Chemical modification of chitosan with ph-sensitive molecules and specific ligands for efficient DNA transfection and siRNA silencing

Journal of Nanoscience and Nanotechnology

Volumn 14, Issue 1, 2014, Pages 564-576

  Singh, Bijay ^a   Choi, Yun Jaie ^a   Park, In Kyu ^b   Akaike, Toshihiro ^c   Cho, Chong Su ^a  

^a Seoul National University   (South Korea)

^b Chonnam National University Medical School   (South Korea)

^c TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY   (Japan)

Author keywords

Cell specificity; Chemical modification; Chitosan; DNA transfection; Gene therapy; PH sensitive molecule; SiRNA silencing

Indexed keywords

CHITOSAN DERIVATIVES; DNA TRANSFECTION; GENE DELIVERY SYSTEMS; PACKAGING CAPACITY; PH SENSITIVE; SIRNA SILENCING; TRANSDUCTION EFFICIENCY; TRANSFECTION EFFICIENCY;

BIOCOMPATIBILITY; BIODEGRADATION; CELLS; CHEMICAL MODIFICATION; CHITOSAN; CYTOLOGY; DNA; EFFICIENCY; EXPERIMENTS; GENE THERAPY; GENE TRANSFER; LIGANDS; MOLECULES; TOXICITY;

MOLECULAR BIOLOGY;

CHITOSAN; DNA; NANOCAPSULE; SMALL INTERFERING RNA;

CELL MEMBRANE; CHEMISTRY; DIFFUSION; GENE SILENCING; GENETIC TRANSFECTION; GENETICS; METHODOLOGY; PH; REVIEW; ULTRASTRUCTURE;

CELL MEMBRANE; CHITOSAN; DIFFUSION; DNA; GENE SILENCING; HYDROGEN-ION CONCENTRATION; NANOCAPSULES; RNA, SMALL INTERFERING; TRANSFECTION;

EID: 84893744575     PISSN: 15334880     EISSN: 15334899     Source Type: Journal    
DOI: 10.1166/jnn.2014.9079     Document Type: Review

References (100)

