238

Maintaining the silence: reflections on long-term RNAi

  • Upload
    ugent

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

 

   

   

 

 

Ghent University Faculty of Pharmaceutical Sciences 

 

 

Biodegradable dextran nanogels as functional carriers for the intracellular delivery of small interfering RNA 

 

 

Biodegradeerbare dextraan nanogelen als functionele dragers voor de intracellulaire afgifte van small interfering RNA 

 

 

Koen Raemdonck Pharmacist 

 

Thesis submitted to obtain the degree of Doctor in Pharmaceutical Sciences 

 

Proefschrift voorgedragen tot het bekomen van de graad van Doctor in de Farmaceutische Wetenschappen 

 

2009 

 Dean 

Prof. dr. apr. Jean Paul Remon 

 

 Promoters 

Prof. dr. apr. Stefaan C. De Smedt Prof. dr. apr. Jo Demeester 

 Laboratory of General Biochemistry and 

Physical Pharmacy 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The author and  the promoters give  the authorization  to  consult and  to  copy parts of  this 

thesis for personal use only. Any other use is limited by the Laws of Copyright, especially the 

obligation to refer to the source whenever results from this thesis are cited. 

 

 

De  auteur  en  de  promotoren  geven  de  toelating  dit  proefschrift  voor  consultering 

beschikbaar te stellen en delen ervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik 

valt  onder  de  beperkingen  van  het  auteursrecht,  in  het  bijzonder met  betrekking  tot  de 

verplichting  uitdrukkelijk  de  bron  te  vermelden  bij  het  aanhalen  van  resultaten  uit  dit 

proefschrift. 

 

 

Ghent, October 2nd 2009 

 

 

Promoters:                  Author: 

Prof. dr. apr. Stefaan C. De Smedt            Koen Raemdonck 

 

 

Prof. dr. apr. Jo Demeester 

 

 

 

 

 

 

   

 

table of contents 

TABLE OF CONTENTS 

 

Table of contents  9 

List of abbreviations & symbols   11

General introduction & thesis outline  15 

   CHAPTER 1 |  Maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  21  CHAPTER 2 |  In situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells   59

CHAPTER 3 |  Dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA  

85 

CHAPTER 4 |  Advanced nanogel engineering for drug delivery  109  

 CHAPTER 5 |  Biodegradable dextran nanogels for RNAi: focusing on endosomal escape 

and intracellular siRNA delivery  133  CHAPTER 6 |  Evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels  163  CHAPTER 7 |  Liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels for 

siRNA delivery   183

CHAPTER 8 |  Summary & general conclusions  205  

    APPENDIX A | Samenvatting & algemene besluiten   215

APPENDIX B | Curriculum vitae  223   

    DANKWOORD | Acknowledgment  233  

9  

table of contents 

 

 

