasing the cellular uptake and transfection efficiency of the PNA, splicing correction of mRNA can be used as an effective excellent gene delivery system.
도 1은 free PNA 및 Asp(12)-PNA/PEI 복합체의 HeLa Luc705 세포에서의 루시페라제 활성을 관찰한 결과이다.
도 2는 free PNA 및 Asp(12), (8), (4)-PNA/PEI 복합체의 다양한 농도에서의 루시페라제 활성을 관찰한 결과이다.
도 3은 다양한 nanomolar PNA에서 PEI 또는 Lipofectamine 복합체의 루시페라제 활성을 관찰한 결과이다.
도 4는 스플라이싱 복원(splicing restoration)을 확인하는 RT-PCR 실험 결과이다.
도 5는 free PNA 및 Asp-PNA/PEI 복합체로 트랜스펙션된 HeLa Luc705 세포에 대한 형광 현미경 관찰 결과이다.
도 6은 Asp(12)-PNA/PEI 복합체의 세포 흡수능을 관찰한 공초점 현미경 실험 결과이다.
도 7은 세포 독성을 평가한 MTT 분석 결과이다. 1 shows the results of observing luciferase activity in HeLa Luc705 cells of free PNA and Asp (12) -PNA / PEI complex.
2 shows the results of observing luciferase activity at various concentrations of free PNA and Asp (12), (8), and (4) -PNA / PEI complexes.
3 shows the results of observing luciferase activity of PEI or Lipofectamine complexes in various nanomolar PNAs.
4 shows the results of an RT-PCR experiment confirming splicing restoration.
5 shows fluorescence microscopic observations of HeLa Luc705 cells transfected with free PNA and Asp-PNA / PEI complexes.
6 shows the results of confocal microscopy observation of the cellular uptake of Asp (12) -PNA / PEI complex.
Figure 7 shows the MTT assay results of evaluation of cytotoxicity.
본 발명에서 사용되는 용어에 대한 정의는 이하와 같다.The terms used in the present invention are defined as follows.
"핵산"은 임의의 DNA 또는 RNA, PNA 예를 들어, 조직 샘플에 존재하는 염색체, 미토콘드리아, 바이러스 및/또는 세균 핵산을 포함하는 의미이다. 이중가닥 핵산 분자의 하나 또는 두개 모두의 가닥을 포함하고, 무손상 핵산 분자의 임의의 단편 또는 일부를 포함한다. 본 발명에서는 특히, PNA를 의미한다."Nucleic acid" is meant to include any DNA or RNA, PNA, such as chromosomes, mitochondria, viruses, and / or bacterial nucleic acids present in tissue samples. Includes one or both strands of a double-stranded nucleic acid molecule and includes any fragment or portion of the intact nucleic acid molecule. In particular, in the present invention, PNA.
"유전자"는 단백질 코딩 또는 전사시에 또는 다른 유전자 발현의 조절시에 기능적 역할을 갖는 임의의 핵산 서열 또는 그의 일부를 의미한다. 유전자는 기능적 단백질을 코딩하는 모든 핵산 또는 단백질을 코딩 또는 발현하는 핵산의 일부만으로 이루어질 수 있다. 핵산 서열은 엑손, 인트론, 개시 또는 종료 영역, 프로모터 서열, 다른 조절 서열 또는 유전자에 인접한 특유한 서열 내에 유전자 이상을 포함할 수 있다."Gene" means any nucleic acid sequence or portion thereof that has a functional role in protein coding or transcription or in the regulation of other gene expression. The gene may consist of only a portion of the nucleic acid encoding or expressing any nucleic acid or protein that encodes the functional protein. The nucleic acid sequence may comprise an exon, an intron, an initiation or termination region, a promoter sequence, another regulatory sequence, or a gene abnormality within a particular sequence adjacent to the gene.
"트랜스펙션(transfection)"은 배양동물 세포에 핵산(DNA, PNA 등)을 직접 도입하여 세포 내에서 유전형질을 발현시키는 방법을 의미한다. 대상이 식물세포일 때는 세포벽을 제거하고 원형질체로 도입하는 경우도 많다. 이 방법으로 발암기구, 감염, 면역, 발생, 정보전달 등 의학, 생물학의 여러 가지 문제에 세포 수준에서 접근할 수 있게 되었다. 도입한 핵산은 목적으로 하는 유전자를 플라스미드 등의 매개체에 넣어 도입하는 것이 일반적인 방법이다. 도입한 유전자가 세포에서 안정화된 경우는 염색체에 끼어들어간 경우가 많았다. 핵산을 도입한 세포를 형질도입체라고 한다. 형질주입 효율이 매우 낮기 때문에 효율을 높이기 위해서 여러 가지 방법을 개발되었다. 그 중에서도 인산칼슘공침법, DEAE-텍스트란처리법. 전기천공법, 재분포법(리포솜이라는 인공막과 DNA복합체를 만들게 하는 세포와 융합시키는 방법) 등이 있다."Transfection" refers to a method of expressing genotype in a cell by directly introducing nucleic acid (DNA, PNA, etc.) into the culture animal cell. When the target is a plant cell, the cell wall is often removed and introduced into the protoplasm. In this way, various problems of medicine and biology, such as carcinogens, infections, immunity, development, and communication, can be accessed at the cellular level. The introduced nucleic acid is generally introduced by introducing the desired gene into a medium such as a plasmid. When the introduced gene was stabilized in the cells, it was often interrupted by the chromosome. Cells into which the nucleic acid is introduced are called transgenic plants. Since the transfection efficiency is very low, several methods have been developed to increase the efficiency. Among them, calcium phosphate coprecipitation and DEAE-textlan treatment. Electroporation, redistribution (fusion method with cells that make artificial membranes and DNA complexes called liposomes).
“루시페라제(luciferase)”는 루시페린의 산화를 촉진하여 화학에너지를 빛에너지로 전환시켜 광을 발산하게하는 효소로, 생체 내에서 연속적, 실시간적으로 발현을 측정하고, 목적의 물질들에 대한 효과를 검증할 수 있게 하는 리포터 유전자(reporter gene) 기능을 한다. 반딧불이(firefly; 개똥벌레) 또는 딱정벌레(glow-worm)와 같은 곤충체로부터 직접 수득하거나 이러한 효소를 암호화하는 재조합 DNA 절편을 포함하는 미생물로부터의 발현에 의해 수득할 수 있다. Luciferase is an enzyme that promotes the oxidation of luciferin and converts chemical energy into light energy and emits light. It measures the expression in real time continuously and in real time. It functions as a reporter gene that allows you to verify the effect. It can be obtained directly from insects such as firefly or glow-worm or by expression from microorganisms comprising recombinant DNA fragments encoding such enzymes.