1. Z. Ivics and Z. Izsvak, Curr. Gene Ther. 6, 593 (2006).
2. A. V. Kabanov and V. A. Kabanov, Bioconjug Chem. 6, 7 (1995).
3. W. W. Zhang, Cancer Gene Ther. 6, 113 (1999).
4. C. E. Thomas, A. Ehrhardt, and M. A. Kay, Nat. Rev. Genet. 4, 346 (2003).
5. W. Walther and U. Stein, Drugs 60, 249 (2000).
6. S. Daya and K. I. Berns, Clin. Microbiol. Rev. 21, 583 (2008).
7. A. E. Smith, Annu. Rev. Microbiol. 49, 807 (1995).
8. K. Y. Lee, I. C. Kwon, Y. H. Kim, W. H. Jo, and S. Y. Jeong, J. Control. Release 51, 213 (1998).
9. T. Sato, T. Ishii, and Y. Okahata, Biomaterials 22, 2075 (2001).
10. S. Mansouri, P. Lavigne, K. Corsi, M. Benderdour, E. Beaumont, and J. C. Fernandes, Eur. J. Pharm. Biopharm. 57, 1 (2004).
11. H. S. Yoo, J. E. Lee, H. Chung, I. C. Kwon, and S. Y. Jeong, J. Control. Release 103, 235 (2005).
12. K. Wong, G. Sun, X. Zhang, H. Dai, Y. Liu, C. He, and K. W. Leong, Bioconjug. Chem. 17, 152 (2006).
13. T. Kiang, J. Wen, H. W. Lim, and K. W. Leong, Biomaterials 25, 5293 (2004).
14. S. Mansouri, Y. Cuie, F. Winnik, Q. Shi, P. Lavigne, M. Benderdour, E. Beaumont, and J. C. Fernandes, Biomaterials 27, 2060 (2006).
15. W. G. Liu, X. Zhang, S. J. Sun, G. J. Sun, K. D. Yao, D. C. Liang, G. Guo, and J. Y. Zhang, Bioconjug. Chem. 14, 782 (2003).
16. Y. H. Kim, S. H. Gihm, C. R. Park, K. Y. Lee, T. W. Kim, I. C. Kwon, H. Chung, and S. Y. Jeong, Bioconjug. Chem. 12, 932 (2001).
17. H. Katas and H. O. Alpar, J. Control. Release 115, 216 (2006).
18. T. H. Kim, H. L. Jiang, D. Jere, I. K. Park, M. H. Cho, J. W. Nah, Y. J. Choi, T. Akaike, and C. S. Cho, Prog. Polym. Sci. 32, 726 (2007).
19. M. Koping-Hoggard, K. M. Varum, M. Issa, S. Danielsen, B. E. Christensen, B. T. Stokke, and P. Artursson, Gene Ther. 11, 1441 (2004).
20. M. Lavertu, S. Methot, N. Tran-Khanh, and M. D. Buschmann, Biomaterials 27, 4815 (2006).
21. M. Thibault, S. Nimesh, M. Lavertu, and M. D. Buschmann, Mol. Ther. 18, 1787 (2010).
22. S. P. Strand, S. Lelu, N. K. Reitan, C. de Lange Davies, P. Artursson, and K. M. Varum, Biomaterials 31, 975 (2010).
23. X. Liu, K. A. Howard, M. Dong, M. O. Andersen, U. L. Rahbek, M. G. Johnsen, O. C. Hansen, F. Besenbacher, and J. Kjems, Biomaterials 28, 1280 (2007).
24. S. Techaarpornkul, S. Wongkupasert, P. Opanasopit, A. Apirakaramwong, J. Nunthanid, and U. Ruktanonchai, Aaps Pharmscitech 11, 64 (2010).
25. T. Kiang, J. Wen, H. W. Lim, and K. W. Leong, Biomaterials 25, 5293 (2004).
26. M. N. Centelles, J. R. Isasi, C. Qian, M. A. Campanero, and J. M. Irache, J. Microencapsul. 27, 460 (2010).
27. T. Sato, T. Ishii, and Y. Okahata, Biomaterials 22, 2075 (2001).
28. S. Nimesh, M. M. Thibault, M. Lavertu, and M. D. Buschmann, Mol. Biotechnol. 46, 182 (2010).
29. T. Ishii, Y. Okahata, and T. Sato, Biochimica et Biophysica Acta 1514, 51 (2001).