10  

list of abbreviations & symbols 

LIST OF ABBREVIATIONS 

AAV  adeno‐associated virus 

AF488  Alexa Fluor 488 

AFM  atomic force microscopy 

Ago  argonaute 

agRNA  antigene RNA 

AMD  age‐related macular degeneration 

AON  antisense oligonucleotide  

ATRP  atomic transfer radical polymerization 

bp  basepair 

BSA  bovine serum albumin 

CaF  carboxyfluorescein 

CDP  cyclodextrin polycation 

CLSM  confocal laser scanning microscopy 

coRNAi  combinatorial RNA interference 

CPP  cell penetrating peptide 

CRP  controlled radical polymerization 

DEAEMA  2‐(diethylamino)ethyl methacrylate 

DEPC  diethyl pyrocarbonate 

Dex‐HEMA  dextran hydroxyethyl methacrylate 

Dex‐MA  dextran methacrylate 

DGCR8  DiGeorge syndrome chromosomal region 8 

DIC  differential interference contrast 

diINF‐7  dimer of influenza‐derived fusogenic peptide‐7 

DLS  dynamic light scattering 

DMAEMA  2‐(dimethylamino)ethyl methacrylate 

DMEM  Dulbecco’s modified Eagle’s medium 

DNA  deoxyribonucleic acid 

DNase   deoxyribonuclease 

DOPE  1,2‐dioleoyl‐sn‐glycero‐3‐phosphoethanolamine 

DOPC  1,2‐dioleoyl‐sn‐glycero‐3‐phosphocholine 

DS  degree of substitution 

DsiRNA  dicer substrate RNA 

dsRNA  double stranded RNA 

DTT  dithiothreitol 

ECM  extracellular matrix 

EDTA  ethylenediaminetetraacetic acid 

11  

list of abbreviations & symbols 

EE  encapsulation efficiency 

EGFP   enhanced green fluorescent protein 

eri‐1  enhanced RNAi‐1 

FANA  2’‐fluoro‐β‐D‐arabino nucleic acid 

FA/FD  ratio of acceptor to donor fluorescence upon donor excitation 

FBS  fetal bovine serum 

FFS  fluorescence fluctuation spectroscopy 

FRET  fluorescence resonance energy transfer 

GPC  gel permeation chromatography 

HBV  hepatitis B virus 

HDL  high density lipoprotein 

HEPES  4‐(2‐hydroxyethyl)‐1‐piperazine ethanesulfonic acid 

HIV‐1  human immunodeficiency virus‐1 

HPH  high pressure homogenization 

Huh‐7  human hepatoma‐7 

kDa  kilodalton 

KPS  potassium peroxodisulfate 

LCST  lower critical solution temperature 

LDL  low density lipoprotein 

LEN  lipid enveloped nanogel 

LF  lipofectamine 

LMV  large multilamellar vesicle 

LNA  locked nucleic acid 

LPX  lipoplex 

MEND  multifunctional envelope‐type nano device 

miRNA  microRNA 

MOE  2‐methoxyethyl 

mRNA  messenger RNA 

MW  molecular weight 

MWCO  molecular weight cut‐off 

nt  nucleotide 

NPC  nuclear pore complex 

OD  optical density 

OTE  off‐target effect 

PAGE  polyacrylamide gel electrophoresis 

PbAE  poly(β‐amino ester) 

PBS  phosphate buffered saline 

PCI  photochemical internalization 

12  

list of abbreviations & symbols 

PDI  polydispersity index 

pDNA  plasmid DNA 

PEG  poly(ethylene glycol) 

PEI  poly(ethylene imine) 

PNIPAAm  poly(N‐isopropylacrylamide) 

PRINT  particle replication in nonwetting templates 

PS  photosensitizer 

P/S  penicillin/streptomycin 

PTGS  post‐transcriptional gene silencing 

RdDM  RNA dependent DNA methylation 

RdRP  RNA dependent RNA polymerase 

RhoGr  rhodamine green 

RISC  RNA induced silencing complex 

RLU  relative light units 

RNA  ribonucleic acid 

RNAi  RNA interference 

RNase  ribonuclease 

RT  room temperature 

SD  standard deviation 

SDS  sodium dodecylsulfate 

SEM  scanning electron microscopy 

shRNA  short hairpin RNA 

siRNA  small interfering RNA 

SNALP  stable nucleic acid lipid particle 

ssRNA  single stranded RNA 

SUV  small unilamellar vesicle 

TBE  tris, boric acid and EDTA buffer 

TEMED  N,N,N’,N’‐tetramethylenediamine 

TGS  transcriptional gene silencing 

TLR  toll‐like receptor 

TMAEMA  [2‐(methacryloyloxy)ethyl] trimethylammonium chloride 

TPPS2a  meso‐tetraphenylporphine disulfonate 

TRBP  TAR RNA binding protein 

TX100  Triton®X‐100 

UV  ultraviolet 

VPG  vesicular phospholipid gel 

W/O  water‐in‐oil emulsion 

w/v  weight/volume 

13  

list of abbreviations & symbols 

14  

LIST OF SYMBOLS 

ε  extinction coefficient 

λex  excitation wavelength 

λem  emission wavelength 

ζ  zeta potential  

 

 

general introduction & thesis outline 

 

GENERAL INTRODUCTION & 

THESIS OUTLINE 

 

15  

general introduction & thesis outline 

 

   

16  

general introduction & thesis outline 

 

GENERAL INTRODUCTION 

RNA interference and siRNAs 

Just slightly over a decade ago, Andrew Fire and Craig Mello described in their Nature publication the 

peculiar  observation  that  the  exogenous  introduction  of  double‐stranded  RNA  (dsRNA)  into  the 

nematode C. elegans resulted in the suppression of the complementary gene rather than enhancing 

its expression.[1] These authors were the first to launch the term RNA interference (RNAi), a discovery 

that was awarded in 2006 with the Nobel Prize for Medicine and Physiology.  