“담체(carrier)”는, 생물체 내에 있는 활성물질이 다른물질과 결합하여 존재하는 경우, 또는 세포막을 통한 물질의 이동인 운반체수송을 담당하는 고분자 물질을 총칭한다. 담체의 예로는 비제한적으로 포스페이트, 시트레이트 및 다른 유기산과 같은 완충제, 아스코르브산과 같은 항산화제, 저분자량 폴리펩티드(약 10 잔기 미만), 혈청 알부민, 젤라틴 또는 면역글로불린과 같은 단백질, 폴리비닐피롤리돈과 같은 친수성 폴리머, 글리신, 글루타민, 아스파라긴, 아르기닌 또는 라이신과 같은 아미노산, 단당류, 이당류 및 글루코스, 만노스, 또는 덱스트린을 포함하는 다른 탄수화물, EDTA와 같은 킬레이트화제, 만니톨 또는 소르비톨과 같은 당알코올, 나트륨과 같은 염-형성 반대이온(salt-forming counterion), 및/또는 TWEEN , 폴리에틸렌글리콜(PEG) 및 PLURONICS 같은 무이온 계면활성제를 포함한다.The term "carrier" refers to a polymer material that is responsible for transporting a carrier when an active substance in an organism is present in combination with another substance or when a substance is transported through a cell membrane. Examples of carriers include, but are not limited to, buffers such as phosphate, citrate and other organic acids, antioxidants such as ascorbic acid, low molecular weight polypeptides (less than about 10 residues), proteins such as serum albumin, gelatin or immunoglobulins, polyvinylpyrrolidone Hydrophilic polymers such as glycine, glutamine, asparagine, arginine or lysine, amino acids such as monosaccharides, disaccharides and other carbohydrates including glucose, mannose, or dextrins, chelating agents such as EDTA, sugar alcohols such as mannitol or sorbitol, sodium and Salt-forming counterions such as, and / or nonionic surfactants such as TWEEN®, polyethylene glycol (PEG) and PLURONICS®.
“유전자 치료(gene therapy)”는 돌연변이를 일으킨 유전자를 정정하여 유전병을 치료하려는 것을 말한다. 즉 환자의 세포에 외부에서 정상유전자를 이식하여 그 세포의 표현형을 변화시킴으로써 병을 치료하는 방법이다. 현재 사람의 정자, 난자, 수정란에 대한 유전자치료는 전 세계적으로 윤리문제가 제기되고 있으나, 1993년대에 「유전자치료 임상연구에 관한 지침」을 지정한 후부터 유전자치료시대로 돌입하였다. 유전자 치료에는 체내에 유전자를 이입하는 유전자 벡터, 시스템의 연구가 필수적이다. "Geneology" refers to the treatment of genetic diseases by correcting the gene that caused the mutation. That is, it is a method of treating a disease by transplanting a normal gene from the outside to the cell of the patient and changing the phenotype of the cell. Currently, gene therapy for human sperm, egg, and fertilized egg has raised ethical issues all over the world. However, in 1993, it started to enter the gene therapy era after designating guidelines on clinical research on gene therapy. Gene therapy requires the study of gene vectors and systems that introduce genes into the body.
"약"이라는 것은 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미한다."About" means 30, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4 for reference quantities, levels, values, numbers, frequencies, percentages, dimensions, sizes, quantities, weights, or lengths. , Amount, level, value, number, frequency, percentage, dimension, size, amount, weight or length, varying by about 3, 2 or 1%.
본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, "포함하다" 및 "포함하는"이란 말은 제시된 단계 또는 원소, 또는 단계 또는 원소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 원소, 또는 단계 또는 원소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.Throughout this specification, the words " comprising "and" comprising ", unless the context requires otherwise, include the stated step or element, or group of steps or elements, but not to any other step or element, And that they are not excluded.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 PNA(peptide nucleic acid)의 세포 내 전달(delivery)에 관한 것이다. The present invention relates to intracellular delivery of peptide nucleic acid (PNA).
일 관점에서 음전하의 올리고-아스파라긴산(Asp)-PNA 및 양이온 담체로 이루어진 PNA 전달용 복합체에 관한 것이다.In one aspect, the present invention relates to a PNA delivery complex consisting of negatively charged oligo-aspartic acid (Asp) -PNA and a cationic carrier.
PNA(peptide nucleic acid)는 1991년에 덴마크의 P. Nielsen 등에 의해서 최초로 개발된 천연 DNA 유사체로 인공으로 합성된 물질이다. 구조적으로 PNA는 DNA와는 달리 기본 골격 구조가 폴리아마이드 (polyamide)로 구성되어 있으나, 천연 DNA와 동일한 염기 (아데닌, 구아닌, 사이토신, 티미딘, 우리딘)를 가지고 있기 때문에 상보적 염기서열을 가지고 있는 DNA 또는 RNA 등의 핵산과 결합하여 이중 나선 구조를 형성할 수 있다. PNA는 DNA에 비해 우수한 생물학적, 화학적, 열적 안전성을 갖고 있을 뿐 아니라 상보적 염기서열에 대하여 강한 친화도와 탁월한 특이성을 갖는다.Peptide nucleic acid (PNA) is a natural DNA analogue originally developed in 1991 by P. Nielsen, Denmark, and artificially synthesized. Structurally, unlike DNA, PNA is composed of polyamide, but it has complementary sequences because it has the same bases (adenine, guanine, cytosine, thymidine, and uridine) as natural DNA. The double helix structure can be combined with nucleic acids such as DNA or RNA. PNA has not only superior biological, chemical and thermal stability compared to DNA, but also strong affinity and excellent specificity for complementary sequences.
알려진 많은 펩타이드 서열은 리신이나 아르기닌 잔기들을 포함하기 때문에 양전하를 띈다. 양전하로 대전된 아미노산들은 이러한 펩타이드 대부분의 가장자리에 있고 음전하에 의해 대전된 플라스마 막과 상호작용을 하는 것이 통상적이다.Many known peptide sequences are positively charged because they contain lysine or arginine residues. Positively charged amino acids are typically at the edge of most of these peptides and interact with the negatively charged plasma membrane.
그러나, 본 발명에서는 음전하에 의해 대전한 PNA를 DNA나 RNA에 유사하게 디자인하고자 하였다.However, in the present invention, the PNA charged by the negative charge was designed to be similar to DNA or RNA.
이를 위해, 본 발명에서는 올리고-아스파라긴산-PNA[Asp(n)-PNA]을 제공한다. PNA 서열의 말단에 올리고-아스파라긴산(aspartic acid)을 컨쥬게이션하고, 이 때, 상기 n은 5 내지 12 중 하나의 정수를 의미한다. 이 때, 올리고-아스파라긴산(Asp)의 말단에 카르복시기 음이온(COO-)이 존재하는 바, 상기 Asp(n)-PNA는 음전하를 띄게 되는 것이다.To this end, the present invention provides oligo-aspartic acid-PNA [Asp (n) -PNA]. Conjugation of oligo-aspartic acid at the end of the PNA sequence, wherein n means an integer of one to 5 to 12. At this time, the carboxyl anion (COO-) is present at the end of the oligo-aspartic acid (Asp), the Asp (n) -PNA is a negative charge.
아스파라긴 산을 이용하여 음전하로 대전된 PNA는 양전하로 대전된 펩타이드들 보다, 양이온 담체(cationic carrier)를 더 많이 사용할 수 있는 장점이 있다. 즉, 양이온 담체와의 복합체를 형성하여 많은 음전하의 PNA들을 전달할 수 있다.The negatively charged PNA using asparagine acid has the advantage of using more cationic carriers than the positively charged peptides. That is, it can form a complex with a cationic carrier to deliver a large number of negatively charged PNAs.
이처럼, 올리고-아스파라긴산과 PNA의 결합은 PNA의 잘 녹지 않는 용해성을 개선시킬 뿐만 아니라, 양이온 담체와 복합체를 형성하여 PNA 전달 효율을 높이는 기능을 한다. As such, the combination of oligo-aspartic acid and PNA not only improves the poor solubility of PNA, but also forms a complex with a cationic carrier to enhance PNA delivery efficiency.