30. K. W. Leong, H. Q. Mao, V. L. Truong-Le, K. Roy, S. M. Walsh, and J. T. August, J. Control. Release 53, 183 (1998).
31. S. Nimesh, N. Gupta, and R. Chandra, J. Biomed. Nanotechnol. 7, 504 (2011).
32. Y. K. Kim, H. L. Jiang, Y. J. Choi, I. K. Park, M. H. Cho, and C. S. Cho, Chitosan for Biomaterials I, edited by R. Jayakumar, M. Prabaharan, and R. A. A. Muzzarelli, Springer, Berlin, Heidelberg (2011), Vol. 243, p. 1.
33. I. K. Park, Y. H. Park, B. A. Shin, E. S. Choi, Y. R. Kim, T. Akaike, and C. S. Cho, J. Control. Release 69, 97 (2000).
34. I. K. Park, T. H. Kim, Y. H. Park, B. A. Shin, E. S. Choi, E. H. Chowdhury, T. Akaike, and C. S. Cho, J. Control. Release 76, 349 (2001).
35. I. K. Park, J. E. Ihm, Y. H. Park, Y. J. Choi, S. I. Kim, W. J. Kim, T. Akaike, and C. S. Cho, J. Control. Release 86, 349 (2003).
36. D. Lee, R. Lockey, and S. Mohapatra, J. Nanosci. Nanotechno. 6, 2860 (2006).
37. I. A. Khalil, K. Kogure, H. Akita, and H. Harashima, Pharmacol. Rev. 58, 32 (2006).
38. M. A. E. M. Aa, U. S. Huth, S. Y. Hãfele, R. Schubert, R. S. Oosting, E. Mastrobattista, W. E. Hennink, R. Peschka-Süss, G. A. Koning, and D. J. A. Crommelin, Pharm. Res.-Dordr. 24, 1590 (2007).
39. N. D. Sonawane, F. C. Szoka, Jr, and A. S. Verkman, J. Biol. Chem. 278, 44826 (2003).
40. M. M. Amiji, Biomaterials 16, 593 (1995).
41. K. Wong, G. Sun, X. Zhang, H. Dai, Y. Liu, C. He, and K. W. Leong, Bioconjug. Chem. 17, 152 (2006).
42. H. L. Jiang, Y. K. Kim, R. Arote, J. W. Nah, M. H. Cho, Y. J. Choi, T. Akaike, and C. S. Cho, J. Control. Release 117, 273 (2007).
43. B. Lu, X. D. Xu, X. Z. Zhang, S. X. Cheng, and R. X. Zhuo, Biomacromolecules 9, 2594 (2008).
44. B. Lu, Y. X. Sun, Y. Q. Li, X. Z. Zhang, and R. X. Zhuo, Mol. Biosyst. 5, 629 (2009).
45. Y. L. Lou, Y. S. Peng, B. H. Chen, L. F. Wang, and K. W. Leong, J. Biomed. Mater. Res. A 88, 1058 (2009).
46. J. Q. Gao, Q. Q. Zhao, T. F. Lv, W. P. Shuai, J. Zhou, G. P. Tang, W. Q. Liang, Y. Tabata, and Y. L. Hu, Int. J. Pharm. 387, 286 (2010).
47. D. Jere, H. L. Jiang, Y. K. Kim, R. Arote, Y. J. Choi, C. H. Yun, M. H. Cho, and C. S. Cho, Int. J. Pharm. 378, 194 (2009).
48. X. Zhao, Z. Li, H. Pan, W. Liu, M. Lv, F. Leung, and W. W. Lu, Acta Biomater. 9, 6694 (2013).
49. F. Q. Hu, W. W. Chen, M. D. Zhao, H. Yuan, and Y. Z. Du, Gene Ther. 20, 597 (2013).
50. L. Casettari, D. Vllasaliu, J. K. Lam, M. Soliman, and L. Illum, Biomaterials 33, 7565 (2012).
51. T. H. Kim, J. E. Ihm, Y. J. Choi, J. W. Nah, and C. S. Cho, J. Control. Release 93, 389 (2003).
52. H. Jin, T. H. Kim, S. K. Hwang, S. H. Chang, H. W. Kim, H. K. Anderson, H. W. Lee, K. H. Lee, N. H. Colburn, H. S. Yang, M. H. Cho, and C. S. Cho, Mol. Cancer Ther. 5, 1041 (2006).