At  present,  RNAi  is  defined  essentially  as  a  naturally  occurring  and  evolutionary  conserved 

mechanism by which short dsRNA  triggers the sequence‐specific  inhibition of gene expression. The 

knowledge  that  this  gene  silencing mechanism  is  operational  in mammalian  (and  therefore  also 

human) cells,  revolutionized our understanding of endogenous gene  regulation by  small RNAs and 

sparked an explosion of  research  to harness RNAi as a novel  therapeutic modality.[2] RNAi  can be 

implemented  for  the  treatment of a variety of human diseases with a known genetic origin. Now 

with  the sequencing of  the entire human genome, RNAi may  lead  to a plethora of drug molecules 

against any chosen clinical target.[3] The  importance of the discovery of RNAi  is further emphasized 

by the fast transition from lab to clinic with several clinical trials already in progress and several more 

that are scheduled for the coming years. 

Intensive  investigation  on  the  RNAi mechanism  identified  small  interfering  RNAs  (siRNAs)  as  the 

genuine effectors of  the genetic  interference.[4]    Synthetic  siRNAs  can easily be produced  through 

large‐scale  chemical  synthesis  and  the majority  of  reports  on  RNAi  therapeutics  have  focused  on 

siRNA for the activation of gene silencing. However, to trigger RNAi, siRNAs need to be delivered into 

the cytoplasm of  the  target cell and many extra‐ and  intracellular barriers are encountered before 

the  site of action  is  reached.  It  is  therefore  imperative  for  the widespread development of  siRNA 

therapeutics  to  focus on  the design of novel nucleic acid delivery systems to overcome these.[5] As 

virus‐mediated nucleic acid delivery  is  still associated with  insuperable  safety concerns,  the use of 

non‐viral delivery strategies has gained a  lot of  interest. The majority of  reports on siRNA delivery 

describe  the  application  of  lipid  or  polymer  based  carriers  to  enhance  the  fraction  of  the 

administered siRNA dose that effectively reaches the target cell cytoplasm.[6] 

 

 

17  

general introduction & thesis outline 

 

Hydrogels for siRNA delivery 

Hydrogels can be defined as three‐dimensional networks of hydrophilic polymers that are capable of 

absorbing  large quantities of water or biological  fluid. Both synthetic and natural polymers can be 

used  as  core material  for  their  construction.  Since  their  introduction  for biological use  almost  50 

years ago,[7] at present hydrogels are  favoured  for many biomedical and pharmaceutical purposes, 

including controlled drug delivery.[8‐10] Hydrogels may exist in many geometries such as macroscopic 

gels  (e.g.  scaffolds,  cylinders,...), microscopic gels and nanogels.   Up  to now,  literature has mainly 

focused on macro‐ and microscopic hydrogels for extracellular drug delivery applications but during 

the last decade nanogels have gained momentum as drug delivery vehicles. Since siRNAs are needed 

in  the cell cytoplasm  to be effective, as a consequence hydrogels with nanoscopic dimensions are 

required to allow intracellular siRNA release.  

In essence, due to the relatively recent discovery of siRNA therapeutics, there  is a  lack of scientific 

studies describing nanogels as siRNA carriers for their controlled delivery across the cellular barriers, 

which is therefore the major topic of investigation in this thesis. 

THESIS OUTLINE 

CHAPTER 1 provides  insight  into the mechanism of RNA  interference and discusses the predominant 

barriers  for  siRNA  delivery.  Moreover,  in  this  chapter  an  overview  can  be  found  of  the  most 

important parameters  that  govern  the  silencing efficiency  and  influence  the duration of  the  gene 

silencing effect. 

In CHAPTER 2 we aimed to develop a method, based on fluorescence resonance energy transfer (FRET) 

to assess  the  intracellular siRNA stability. Both double stranded  (ds) and single stranded  (ss) siRNA 

are included in this investigation. In addition to chapter 1, we discuss the significance of intracellular 

siRNA stability on the RNAi outcome. 

In  the  context  of  controlled  siRNA  delivery,  CHAPTER  3  investigates  if  cationic  and  biodegradable 

dextran microgels are suited for siRNA complexation and subsequent degradation controlled release. 