그러므로, 본 발명의 올리고-아스파라긴산-PNA는 아스파라긴산의 카르복시기 음전하를 통해, PNA와 양이온 담체 사이의 전하간 상호작용을 가능하게 하는데, 구체적으로, 전자쌍에 의한 공유결합 및 정전기 상호작용을 통해, 보다 많은 음전하의 PNA들을 세포 내로 전달할 수 있다. Therefore, the oligo-aspartic acid-PNA of the present invention enables the interaction between charges between the PNA and the cationic carrier through the carboxy group negative charge of aspartic acid, specifically, through covalent and electrostatic interactions by electron pairs, Negatively charged PNAs can be delivered into the cell.
이러한 양이온 담체는 트랜스펙션 시약(transfection reagent)으로 나타내기도 하는데, 잠재적으로 (치료)유전자 또는 약물 전달에 매우 유용하다. Such cationic carriers are sometimes referred to as transfection reagents and are potentially very useful for (therapeutic) genes or drug delivery.
본 발명에서, 양이온 담체로, 예를 들어, 폴리(L-리신)(PLL), 폴리에틸렌이민(PEI), 키토산, PAMAM 덴드리머, 및 폴리(2-디메틸아미노)에틸 메타크릴레이트(pDMAEMA)가 PNA 운반체로 사용될 수 있다. 특정 경우에서, PEI는 엔도좀붕괴제 또는 표적화제를 사용하지 않고도 효과적인 유전자 전달을 제공한다[참조: Boussif O., et al., Proc Natl Acad Sci USA. Aug.1, 1995, 92(16) 7297-301]. In the present invention, cationic carriers include, for example, poly (L-lysine) (PLL), polyethyleneimine (PEI), chitosan, PAMAM dendrimer, and poly (2-dimethylamino) ethyl methacrylate (pDMAEMA). It can be used as a carrier. In certain cases, PEI provides effective gene delivery without the use of endosomal disintegrants or targeting agents. Boussif O., et al., Proc Natl Acad Sci USA. Aug. 1, 1995, 92 (16) 7297-301.
특히, 바람직하게는 PEI 또는 양이온 lipid Lipofectamine을 양이온 담체로 사용할 수 있다. In particular, preferably PEI or cationic lipid Lipofectamine can be used as the cationic carrier.
따라서, 본 발명의 구체적인 일 태양으로서, 상기 복합체는 "Asp(n)-PNA-PEI"로 구성될 수 있고, 이 때, 상기 n은 5~12 중 하나의 정수, 예를 들어 n=12일 수 있다. Thus, as a specific aspect of the present invention, the complex may be composed of "Asp (n) -PNA-PEI", wherein n is an integer of 5 to 12, for example n = 12 days. Can be.
상기 PEI는 합성 양이온 폴리머로서, 세포 흡수 목적으로 음으로 대전된 잔기와 복합체를 형성한다. 본 발명에서는 PNA를 세포 내로 전달하기 위해, 양이온 PEI 및 올리고-아스파라긴산-PNA 간에 정전기 상호작용(electrostatic interaction)에 의해 복합체를 형성시킨다. 상기 PEI는 세포의 흡수율을 높이고 핵산 전달을 위해 엔도좀의 탈출을 촉진시킨다. The PEI is a synthetic cationic polymer, which forms a complex with negatively charged residues for cellular uptake purposes. In the present invention, to deliver the PNA into the cell, a complex is formed by electrostatic interaction between the cationic PEI and the oligo-aspartic acid-PNA. The PEI enhances cell uptake and promotes escape of the endosomes for nucleic acid delivery.
다만, 상기 PEI는 분자량이 높아질수록 세포독성이 높아지는 문제가 있는 바, PNA 전달에 효율적이면서도 지나치게 높은 세포독성을 가지지 않도록 적절한 분자량의 PEI를 선택해서 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 본 발명에서는 20~30kD의 PEI를 사용할 수 있으며, 일 실시예에서는 약 25kD의 PEI를 사용하였다.However, since the PEI has a problem in that cytotoxicity increases as molecular weight increases, it is preferable to select PEI having an appropriate molecular weight so as not to have too high cytotoxicity while being efficient in PNA delivery. For example, in the present invention, a PEI of 20-30 kD may be used, and in one embodiment, a PEI of about 25 kD is used.
유사하게, 본 발명의 구체적인 다른 태양으로서, 상기 복합체는 "Asp(n)-PNA-Lipofectamine"로 구성될 수 있고, 이 때, 상기 n은 5~12 중 하나의 정수, 예를 들어 n=12일 수 있다. Similarly, in another specific aspect of the present invention, the complex may be composed of "Asp (n) -PNA-Lipofectamine", wherein n is an integer of 5-12, for example n = 12 Can be.
리포좀을 이용하여 트랜스펙션하는데 사용되는 리포펙타민(Lipofectamine)은 친수성(hydrophilic) 부분이 양전하(positive charge)를 띠고 있어, 이 부분과 본 발명의 음전하(negative charge)의 올리고-아스파라긴산-PNA가 서로 상호작용하여 복합체를 형성하고, 이를 통해 PNA를 세포 내로 전달시킨다. 특히, 본 발명의 Asp(12)-PNA-Lipofectamine은 매우 우수한 트랜스펙션 효율을 나타냈다.Lipofectamine, which is used for transfection using liposomes, has a positive charge in the hydrophilic portion, and thus the negative charge oligo-aspartic acid-PNA Interact with each other to form a complex, through which PNA is delivered into the cell. In particular, the Asp (12) -PNA-Lipofectamine of the present invention showed very good transfection efficiency.
이와 같이, PNA를 세포에 전달하기 위해, 기존의 방법과 달리, 본 발명의 PNA를 올리고-아스파라긴산을 이용해 "음전하"로 대전시켜 "양이온 담체"를 사용하는 것은 당해 분야에서 새로운 효과적인 PNA 전달 방법이다. As such, in order to deliver PNA to cells, unlike conventional methods, the use of a "cationic carrier" by charging the PNA of the present invention with "negative charge" with oligo-aspartic acid is a new effective PNA delivery method in the art. .
이러한 본 발명의 복합체 및 이를 이용한 방법은 특히 다음과 같은 장점을 가지고 있다.The composite of the present invention and the method using the same have the following advantages.
(1) 본 발명의 "Asp(n)-PNA-PEI/Lipofectamine"은 유전자 교정(gene correction), 특히 mRNA의 스플라이싱 교정(splicing correction) 작용을 한다.(1) "Asp (n) -PNA-PEI / Lipofectamine" of the present invention acts as a gene correction, in particular splicing correction of mRNA.
유전자 교정(gene correction)은 유전자 치료(Gene Therapy) 방법 중 하나로, 결함이 있는 유전자의 염기서열을 고치는, 즉, 돌연 변이된 부분만을 수정하는 것을 의미하는데, 그 중에서도 본 발명은 mRNA의 스플라이싱(splicing) 교정 작용을 한다.Gene correction is one of the gene therapy methods, which means that the nucleotide sequence of a defective gene is corrected, that is, only the mutated part is corrected. (splicing) Corrective action.