53. H. Jin, C. X. Xu, H. W. Kim, Y. S. Chung, J. Y. Shin, S. H. Chang, S. J. Park, E. S. Lee, S. K. Hwang, J. T. Kwon, A. Minai-Tehrani, M. Woo, M. S. Noh, H. J. Youn, D. Y. Kim, B. I. Yoon, K. H. Lee, T. H. Kim, C. S. Cho, and M. H. Cho, Cancer Gene Ther. 15, 275 (2008).
54. W. Wang, J. Yao, J. P. Zhou, Y. Lu, Y. Wang, L. Tao, and Y. P. Li, Biochem. Biophys. Res. Commun. 377, 567 (2008).
55. C. Moreira, H. Oliveira, L. R. Pires, S. Simoes, M. A. Barbosa, and A. P. Pego, Acta Biomater. 5, 2995 (2009).
56. B. Ghosn, A. Singh, M. Li, A. V. Vlassov, C. Burnett, N. Puri, and K. Roy, Oligonucleotides 20, 163 (2010).
57. K. L. Chang, Y. Higuchi, S. Kawakami, F. Yamashita, and M. Hashida, Bioconjug. Chem. 21, 1087 (2010).
58. V. M. Gaspar, J. G. Marques, F. Sousa, R. O. Louro, J. A. Queiroz, and I. J. Correia, Nanotechnology 24, 275101 (2013).
59. J. C. Allen, Cell Biochem. Funct. 1, 131 (1983).
60. H. L. Jiang, H. T. Lim, Y. K. Kim, R. Arote, J. Y. Shin, J. T. Kwon, J. E. Kim, J. H. Kim, D. Kim, C. Chae, J. W. Nah, Y. J. Choi, C. S. Cho, and M. H. Cho, Eur. J. Pharm. Biopharm. 77, 36 (2011).
61. J. Deng, Y. Zhou, B. Xu, K. Mai, Y. Deng, and L. M. Zhang, Biomacromolecules 12, 642 (2011).
62. T. I. Kim, H. J. Seo, J. S. Choi, H. S. Jang, J. U. Baek, K. Kim, and J. S. Park, Biomacromolecules 5, 2487 (2004).
63. S. Mao, O. Germershaus, D. Fischer, T. Linn, R. Schnepf, and T. Kissel, Pharm. Res. 22, 2058 (2005).
64. G. Ashwell and J. Harford, Annu. Rev. Biochem. 51, 531 (1982).
65. J.-i. Murata, Y. Ohya, and T. Ouchi, Carbohyd. Polym. 32, 105 (1997)
66. S. Gao, J. Chen, X. Xu, Z. Ding, Y. H. Yang, Z. Hua, and J. Zhang, Int. J. Pharm. 255, 57 (2003).
67. T. H. Kim, I. K. Park, J. W. Nah, Y. J. Choi, and C. S. Cho, Biomaterials 25, 3783 (2004).
68. L. Dong, S. Gao, H. Diao, J. Chen, and J. Zhang, J. Biomed. Mater. Res. A 84, 777 (2008).
69. J. Zhang, C. Tang, and C. Yin, Biomaterials 34, 3667 (2013).
70. T. Satoh, S. Kakimoto, H. Kano, M. Nakatani, S. Shinkai, and T. Nagasaki, Carbohydr. Res. 342, 1427 (2007)
71. B. Xiao, X. Wang, Z. Qiu, J. Ma, L. Zhou, Y. Wan, and S. Zhang, J. Biomed. Mater. Res. A 101, 1888 (2013).
72. W. Jiang, W. J. Swiggard, C. Heufler, M. Peng, A. Mirza, R. M. Steinman, and M. C. Nussenzweig, Nature 375, 151 (1995).
73. T. H. Kim, J. W. Nah, M. H. Cho, T. G. Park, and C. S. Cho, J. Nanosci. Nanotechnol. 6, 2796 (2006).
74. T. H. Kim, H. Jin, H. W. Kim, M. H. Cho, and C. S. Cho, Mol. Cancer Ther. 5, 1723 (2006).
75. M. Hashimoto, M. Morimoto, H. Saimoto, Y. Shigemasa, H. Yanagie, M. Eriguchi, and T. Sato, Biotechnol. Lett. 28, 815 (2006).
76. C. He, L. Yin, C. Tang, and C. Yin, Biomaterials 34, 2843 (2013).
77. W. Yao, Y. Peng, M. Du, J. Luo, and L. Zong, Mol. Pharm. 10, 2904 (2013).
78. A. C. Antony, Annu. Rev. Nutr. 16, 501 (1996).