This chapter also provides a first indication that these cationic gel particles are able to deliver active 

siRNA across the cellular barriers. 

Before we investigate intracellular siRNA delivery with our dextran hydrogel particles in more detail, 

CHAPTER 4 reviews the state‐of‐the‐art of nanogel design for drug delivery applications.  

18  

general introduction & thesis outline 

 

Through mini‐emulsion photopolymerization, in CHAPTER 5 we succeeded in the production of cationic 

dextran  nanogels,  based  on  the  same  core  material  as  was  used  in  chapter  3.  Their  siRNA 

complexation  potential,  intracellular  siRNA  delivery  and  eventual  gene  silencing  activity  are 

evaluated. Additionally, the influence of endosomolytic tools on the RNAi effect is investigated. 

Besides  the maximal  gene  suppression,  it  is equally  important  to  assess  the duration of  the  gene 

silencing effect when evaluating a novel siRNA delivery strategy. For this reason, CHAPTER 6 deals with 

the  kinetics  of  the  RNAi  effect  obtained  following  transfection with  cationic  nanogels  of  varying 

crosslink density. 

Finally,  in  CHAPTER 7, a  second approach  for  the preparation of dextran nanogels  is demonstrated. 

Here, we apply  lipid vesicles as nanoreactors for the selective crosslinking of functionalized dextran 

in  their  aqueous  interior.  Thus,  nanogels  are  obtained  that  are  surrounded  by  a  lipid  shell.  This 

chapter contains pilot experiments investigating the use of these lipid‐enveloped nanogels (LENs) as 

carriers  for  intracellular  siRNA  delivery  and  discusses  potential  advantages  this  hybrid  nanogel 

delivery system may offer. 

REFERENCE LIST 

1.   Fire A., Xu S., Montgomery M.K., Kostas  S.A. et al., Potent and  specific genetic  interference by double‐stranded RNA in Caenorhabditis elegans, Nature 1998, 391: 806‐811. 

2.   Elbashir  S.M., Harborth  J.,  Lendeckel W., Yalcin A. et  al., Duplexes of 21‐nucleotide RNAs mediate RNA interference in cultured mammalian cells, Nature 2001, 411: 494‐498. 

3.   de Fougerolles A.R., Delivery vehicles for small interfering RNA in vivo, Hum. Gene Ther. 2008, 19: 125‐132. 4.   Elbashir S.M., Lendeckel W., and Tuschl T., RNA  interference  is mediated by 21‐ and 22‐nucleotide RNAs, 

Genes Dev. 2001, 15: 188‐200. 5.   Whitehead K.A., Langer R., and Anderson D.G., Knocking down barriers: advances  in siRNA delivery, Nat. 

Rev. Drug Discov. 2009, 8: 129‐138. 6.   Gao K. and Huang L., Nonviral Methods for siRNA Delivery, Mol. Pharm. 2009, 6: 651‐658. 7.   Wichterle O. and Lim D., Hydrophilic gels for biological use, Nature 1960, 185: 117‐118. 8.   Gupta P., Vermani K., and Garg S., Hydrogels: from controlled release to pH‐responsive drug delivery, Drug 

Discovery Today 2002, 7: 569‐579. 9.   Peppas  N.A.,  Bures  P.,  Leobandung  W.,  and  Ichikawa  H.,  Hydrogels  in  pharmaceutical  formulations, 

European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 2000, 50: 27‐46. 10.  Peppas  N.A.,  Hilt  J.Z.,  Khademhosseini  A.,  and  Langer  R.,  Hydrogels  in  biology  and  medicine:  From 

molecular principles to bionanotechnology, Advanced Materials 2006, 18: 1345‐1360. 

 

    

19  

general introduction & thesis outline 

 

20  

 

maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi | CHAPTER 1 

CHAPTER 1 | Maintaining the silence: reflections on long‐

term RNAi     

Parts of this chapter are published: 

 

Koen Raemdonck1, Roosmarijn E. Vandenbroucke1, Niek N. Sanders1,2, Joseph Demeester1 and 

Stefaan C. De Smedt1, Drug Discovery Today 2008, 13: 917‐931. 