RNA 중합효소에 의해 핵에서 DNA를 주형으로 하여 합성된 1차 RNA(전사체)는 액손과 인트론을 모두 포함하고 있고, 이런 전구체 RNA로부터 인트론들이 제거되어 단백질의 아미노산 서열을 암호화하거나 5'-, 3'-비번역 부위인 엑손(exon)들만을 모으는 과정을 '스플라이싱(splicing)'이라 한다. 본 발명에서는 PNA 트랜스펙션을 통하여 이러한 스플라이싱 과정 중에 생긴 돌연변이 부분을 교정한다.Primary RNA (transcript) synthesized by DNA polymerase in the nucleus by RNA polymerase contains both axons and introns, and the introns are removed from these precursor RNAs to encode the amino acid sequence of the protein or 5'-, The process of collecting only exons that are 3'-untranslated sites is called splicing. In the present invention, PNA transfection corrects a mutant portion generated during this splicing process.
본 발명의 일 실시예에서는 이러한 mRNA의 스플라이싱 교정 효과를 루시페라제 활성 측정, 예를 들어 RT-PCR 실험 등을 통해 확인하였다. 즉, 본 발명의 복합체는 루시페라제 mRNA의 스플라이싱 교정을 통해 유전자 발현을 교정함으로써 루시페라제 발현을 촉진시킨다.In one embodiment of the present invention, the splicing correction effect of such mRNA was confirmed by measuring luciferase activity, for example, RT-PCR experiment. That is, the complex of the present invention promotes luciferase expression by correcting gene expression through splicing correction of luciferase mRNA.
따라서, 본 발명은 다른 관점에서 상기 Asp(n)-PNA-PEI/Lipofectamine 복합체를 이용하여 PNA의 전달효율을 향상시키고, 전달된 PNA를 이용하여 유전자 교정(gene correction), 특히 mRNA의 스플라이싱 교정(splicing correction)을 하는 방법에 관한 것이다.Accordingly, the present invention improves the delivery efficiency of PNA using the Asp (n) -PNA-PEI / Lipofectamine complex from another aspect, and gene correction, particularly splicing of mRNA, using the delivered PNA. It relates to a method of doing splicing correction.
(2) 본 발명의 복합체는 부-나노몰(sub-nanomolar) 범위에서 작용한다.(2) The complex of the present invention operates in the sub-nanomolar range.
본 발명의 Asp(n)-PNA-PEI/Lipofectamine 복합체는 부-나노몰(sub-nanomolar) 범위인 매우 낮은 농도에서도 기능하는 장점이 있다. 도 3에 도시하고 있는 바와 같이 낮은 농도에도 매우 우수한 세포 내로의 트렌스펙션 효율을 나타낸다.The Asp (n) -PNA-PEI / Lipofectamine complex of the present invention has the advantage of functioning at very low concentrations in the sub-nanomolar range. As shown in FIG. 3, the transfection efficiency into the cells is excellent even at low concentrations.
(3) 본 발명의 복합체의 트랜스펙션 효율은 올리고-아스파라긴산(Asp)의 개수 또는/및 양이온 담체 용량 의존적인 것을 특징으로 한다.(3) The transfection efficiency of the complex of the present invention is characterized in that the number of oligo-aspartic acids (Asp) or / and the amount of the cationic carrier is dependent.
본 발명의 Asp(n)-PNA-PEI/Lipofectamine 복합체의 트랜스펙션 효율은, 상기 PNA에 컨쥬게이션된 올리고-아스파라긴산(Asp)의 개수와 양이온 담체 PEI 또는 Lipofectamine 용량에 각각 의존적이다. The transfection efficiency of the Asp (n) -PNA-PEI / Lipofectamine complex of the present invention is dependent on the number of oligo-aspartic acid (Asp) conjugated to the PNA and the dose of the cationic carrier PEI or Lipofectamine, respectively.
이 때, Asp산의 갯수(n)는 3~15, 바람직하게는 5~12인 것이 바람직하고 본 발명의 일 실시예에서는 12인 경우를 사용하였다. 그리고, 양이온 담체의 용량은 트랜스펙션 효율과 세포독성을 함께 고려하여 사용되어지는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에서는 25kD의 PEI 및 Lipofectamin 2000TM을 사용하였다.At this time, the number n of Asp acid is preferably 3 to 15, preferably 5 to 12, and in the embodiment of the present invention, 12 was used. In addition, the dose of the cationic carrier is preferably used in consideration of transfection efficiency and cytotoxicity. In one embodiment of the present invention, 25 kD of PEI and Lipofectamin 2000 ™ were used.
이처럼, 본 발명은 Asp(n)-PNA-PEI/Lipofectamine 복합체 및 이를 이용하여, 높은 트랜스펙션 효율, 세포 흡수율을 가지는 PNA 세포 내 전달을 달성하고, 나아가 mRNA의 스플라이싱 교정(splicing correction) 효과를 발휘한다. 따라서, 효과적인 우수한 유전자 전달 시스템으로 사용될 수 있다.As such, the present invention uses the Asp (n) -PNA-PEI / Lipofectamine complex and the same to achieve intracellular delivery of PNA cells with high transfection efficiency and cellular uptake, and furthermore, splicing correction of mRNA. It is effective. Thus, it can be used as an effective and excellent gene delivery system.
또한, 본 발명에서 사용할 수 있는 양이온 담체의 농도는 세포에 독성을 미치지 않는 양으로서 1~2ug의 농도로 사용하는 것이 바람직하며, 본 발명의 일실시예에서는 PEI를 1ug의 양으로 사용하였을 경우 가장 좋은 효과를 얻을 수 있었다.
In addition, the concentration of the cationic carrier that can be used in the present invention is preferably used in a concentration of 1 ~ 2ug as a non-toxicity to the cell, in the embodiment of the present invention is the most when using the amount of PEI 1ug Good effect could be obtained.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로써, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples.
실험 준비 및 실험방법 Experiment Preparation and Experiment Method
1. 재료준비1. Material Preparation
폴리에틸렌 이민 (branched, 25kD와 2kD)과 3-[4,5-dimethylthiazol-2-yl]-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT)를 Sigma-Aldrich로부터 구입하였다(대한민국, 서울). Lipofectamine™ 2000 transfection 시약과 TRIzol 시약을 Invitrogen으로부터 구입하였다(미국, 캘리포니아, Carlsbad). 루시페라제 1000분석 키트와 reporter 용해 완충액이 Promega로부터 구입되었다(미국, 위스콘신, 매디슨). 태아 소 혈청(FBS)과 Dulbecco’s modified Eagle’s medium(DMEM) 배지를 GIBCO로부터 구입하였고(미국, 매릴랜드, 게이더스버그), PNA와 올리고-Asp-PNA(Asp(4)-PNA, Asp(8)-PNA, Asp(12)-PNA, PNA-Fam, Asp(12)-PNA-Fam)이 Panagene Co.에 의해 합성되었다(대한민국, 대전).
Polyethylene imines (branched, 25 kD and 2 kD) and 3- [4,5-dimethylthiazol-2-yl] -2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) were purchased from Sigma-Aldrich (Seoul, Korea). Lipofectamine ™ 2000 transfection reagent and TRIzol reagent were purchased from Invitrogen (Carlsbad, CA, USA). Luciferase 1000 Assay Kit and reporter lysis buffer were purchased from Promega (USA, Wisconsin, Madison). Fetal bovine serum (FBS) and Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM) medium were purchased from GIBCO (Gaysburg, Maryland, USA), PNA and oligo-Asp-PNA (Asp (4) -PNA, Asp (8)- PNA, Asp (12) -PNA, PNA-Fam, Asp (12) -PNA-Fam) were synthesized by Panagene Co. (Korea, Daejeon).