79. D. Lee, R. Lockey, and S. Mohapatra, J. Nanosci. Nanotechnol. 6, 2860 (2006).
80. J. C. Fernandes, H. Wang, C. Jreyssaty, M. Benderdour, P. Lavigne, X. Qiu, F. M. Winnik, X. Zhang, K. Dai, and Q. Shi, Mol. Ther. 16, 1243 (2008).
81. J. C. Fernandes, X. Qiu, F. M. Winnik, M. Benderdour, X. Zhang, K. Dai, and Q. Shi, Int. J. Nanomed. 7, 5833 (2012).
82. Y. Zheng, Z. Cai, X. Song, B. Yu, Y. Bi, Q. Chen, D. Zhao, J. Xu, and S. Hou, Int. J. Pharm. 382, 262 (2009).
83. V. B. Morris and C. P. Sharma, J. Colloid Interf. Sci. 348, 360 (2010).
84. Y. Z. Du, L. L. Cai, J. Li, M. D. Zhao, F. Y. Chen, H. Yuan, and F. Q. Hu, Int. J. Nanomed. 6, 1559 (2011).
85. O. J. Kwon, E. Kang, J. W. Choi, S. W. Kim, and C. O. Yun, J. Control. Release 169, 257 (2013).
86. D. Deshpande, D. Toledo-Velasquez, L. Y. Wang, C. J. Malanga, J. K. Ma, and Y. Rojanasakul, Pharm. Res. 11, 1121 (1994).
87. H. Q. Mao, K. Roy, V. L. Troung-Le, K. A. Janes, K. Y. Lin, Y. Wang, J. T. August, and K. W. Leong, J Control. Release 70, 399 (2001).
88. J. Kloeckner, S. Boeckle, D. Persson, W. Roedl, M. Ogris, K. Berg, and E. Wagner, J. Control. Release 116, 115 (2006).
89. S. Supaprutsakul, W. Chotigeat, S. Wanichpakorn, and U. Kedjarune-Leggat, J. Mater. Sci. Mater. Med. 21, 1553 (2010).
90. M. A. Dechantsreiter, E. Planker, B. Matha, E. Lohof, G. Holzemann, A. Jonczyk, S. L. Goodman, and H. Kessler, J. Med. Chem. 42, 3033 (1999).
91. H. D. Han, L. S. Mangala, J. W. Lee, M. M. Shahzad, H. S. Kim, D. Shen, E. J. Nam, E. M. Mora, R. L. Stone, C. Lu, S. J. Lee, J. W. Roh, A. M. Nick, G. Lopez-Berestein, and A. K. Sood, Clin. Cancer Res. 16, 3910 (2010).
92. H. L. Jiang, J. T. Kwon, Y. K. Kim, E. M. Kim, R. Arote, H. J. Jeong, J. W. Nah, Y. J. Choi, T. Akaike, M. H. Cho, and C. S. Cho, Gene Ther. 14, 1389 (2007).
93. H. L. Jiang, J. T. Kwon, E. M. Kim, Y. K. Kim, R. Arote, D. Jere, H. J. Jeong, M. K. Jang, J. W. Nah, C. X. Xu, I. K. Park, M. H. Cho, and C. S. Cho, J. Control. Release 131, 150 (2008).
94. B. Lu, D. Q. Wu, H. Zheng, C. Y. Quan, X. Z. Zhang, and R. X. Zhuo, Mol. Biosyst. 6, 2529 (2010).
95. S. M. Alex, M. R. Rekha, and C. P. Sharma, Int. J. Pharm. 410, 125 (2011).
96. J. H. Kim, Y. K. Kim, M. T. Arash, S. H. Hong, J. H. Lee, B. N. Kang, Y. B. Bang, C. S. Cho, D. Y. Yu, H. L. Jiang, and M. H. Cho, J. Nanosci. Nanotechnol. 12, 5178 (2012).
97. H. L. Jiang, Y. K. Kim, R. Arote, D. Jere, J. S. Quan, J. H. Yu, Y. J. Choi, J. W. Nah, M. H. Cho, and C. S. Cho, Int. J. Pharm. 375, 133 (2009).
98. H. L. Jiang, C. X. Xu, Y. K. Kim, R. Arote, D. Jere, H. T. Lim, M. H. Cho, and C. S. Cho, Biomaterials 30, 5844 (2009).
99. Y. K. Kim, A. Minai-Tehrani, J. H. Lee, C. S. Cho, M. H. Cho, and H. L. Jiang, Int. J. Nanomed. 8, 1489 (2013).
100. V. B. Morris and C. P. Sharma, Int. J. Pharm. 389, 176 (2010).