 

 1Laboratory of General Biochemistry and Physical Pharmacy, Department of Pharmaceutics, Faculty of Pharmaceutical 

Sciences, Ghent University, Harelbekestraat 72, B‐9000 Ghent, Belgium. 2Laboratory of Gene Therapy, Department of Nutrition, Genetics and Ethology, Faculty of Veterinary Medicine, Ghent 

University, Heidestraat 19, B‐9820 Merelbeke, Belgium. 

21  

CHAPTER 1 | maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  

22  

 

ABSTRACT 

Since the demonstration of RNA  interference (RNAi)  in mammalian cells, considerable research and 

financial  effort  has  gone  towards  implementing  RNAi  as  a  viable  therapeutic  platform.  RNAi  is 

without doubt the most promising strategy for the treatment of human genetic disorders. As many 

of  the  targets  proposed  for  RNAi  therapy  require  chronic  treatment,  researchers  agree  that  the 

emphasis now must be placed on the safe and long‐term application of RNAi drugs to finally reap the 

benefits. 

maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi | CHAPTER 1 

1 OVERVIEW CHAPTER CONTENTS 

Chapter 1 provides: 

• a  brief  introduction  to  the  post‐transcriptional  gene  silencing  mechanism  termed  RNA 

interference (RNAi) 

• a  summary  of  the  most  important  parameters  that  govern  the  silencing  efficiency  and 

duration of the RNAi effect 

• a discussion of the predominant barriers in the context of siRNA delivery 

• an  introduction to RNAi mediated transcriptional gene silencing, mathematical modelling  in 

RNAi therapy and combinatorial RNAi 

Key terms: 

siRNA – miRNA – shRNA – mathematical modelling – transcriptional gene silencing – coRNAi – siRNA 

delivery – chemical modification 

INTRODUCTION 

RNA interference (RNAi) represents a powerful and versatile gene silencing process in which double‐

stranded RNA (dsRNA) triggers the sequence‐specific cleavage of mRNA transcripts. An explosion of 

research that followed its discovery in Caenorhabditis elegans in 1998,[1] has recently resulted in both 

RNAi  based  protocols  for  analysis  of  gene  function  and  therapeutic  applications  in  humans.[2,3] 

Following  pioneering  research  in  plants  [4,5]  and  nematodes,[1,6]  RNAi  was  demonstrated  in 

mammalian cells in 2001 by Tuschl and colleagues, who were the first to apply small interfering RNAs 

(siRNAs) to guide the sequence‐specific suppression of gene expression.[7,8]  

23  

CHAPTER 1 | maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  

In theory every gene is amenable to RNAi based silencing, and therefore these key papers have led to 

a surge of excitement amongst researchers in the medical field. For about a decade now, the quest 

for  efficient  RNAi  therapeutics  to  treat  a wide  variety  of  pathologies  has  been  ongoing  and  has 

already made  remarkable  progress,  but  we must  emphasize  that  further  improvements  are  still 

needed  to  pave  the way  for  RNAi  to  develop  into  a  viable  therapeutic  approach. Obviously,  the 

translation of RNAi into a broadly applicable therapeutic platform needs appropriate pharmaceutical 

considerations at different  levels  in clinical drug development  like e.g. siRNA design  [9,10] and siRNA 

formulation.[11] In straightforward terms it can be stated that the most efficient delivery of the most 

potent siRNA is expected to result in maximal suppression of a target gene.  

To extrapolate RNAi from bench to bedside, it is imperative to consider not only the gene knockdown 

intensity, but also the dynamics of gene silencing.[12] On one hand, precise control over the duration 

of  RNAi  gene  knockdown  can  provide  new  information  on  complex  cellular  pathways  implying 

interactions  between  multiple  genes,  without  having  to  rely  on  more  elaborate  transgene 

technologies. On  the other hand,  from a  therapeutic point of view,  it may be relevant  to silence a 

pathogenic gene  for a  longer period of  time,  to  improve  the clinical outcome. Prolongation of  the 

gene silencing effect of a specific siRNA formulation may be beneficial for chronic patient adherence 

if the administration frequency in the dosing schedule could be significantly scaled down. 