2. 세포배양2. Cell culture
HeLa pLuc 705 세포들을 10% FBS가 함유된 DMEM 배양액을 사용하여 5% 이산화탄소가 포함된 습한 대기의 37도 인큐베이터에서 배양하였다.
HeLa pLuc 705 cells were cultured in a 37 ° C. incubator in a humid atmosphere containing 5% carbon dioxide using DMEM medium containing 10% FBS.
3. 3. PNAPNA 트랜스펙션Transfection
HeLa pLuc 705 세포는 트랜스펙션하기 24시간 전에 96-well plates에 well 당 2 × 104 cells 및 1.2 × 104 cells의 수로 각각 분주하여 배양하였다. PNA 및 올리고-아스파라긴산-PNA/polymer 복합체는 다양한 몰비 혹은 고분자 중량 비율로 준비하여 상온에서 30분간 배양하였다. 고안된 농도에서 PNA, oligo-Asp-PNA/25kD PEI 및 oligo-Asp-PNA/2kD PEI를 함유하는 20μl/well 배양액을 세포에 처리하였다. 그리고 분석 전에 5% CO2 , 37℃ 인큐베이터에서 하루 동안 배양하였다.
HeLa pLuc 705 cells were cultured in 96-well plates at 2 × 10 4 cells and 1.2 × 10 4 cells per well, respectively, 24 hours before transfection. PNA and oligo-aspartic acid-PNA / polymer complexes were prepared in various molar ratios or polymer weight ratios and incubated at room temperature for 30 minutes. Cells were treated with 20 μl / well culture containing PNA, oligo-Asp-PNA / 25kD PEI and oligo-Asp-PNA / 2kD PEI at the designed concentrations. And incubated in a 5% CO 2 , 37 ℃ incubator for one day before analysis.
4. 4. LuciferaseLuciferase assayassay
PNA 트랜스펙션 24시간 후에, 96-well plates의 세포들을 PBS 용액으로 세척 후 리포터 용해 완충액 (Promega)를 각 well에 첨가하였다. 상온에서 30분간 배양 후, 세포들을 수득하여 미세 원심 분리 관들로 옮겼다. 15초 동안 볼텍싱 후, 세포들을 20분간 12000rpm에서 원심 분리기로 분리하였다. 루시페라제 활성을 luminometer를 사용해서 RLU(relative light unit)로 측정하였다. 최종 루시페라제 값은 RLU/Well로 기록하였다.
After 24 hours of PNA transfection, cells of 96-well plates were washed with PBS solution and reporter lysis buffer (Promega) was added to each well. After incubation for 30 minutes at room temperature, cells were obtained and transferred to fine centrifuge tubes. After vortexing for 15 seconds, cells were separated by centrifugation at 12000 rpm for 20 minutes. Luciferase activity was measured in a relative light unit (RLU) using a luminometer. Final luciferase values were reported as RLU / Well.
5. 5. RTRT -- PCRPCR
사용된 프라이머의 서열: Sequence of primers used:
luciferase sense: 5′-TTGATATGTGGATTTCGAGTCGTC-3‘(서열번호 2)luciferase sense: 5′-TTGATATGTGGATTTCGAGTCGTC-3 ’(SEQ ID NO: 2)
luciferase antisense: 5′-AGCCACGCTTTCATACTGCT-3′(서열번호 3)luciferase antisense: 5'-AGCCACGCTTTCATACTGCT-3 '(SEQ ID NO: 3)
GAPDH sense: 5′-AACTTTGGCATTGTGGAAGG-3′(서열번호 4)GAPDH sense: 5'-AACTTTGGCATTGTGGAAGG-3 '(SEQ ID NO: 4)
GAPDH antisense: 5′-ACACATTGGGGG TAGGAACA-3‘(서열번호 5)
GAPDH antisense: 5'-ACACATTGGGGG TAGGAACA-3 '(SEQ ID NO: 5)
제조업자의 실험 계획안에 따라 전체 RNA를 트리졸 시약으로 분리하였다. 전체 RNA의 농도와 순도는 260nm과 280nm의 흡광도로 계산하였다. 1가닥 cDNA를 전체 RNA의 2μg와 oligo-dT15 primers의 1μM로 Omniscript 역전사효소를 사용하여 합성하였다(Qiagen, Valencia, CA, USA).Total RNA was isolated with Trizol reagent according to the manufacturer's design. The concentration and purity of total RNA were calculated by absorbances of 260nm and 280nm. One-strand cDNA was synthesized using Omniscript reverse transcriptase with 2 μg of total RNA and 1 μM of oligo-dT15 primers (Qiagen, Valencia, CA, USA).
제조업자의 실험계획안에 따라 Peltier thermal cycler(미국, 메사츄세츠, 워터타운, MJ Research ) 및 1:25로 희석된 한 가닥의 cDNA와 20pmol의 프라이머를 함유하는 Taq PCR Master Mix kit(Qiagen)를 사용하여 정량 PCR 증폭이 이루어졌다. PCR반응은 94°C에서 3분간 변성(denaturation) 개시, 94°C에서 40초, 60℃에서 40초 및 72℃에서 1분의 3단계 cycling (40 cycles), 및 72°C에서 최종 확장(extention)으로 이루어졌다.Quantification using Peltier thermal cycler (MJ Research, Massachusetts, Watertown, MJ Research) and Taq PCR Master Mix kit (Qiagen) containing 20 pmol primer and cDNA diluted 1:25 according to manufacturer's protocol PCR amplification was done. PCR reactions initiated denaturation at 94 ° C for 3 minutes, 40 seconds at 94 ° C, 40 seconds at 60 ° C and 1 minute at 72 ° C, and final expansion at 72 ° C. extention).
PCR 산물을, TBE 버퍼의 2%의 아가로스 겔 상에서 분석하였고, 브롬화 에티듐 염색으로 가시화하였다. 겔 이미지는 DP001-IPC 장치로 캡쳐하였다(프랑스, Marne-La-Vallee, Vilber Lourmat).
PCR products were analyzed on 2% agarose gel in TBE buffer and visualized by ethidium bromide staining. Gel images were captured with a DP001-IPC device (Marne-La-Vallee, Vilber Lourmat, France).
6. 6. FluorescenceFluorescence imagingimaging ( ( nuclearnuclear stainingstaining ))
HeLa pLuc705세포들을, 96-well plates에 5 × 103 cells/well로 재-플레이팅하였다. 다음날, 세포에 Fam-PNA/PEI(25kD) 복합체를 배양액과 함께 트랜스펙션하여 하루 동안 배양하였다. 배양 후, PBS 로 2회 세척한 후, 5분간 10%의 포르말린으로 고정시켰다. 또한, 다시 PBS로 세척한 후, 암실에서 세포핵을 5분간 10 μg/ml Hoechst 33342로 염색하였다. 염색된 세포 이미지들은 DP Controller가 장착된 형광 현미경(IX51)으로 캡쳐되었다(일본, 도쿄, Olympus Optical).
HeLa pLuc705 cells were re-plated at 5 × 10 3 cells / well in 96-well plates. The next day, the cells were cultured for one day by transfection of the Fam-PNA / PEI (25kD) complex with the culture. After incubation, the cells were washed twice with PBS, and then fixed with 10% formalin for 5 minutes. After washing with PBS again, the nuclei were stained with 10 μg / ml Hoechst 33342 for 5 minutes in the dark. Stained cell images were captured by fluorescence microscope (IX51) equipped with DP Controller (Olympus Optical, Tokyo).
7. 7. ConfocalConfocal imagingimaging
기하급수적으로 늘어난 세포들을 트랜스펙션 전 날, 5 × 104cells/well 밀도로 8-well Lab-Tek chambered coverglass (Nunc)에 플레이팅하였다. PNA/PEI 트랜스펙션을 위해 1uM Fam-PNA는 PEI와 함께 또는 PEI 없이 100ul/well DMEM 배양액에 준비하여 세포에 처리하고 배양하였다. Exponentially expanded cells were plated on 8-well Lab-Tek chambered coverglass (Nunc) at 5 × 10 4 cells / well density the day before transfection. For PNA / PEI transfection 1 uM Fam-PNA was prepared in 100 ul / well DMEM culture with or without PEI, treated and cultured in cells.
배양 4시간 후, 세포에 새로운 배양액 100 μl/well(FBS 10%를 포함한 DMEM)로 보충하였고, 이후 16시간 더 배양되었다. 다음 날, 세포들을 PBS로 2회 세척하고 10% 포르말린으로 5분 동안 고정 후, 10μg/ml Hoechst 33342으로 세포들을 염색하였다. After 4 hours of incubation, cells were supplemented with 100 μl / well of fresh culture (DMEM with 10% FBS) and then incubated for another 16 hours. The following day, cells were washed twice with PBS and fixed with 10% formalin for 5 minutes, and then stained with 10 μg / ml Hoechst 33342.
슬라이드 상의 세포들은 마운팅 용액(미국, 캘리포니아, Burlingame, Vectashield mounting medium for fluorescence, Vectro Lab. cat no. H1400)을 넣어 고착한 후 덮개유리로 덮었다. Olympus IX71microscope (oil immersion 60× 1.4 NA objective; Olympus)에 연결된 아르곤 레이저 (excitation and absorbance wavelengths, 528 nm 와 UV, 각각; Applied Precision, Issaquah, WA, USA)로 장착된 Deltavison RT confocal system을 사용하여 세포 이미지들을 분석하였다. 이미지 소프트웨어 패키지 (Applied Precision)가 이미지 획득과 처리에 사용되었다.
Cells on the slides were fixed with a mounting solution (Burlingame, Vectashield mounting medium for fluorescence, Vectro Lab. Cat no.H1400, USA) and covered with a cover glass. Cells using a Deltavison RT confocal system equipped with an argon laser (excitation and absorbance wavelengths, 528 nm and UV, respectively; Applied Precision, Issaquah, WA, USA) connected to an Olympus IX71microscope (oil immersion 60 × 1.4 NA objective; Olympus) The images were analyzed. An image software package (Applied Precision) was used for image acquisition and processing.
8. 세포 생존력 분석(8. Cell Viability Assay CellCell viabilityviability assaysassays ))
세포 생존력을 평가하기 위해 MTT분석을 사용하였다. HeLa pLuc 705 세포들을 96-well plates에서 1.2 × 104 cells/well의 밀도로 씨딩하여 하루 동안 배양하였다. 배양 24시간 뒤, free PNA, 올리고-아스파라긴산-PNA-PEI/Lipofectamine 복합체 및 양이온성 담체 PEI, Lipofectamine을 배양액 20ul와 함께 세포에 처리하고 37℃에서 하루 동안 배양하였다.MTT assay was used to assess cell viability. HeLa pLuc 705 cells were seeded in 96-well plates at a density of 1.2 × 10 4 cells / well and incubated for one day. After 24 hours of incubation, free PNA, oligo-aspartic acid-PNA-PEI / Lipofectamine complex, cationic carrier PEI, and Lipofectamine were treated with cells and cultured at 20 ° C. for one day.
배양 후, 2mg/ml MTT 용액을 첨가하였다. 그 후, 세포들을 37°C에서 4시간 동안 배양하고, MTT-함유 배지를 제거하였고, 살아있는 세포에 의해 형성된 포르마잔 결정체를 녹이기 위해 DMSO를 첨가하였다. 570nm에서 microplate reader(미국, 캘리포니아, VersaMax, Molecular Devices, Sunnyvale)를 사용해서 흡광도를 측정하였다.
After incubation, 2 mg / ml MTT solution was added. Cells were then incubated at 37 ° C. for 4 hours, MTT-containing medium was removed, and DMSO added to dissolve formazan crystals formed by living cells. Absorbance was measured at 570 nm using a microplate reader (VersaMax, Molecular Devices, Sunnyvale, California, USA).
<< 실시예Example 1> 1>
올리고-아스파라긴산(Oligo-aspartic acid ( AspAsp )-) - PNAPNA 및 And PNAPNA /Of PEIPEI 복합체 제작 Composite fabrication
PNA 서열로, CCTCCTACCTCAGTTACA(서열번호 1)를 사용하였다. 상기 PNA는 HeLa pLuc 705 cells에서 스플라이싱 교정을 위해 전달된 PNA의 루시페라제 발현을 스크리닝하기 위해 사용되었다. As the PNA sequence, CCTCCTACCTCAGTTACA (SEQ ID NO: 1) was used. The PNA was used to screen luciferase expression of PNA delivered for splicing correction in HeLa pLuc 705 cells.
루시페라제 리포터 유전자 내 비정상적 스플라이싱 위치(the aberrant splice site)에 상보적인 올리고-아스파라긴산-PNA[Asp(n)-PNA]을 고안하였다. PNA 서열의 말단에 올리고-아스파라긴산을 컨쥬게이션하였다. Oligo-aspartic acid-PNA [Asp (n) -PNA] was devised that is complementary to the aberrant splice site in the luciferase reporter gene. Oligo-aspartic acid was conjugated to the end of the PNA sequence.
그 결과, 올리고-아스파라긴산과 PNA의 결합은 PNA의 잘 녹지 않는 용해성을 개선시켰으며 양이온 담체와의 복합체 형성을 가능하게 했다. 즉, 올리고-아스파라긴산의 카르복시기 음이온은 PNA와 양이온 운반체 사이의 전하간 상호작용을 가능하게 했다. As a result, the binding of oligo-aspartic acid and PNA improved the poorly soluble solubility of PNA and allowed the formation of a complex with a cationic carrier. That is, the carboxyl anion of the oligo-aspartic acid enabled the interaction between charges between the PNA and the cation carrier.
즉, 본 발명의 Asp(n)-PNA는 PEI 또는 Lipofectamine과 복합체를 형성한다.
That is, Asp (n) -PNA of the present invention forms a complex with PEI or Lipofectamine.
<< 실시예Example 2> 2>
올리고-아스파라긴산-Oligo-aspartic acid- PNAPNA /Of PEIPEI 복합체에 의한 By complex 루시페라제Luciferase 발현의 상향조절( Upregulation of expression ( UpregulatingUpregulating ))
루시페라제 활성은 스플라이싱 교정에서 관찰되므로, 이러한 루시페라제 활성 측정은 전달된 PNA에 의한 기능활성의 지표가 된다. 데이터는 웰 당 전체 세포 단백질의 microgram으로 나타냈다. Since luciferase activity is observed in the splicing correction, this luciferase activity measurement is indicative of functional activity by the delivered PNA. Data is shown in micrograms of whole cell protein per well.
free PNA 및 Asp(n)-PNA /PEI 복합체를 DMEM과 혼합하고 HeLa Luc705 세포에 첨가하였다. Asp(12)-PNA와의 트랜스펙션을 위해 다양한 PEI농도 비율(2kD, 25kD)에서 담체 및 조건을 조사하였다.free PNA and Asp (n) -PNA / PEI complexes were mixed with DMEM and added to HeLa Luc705 cells. Carriers and conditions were examined at various PEI concentration ratios (2kD, 25kD) for transfection with Asp (12) -PNA.