Although many in vivo studies have already highlighted the enormous therapeutic potential of RNAi 

therapeutic strategies,[13] recent studies have shown unintended off target effects (OTEs), activation 

of  immune and  inflammatory pathways and perturbation of endogenous cellular pathways by small 

dsRNA  drugs.  Especially when  placing  the  emphasis  on  long‐term  treatment  of  chronic  diseases, 

toxicity  issues  become  increasingly  important  and  should  be  dealt with  accordingly. However,  at 

present, few data are available on the  long‐term toxicity of RNAi triggers but appropriate attention 

should be paid to these issues in the context of prolonging RNAi silencing.  

In this chapter we will primarily focus on important remarks and strategies in the light of prolonged 

RNAi  gene  silencing  for  therapeutic  purposes.  In  the  different  sections  we  attempt  to  describe 

several  topics  from  the available  literature on RNAi  that are of particular  relevance  to  the  central 

theme of this thesis. 

INTRINSIC RNAi GENE SILENCING EFFICIENCY AND LONGEVITY 

Since  the discovery of RNAi,  researchers have  revealed  the basic  steps of  the RNAi pathway, but 

many critical aspects remain to be unveiled. The RNAi effector molecules, termed small  interfering 

24  

maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi | CHAPTER 1 

RNAs (siRNAs), are RNA duplexes ~21‐23 nucleotides (nt) in length consisting of a duplex stem ~19 nt 

and both strands bearing a 5’‐phosphate and 2 nt overhangs at the 3’‐ends (Figure 1.1). These small 

RNA fragments are defined as the products of longer dsRNA processing by an RNase III type enzyme, 

called Dicer.  In  primitive  organisms,  long  dsRNA  can  effectively  trigger  RNAi. However,  in  higher 

organisms,  these  long dsRNAs  (>  30  nt)  also  trigger  innate  immune  responses  resulting  in  severe 

toxicity.  Therefore,  by  preference  synthetic  small  siRNAs  are  usually  applied  to  experimentally 

activate RNAi.   

Once introduced in the cell’s cytoplasm, the heterodimer complex Dicer/TRBP processes dsRNAs into 

siRNAs  that  are  subsequently  incorporated  into  a  protein  complex  termed  RISC  (RNA  induced 

silencing complex). RISC also contains the Argonaute 2 (Ago‐2) protein.[14] Only one strand of the RNA 

duplex is retained inside the RISC, which is the antisense strand or ‘guide’ strand. The sense strand or 

‘passenger’ strand  is nicked by Ago‐2, unwound and discarded.[15] Subsequently, the activated RISC 

(RISC*)  uses  the  guide  strand  to  bind  to  the  complementary  region  on  the  target mRNA.  Ago‐2 

contains  an  RNase  H  like  domain  that  is  responsible  for  directed  transcript  cleavage  (also  called 

‘slicing’)  in  the RNA:RNA duplex  region opposite  the phosphate  linkage between bases 10 and 11 

with respect to the 5’ end of the guide strand.[16] The cleavage fragments are then further processed 

by cellular RNases. 

Our  current  knowledge of  the RNAi pathway  is  sufficient  to  recognize  the  intrinsic  gene  silencing 

potential of RNAi. The fact that siRNAs employ endogenous cellular machinery  is  imperative  in this 

regard. SiRNA activated RISC (RISC*) is defined as a multiple‐turnover enzyme that follows Michaelis‐

Menten kinetics. Once the mRNA target is cleaved, RISC* is recycled in the RNAi pathway to identify 

and destroy other mRNAs. This  implies that a single enzyme complex can bind and cleave multiple 

mRNA transcripts.[17] Moreover, RISC can provide additional intracellular stability to the siRNA guide 

strand and protect  it against an armada of single‐strand specific RNases. The entrapment of siRNA 

into RISC and its catalytic action are key parameters explaining the inherent gene silencing efficiency.  

On the other hand, when siRNAs are not incorporated into RISC, their double‐stranded nature makes 

them more  resistant  to  intracellular degradation.  In contrast  to single‐stranded RNA, duplex siRNA 

has  the  structural  advantage  of  being  better  protected  against  ubiquitous  single‐strand  specific 

nucleases.  This  feature  makes  duplex  siRNA  significantly  more  stable  intracellularly,  which  can 

already be observed on a short time scale.[18] This inherent stability also has to be taken into account 

especially when  comparing  the  gene  silencing  efficiency  and  duration  of  siRNAs  and  unmodified 

antisense oligonucleotides, the latter being rapidly degraded in the cell cytoplasm.[19]  