그 결과, 도 1에 도시한 바와 같이, 고분자량의(MW) PEI 폴리머가 뛰어난 트랜스펙션 효과를 나타냈다. 이는 트랜스펙션 효율은 PEI 크기(MW) 증가에 따라 함께 증가되는 것을 의미한다. 하지만 트랜스펙션 효율 증가를 위해 MW를 증가시키면 세포독성도 증가하는 문제가 있다. 따라서, 이를 고려하여, 본 발명자들은 전달 효율 및 세포 독성 간의 균형을 위해 25kD PEI로 실험하였다. As a result, as shown in FIG. 1, the high molecular weight (MW) PEI polymer showed the excellent transfection effect. This means that transfection efficiency increases with increasing PEI size (MW). However, if MW is increased to increase transfection efficiency, there is a problem of increasing cytotoxicity. Thus, taking this into account, we experimented with 25 kD PEI for a balance between delivery efficiency and cytotoxicity.
도 1에서 도시한 바와 같이, Asp(12)-PNA/25kD PEI 복합체의 경우 루시페라제 활성은 용량 의존적이었고, 2kD PEI(낮은 분자량)의 경우는 별다른 변화가 없었다. As shown in FIG. 1, luciferase activity was dose dependent for Asp (12) -PNA / 25kD PEI complex and no change for 2kD PEI (low molecular weight).
뿐만 아니라, 루시페라제 활성은 컨쥬게이션된 아스파라긴산의 수에도 의존적이었다. 도 2는 아스파라긴산 및 PEI 폴리머 사이의 관계를 명확히 보여준다. In addition, luciferase activity was dependent on the number of aspartic acid conjugated. 2 clearly shows the relationship between aspartic acid and PEI polymers.
즉, 아스파라긴산의 수는 PEI 폴리머와의 상호작용을 증가시킴으로써 루시페라제 활성에 영향을 미쳤다. 이는 PEI의 양뿐만 아니라, 결합된 아스파라긴산 수의 증가도 루시페라제 활성을 촉진시킴을 알 수 있다. That is, the number of aspartic acid affected luciferase activity by increasing the interaction with the PEI polymer. It can be seen that not only the amount of PEI but also the number of bound aspartic acid promotes luciferase activity.
또한, 본 발명의 Asp(n)-PNA /PEI 복합체는 sub-nanomolar 범위에서 효과적임을 관찰하였다(도 3). 그러나, free PNA와 Asp(n)-PNA의 경우에는 그렇지 않았다. 그리고, Lipofectamine 복합체 역시 sub-nanomolar 범위에서 작용했다.In addition, it was observed that the Asp (n) -PNA / PEI complex of the present invention is effective in the sub-nanomolar range (FIG. 3). However, this was not the case with free PNA and Asp (n) -PNA. Lipofectamine complexes also worked in the sub-nanomolar range.
Asp(12)-PNA는 PEI와 Lipofectamine의 결합으로 루시페라제 활성을 현저하게 향상시켰다. Asp(4),(8)-PNA 역시 고농도의 PEI 또는 Lipofectamine와 결합하여 루시페라제 활성을 향상시켰다. 특히, Asp(12)-PNA/Lipofectamine 복합체가 5nM에서 놀랄만한 트렌스펙션 효율을 나타냈다.Asp (12) -PNA markedly enhanced luciferase activity by binding PEI to Lipofectamine. Asp (4) , (8) -PNA also enhanced luciferase activity by binding to high concentrations of PEI or Lipofectamine. In particular, the Asp (12) -PNA / Lipofectamine complex showed a surprising transfection efficiency at 5 nM.
이러한 결과를 통해, PNA 변형 및 양이온성 담체 모두가 중요함을 알 수 있다. 트랜스펙션 효율은 PEI의 양과 결합된 아스파라긴산의 수에 의존적이었다. 즉, Asp의 음전하가 PEI 및 Asp(n)-PNA 사이에서 복합체의 형성에 영향을 주고, 상기 복합체는 루시페라제 활성에 결정적인 영향을 미치는 것이다.
These results show that both PNA modification and cationic carriers are important. Transfection efficiency was dependent on the amount of aspartic acid bound to the amount of PEI. In other words, the negative charge of Asp influences the formation of the complex between PEI and Asp (n) -PNA, and the complex has a decisive effect on luciferase activity.
<< 실시예Example 3> 3>
올리고-아스파라긴산-Oligo-aspartic acid- PNAPNA /Of PEIPEI 복합체에 의한 By complex 스플라이싱Splicing 교정 correction
증가된 루시페라제 활성은 교정된 루시페라제 mRNA의 수준을 직접적으로 반영하였다. 정확하게 스플라이싱된 mRNA에서 정량적 차이를 확인하기 위해 RT-PCR분석을 사용하였다.Increased luciferase activity directly reflected the level of calibrated luciferase mRNA. RT-PCR analysis was used to identify quantitative differences in correctly spliced mRNA.
RT-PCR 결과를 도 5에 도시하였다.RT-PCR results are shown in FIG. 5.
Asp(n)-PNA/PEI 복합체에 의해 교정된 루시페라제 mRNA 밴드를 확인하였다. 교정된 mRNA 밴드는, 루시페라제 pre-mRNA의 비정상적 스플라이싱 위치에 대한 PNA의 반응을 나타낸다. 이는 PNA 트랜스펙션 동안의 루시페라제 활성의 상대적 증가를 의미한다.
Luciferase mRNA bands corrected by Asp (n) -PNA / PEI complex were identified. The corrected mRNA bands show the response of the PNA to the abnormal splicing position of the luciferase pre-mRNA. This means a relative increase in luciferase activity during PNA transfection.
<< 실시예Example 4 > 4>
올리고-아스파라긴산-Oligo-aspartic acid- PNAPNA /Of PEIPEI 복합체의 세포 흡수력( Cellular uptake of the complex ( CellularCellular uptakeuptake ))
형광성으로 표지된 Asp(12)-PNA/PEI 복합체 (Asp(12)-PNA-Fam/PEI complex)를 인지할 수 있는 형광현미경에 의해 Asp(n)-PNA/PEI 복합체의 흡수가 확인되었다.Absorption of the Asp (n) -PNA / PEI complex was confirmed by a fluorescence microscope capable of recognizing the fluorescently labeled Asp (12) -PNA / PEI complex (Asp (12) -PNA-Fam / PEI complex).
도 5에 나타내고 있는 바와 같이, PNA 형광 신호가 free PNA-Fam에서는 나타나지 않은 반면, Asp(12)-PNA-Fam/PEI 복합체에는 세포 흡수가 가시적으로 명백히 나타났고, 세포질(cytosol) 및 핵 분핵(nuclear fraction) 양쪽 모두에서 확산되어 나타났다. PNA 형광신호는 이러한 세포흡수의 명백한 증거가 되기는 하지만, 그 방법으로는 세포 내에서의 세포성 형광신호의 위치까지는 확인할 수 없었다. As shown in FIG. 5, the PNA fluorescence signal was not observed in free PNA-Fam, whereas Asp (12) -PNA-Fam / PEI complexes showed visible cell uptake, and cytosol and nuclear nuclei ( nuclear fraction). The PNA fluorescence signal is a clear evidence of this cell uptake, but the method could not confirm the location of the cellular fluorescence signal in the cell.
그러나, 공초점 형광 현미경에 의해 Asp(12)-PNA-Fam 세포내의 형광 발광 위치를 관찰했다. PNA 형광신호는 세포 핵에 위치했고(도 6), 이는 PNA가 핵에 전달되었다는 것을 의미한다.However, fluorescence emission sites in Asp (12) -PNA-Fam cells were observed by confocal fluorescence microscopy. The PNA fluorescence signal was located in the cell nucleus (FIG. 6), indicating that PNA was delivered to the nucleus.
그리고, PNA의 전달은 PEI의 용량-의존적 효과를 재확인시켰다(도 6). 공초점 연구에 의해 제공된 형광데이터를 통해, PEI 폴리머가 PNA를 핵 내로 운반시킴을 알 수 있었다. 다만, Asp(12)-PNA-Fam이 핵 내에서 PEI와 함께 있는지 여부는 불분명하였다.And delivery of PNA reaffirmed the dose-dependent effect of PEI (FIG. 6). The fluorescence data provided by confocal studies showed that the PEI polymer carried PNA into the nucleus. However, it was unclear whether Asp (12) -PNA-Fam was present with PEI in the nucleus.
그럼에도 불구하고, 상기 형광 데이터를 통해 세포내로 흡수되는 PNA의 경로가 설명될 수 있고, 그 흡수된 PNA에 의해 증가하는 루시페라제의 활성과 스플라이싱 교정을 통한 수정된 mRNA 밴드 또한 설명될 수 있다.
Nevertheless, the fluorescence data may explain the pathway of PNA uptake into the cell, and the modified mRNA band through splicing correction and the activity of luciferase increased by the absorbed PNA can also be described. have.
<< 실시예Example 5> 5>
PNAPNA 및 올리고-아스파라긴산- And oligo-aspartic acid- PNAPNA /Of PEIPEI 복합체의 세포독성 Cytotoxicity of the complex
PEI는 폴리머-기반의 DNA 및 siRNA 전달에 매우 효과적이나, 세포독성이 높고 이는 분자량(MW) 의존적이다. PEI is very effective for polymer-based DNA and siRNA delivery, but is highly cytotoxic and molecular weight (MW) dependent.
MTT 분석을 사용해서 PNA 및 Asp(n)-PNA/PEI 복합체의 세포 독성을 측정하였다. 그리고 독성에 대한 세포 전달의 범위를 최적화하기 위해 HeLa pLuc 705 세포에서 PEI 및 Lipofectamine 결과를 비교하였다(도 7). MTT assays were used to determine the cytotoxicity of PNA and Asp (n) -PNA / PEI complexes. And PEI and Lipofectamine results were compared in HeLa pLuc 705 cells to optimize the range of cell delivery for toxicity (FIG. 7).
Asp(n)-PNA/PEI 복합체는 free PNA와 Asp(n)-PNA/Lipofectamine 복합체보다 더 높은 독성을 나타냈다. 이러한 결과는 PEI의 독성에 의해 야기된 것이다.The Asp (n) -PNA / PEI complex showed higher toxicity than the free PNA and Asp (n) -PNA / Lipofectamine complexes. This result is caused by the toxicity of PEI.
PEI와 Lipofectamine의 비교결과는 PEI가 훨씬 독성을 띈다는 것을 나타내고, PEI의 농도가 높을수록 더욱 독성을 띄었다(도 7 b). 그것은 양이온 폴리머가 높은 양이온 전하 밀도를 가짐으로써 갖는 PEI 자체의 세포독성이다. 또한, 도 4 a에 도시하고 있는 바와 같이, PNA도 보다 높은 농도에서 더욱 독성을 가짐을 발견했다. 즉, PNA와 Asp(n)-PNA/PEI 복합체는 PEI의 높은 농도에 기인하여 세포독성이 있다.
Comparison of PEI and Lipofectamine showed that PEI was much more toxic, and the higher the concentration of PEI, the more toxic it was (FIG. 7 b). It is the cytotoxicity of PEI itself that cationic polymers have by having a high cationic charge density. In addition, as shown in FIG. 4A, it was found that PNA was more toxic at higher concentrations. That is, PNA and Asp (n) -PNA / PEI complexes are cytotoxic due to high concentrations of PEI.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far I looked at the center of the preferred embodiment for the present invention. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.
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Claims (12)
상기 양이온 담체는 폴리에틸렌이민(PEI) 또는 리포펙타민(Lipofectamine)인 것을 특징으로 하는 PNA 전달용 복합체.The method of claim 1,
The cationic carrier is polyethyleneimine (PEI) or lipofectamine (Lipofectamine), characterized in that the PNA delivery complex.
상기 올리고-아스파라긴산(Asp)은 PNA와 컨쥬게이션을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 PNA 전달용 복합체.The method of claim 1,
The oligo-aspartic acid (Asp) is a complex for PNA delivery, characterized in that forming a conjugate with PNA.
상기 복합체는 Asp(n)-PNA-PEI로 구성되고, 상기 n은 5~12인 것을 특징으로 하는 PNA 전달용 복합체.3. The method of claim 2,
The complex is composed of Asp (n) -PNA-PEI, wherein n is a complex for PNA delivery, characterized in that 5 to 12.
상기 PEI는 분자량 20~30kD인 것을 특징으로 하는 PNA 전달용 복합체.5. The method of claim 4,
The PEI complex for delivering PNA, characterized in that the molecular weight of 20 ~ 30kD.
상기 복합체는 Asp(n)-PNA-리포펙타민으로 구성되고, 상기 n은 5~12인 것을 특징으로 하는 PNA 전달용 복합체.3. The method of claim 2,
The complex is composed of Asp (n) -PNA-lipopeptamine, wherein n is a complex for PNA delivery, characterized in that 5 to 12.
상기 복합체는 세포 내에서 스플라이싱 교정(splicing correction) 작용을 하는 것을 특징으로 하는 PNA 전달용 복합체.The method of claim 1,
The complex is a PNA delivery complex, characterized in that the splicing correction (splicing correction) action in the cell.
상기 복합체는 부-나노몰(sub-nanomolar) 범위에서 작용하는 것을 특징으로 하는 PNA 전달용 복합체.The method of claim 1,
The complex is PNA delivery complex, characterized in that acting in the sub-nanomolar range.
복합체의 트랜스펙션 효율은 PNA에 컨쥬게이션된 올리고-아스파라긴산(Asp)의 개수에 의존적인 것을 특징으로 하는 PNA 전달용 복합체.The method of claim 1,
Transfection efficiency of the complex is a complex for PNA delivery, characterized in that dependent on the number of oligo-aspartic acid (Asp) conjugated to the PNA.
복합체의 트랜스펙션 효율은 양이온 담체 용량 의존적인 것을 특징으로 하는 PNA 전달용 복합체.The method of claim 1,
The transfection efficiency of the complex is PNA delivery complex, characterized in that the capacity of the cation carrier.
상기 유전자 교정(Gene correction)은 mRNA의 스플라이싱 교정(splicing correction)인 것을 특징으로 하는 방법.12. The method of claim 11,
The gene correction is a splicing correction of mRNA.
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