25  

CHAPTER 1 | maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  

 

FIGURE 1.1 | Main cellular mechanism of RNA interference (RNAi), mediated by small interfering RNAs (siRNAs). The natural RNAi pathway is initiated by the cleavage of long double‐stranded RNA (dsRNA) by the Dicer/TRBP heterodimer  complex  into  siRNAs.  These  siRNAs  are  subsequently  incorporated  into  RISC  (RNA  Induced Silencing Complex). RISC only maintains one strand (antisense strand or guide strand) while Ago‐2, the catalytic unit  of  RISC,  cleaves  the  passenger  strand  (sense  strand).  The  siRNA  guide  strand  in  active  RISC*  then recognizes  complementary  target  sites  to direct mRNA  cleavage, which  is again  catalyzed by Ago‐2. Further degradation of the unprotected mRNA fragments is carried out by intracellular ribonucleases. TRBP = TAR RNA binding protein, Ago‐2 = Argonaute 2. 

Efforts with the aim of  improving siRNA potency  led e.g. to the development of  longer siRNAs  (25‐

27mers)  that  show  superior  silencing  efficiency  at  certain  target  sites  when  compared  to  the 

conventional 21 mers directed against  the  same  region  in  the mRNA  transcript.[10,20,21] With  these 

types  of  duplexes,  maximal  inhibition  and  longer  gene  silencing  persistence  was  observed  at 

concentrations lower than those required for conventional 21mer siRNAs.[10,20‐22] The improved RNAi 

silencing is thought to originate from their recognition and cleavage by Dicer (hence the annotation 

Dicer substrate RNAs or DsiRNAs), which could facilitate their incorporation into RISC (Figure 1.1) as 

Dicer is believed to participate in the early steps of RISC assembly.[23]  

Nature holds several examples of convenient RNAi amplification mechanisms, e.g. in nematodes and 

plants. One  of  the  known  amplification mechanisms  is  ‘systemic  spreading’  of  the  RNAi  silencing 

effect.  This  effect  is  attributed  to  a  dsRNA‐receptor,  denoted  as  SID‐1  in  C.  elegans,  which  is 

26  

maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi | CHAPTER 1 

responsible  for  passive  dsRNA  translocation  over  the  cell  membrane  and  intercellular  dsRNA 

transport between neighbouring cells.[24,25] The  lack of gene  silencing when  incubating mammalian 

cells with ‘naked’ (i.e. unformulated) siRNA makes it likely that in most mammalian cell types normal 

levels of SID‐1 homologue expression can be neglected.[26,27] However, a recent study conducted by 

Wolfrum  et  al.  revealed  that  SID‐1  is  at  least  partially  responsible  for  the  in  vitro  hepatocellular 

uptake of lipophilic siRNAs when they are incorporated in lipoprotein complexes such as HDL and LDL 

(high  and  low  density  lipoprotein  respectively)  .[28]  Specific  RNAi  silencing  of  SID‐1  expression  in 

HepG2 cells and blocking of extracellular SID‐1 epitopes with SID‐1 antibodies decreased the cellular 

internalization and subsequent silencing effect of lipophilic siRNAs targeted against apolipoprotein B 

(apoB) .[28]  

Plants,  fungi  and  worms  contain  an  endogenous  RNA  dependent  RNA  polymerase  (RdRP)  that 

produces  secondary dsRNAs  from  an mRNA  transcript  targeted by  a primary  siRNA.  The  resulting 

dsRNA  can  again  be  recognized  and  cleaved  by  Dicer,  increasing  the  intracellular  siRNA 

concentration.  Through  this  amplification process  a  small  amount of  ‘initiator’ dsRNA  can  lead  to 

persistent  gene  silencing.[29‐31]  As  mammalian  cells  most  likely  lack  RNA  dependent  polymerase 

activity, one must rely on alternative strategies to achieve prolonged gene silencing.[29,32,33] 

STABLE RNAi GENE SILENCING 

Twenty‐one mer  siRNAs, mimicking  Dicer  cleavage  products,  can  be  chemically  synthesized  and 

introduced  into the target cell (Figure 1.1) but they can also be produced  intracellularly from short 

hairpin RNA  (shRNA) precursors  that  can be  continuously expressed  from RNA polymerase driven 

expression  cassettes  (Figure  1.2).[34,35]  ShRNAs  are  structurally  and  functionally  related  to  pre‐

microRNAs, intermediates in the biogenesis of endogenously encoded microRNAs (miRNAs). MiRNAs 

constitute  a highly  conserved  class of  small RNAs  that mediate RNAi mainly  through  translational 

inhibition.[36,37] As Figure 1.2  illustrates, the  first step  in  the production of miRNA occurs  in the cell 

nucleus, where  long primary transcripts (called pri‐miRNA) are expressed from endogenous genetic 

regions and processed by Drosha (a RNase III enzyme), with the aid of its cofactor DGCR8, into ~60‐

70 nt hairpins with  imperfect complementarities  in  their stems.[38‐40] These precursor miRNAs  (pre‐

miRNAs)  are  shuttled  from  the  nucleus  into  the  cytoplasm  through  the  Exportin‐5/Ran‐GTP 

heterodimer  complex.[41]  In  the  cytosol,  Dicer  processes  pre‐miRNA  into  mature  ~22  nt  miRNA 

duplexes that interact with RISC to modulate transcriptome expression.[42] 

 

27  

CHAPTER 1 | maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  

 

FIGURE 1.2 | Overview of the microRNA (miRNA) pathway. The presence of miRNAs in the cell cytoplasm leads to modulation of gene expression by translational repression. Pri‐miRNA primary transcripts are processed  in the nucleoplasm by the RNase III enzyme Drosha. The resulting pre‐miRNA (precursor miRNA) is shuttled to the cytoplasm by Exportin5/Ran‐GTP, where it is recognized and cleaved by Dicer to form mature miRNAs. On their turn, miRNAs are incorporated into RISC, that only retains one strand (most likely with the help of a helicase), thereby allowing the complex to bind to a (partially) complementary region in the mRNA. It is believed that the targeted  transcripts are  sequestered  to  cytoplasmic  foci  (P‐bodies)  that are  inaccessible  to  the  translational machinery. TRBP = TAR RNA binding protein, DGCR8 = DiGeorge syndrome chromosomal region 8, also known as Pasha in C. elegans and Drosophila. 

Mammalian miRNAs, which tend to contain mismatches with the target mRNA, most often mediate 

gene  silencing  through  translational  suppression  rather  than  transcript  slicing,  the  latter being  the 

result  of  a  perfect match  between  trigger  and  target.  It  is  believed  that  the  binding  of  activated 

miRISC*  to  the 3’ untranslated region  (3’ UTR) of  the  target mRNA sequesters  the mRNA  from  the 

translational machinery through confinement in cytoplasmic foci, called processing bodies (P‐bodies), 

28  

maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi | CHAPTER 1 

thereby preventing protein synthesis.[43] To date, the exact outcome of  imperfect complementarity 

with target mRNA is still subject to debate as multiple models have already been proposed.[44] 

In  analogy  with  miRNA  biogenesis,  the  intracellular  processing  of  shRNAs  originates  in  the  cell 

nucleus, where Exportin‐5 is responsible for its nuclear export.[45] In the cytoplasm, these shRNAs are 

again cleaved by Dicer to yield the active 21mer siRNAs.[34]  In correspondence with Dicer substrate 

RNAs  (DsiRNAs), plasmid vectors can be designed  to produce  shRNAs  (29 nt  stem, 4 nt  loop) with 

higher  RNAi  potency  over  smaller  hairpin  RNAs  (19  nt  stem,  4  nt  loop)  due  to  improved  Dicer 

recognition and RISC  incorporation.[46] However,  in a recent report by Li et al.,  it was shown that  in 

the context of a 9 nt loop, the shRNA with a 19 nt stem outperformed the longer 29 nt shRNA.[47] The 

explanation  for  this  discrepancy  again  lies  in  the  ability  of  the  shRNA  to  be  recognized  by Dicer. 

Indeed, whereas shRNAs with a 19 nt stem and a 4 nt loop bypass Dicer cleavage, increasing the loop 

length  to  9  nt  also  turns  shRNAs  with  a  19  nt  stem  into  Dicer  substrates.[47,48]  Building  on  our 

increased  understanding  of miRNA  processing,  second‐generation  shRNAs were  developed  (called 

shRNAmir).[49]  In  contrast  to  first‐generation  shRNA  that  elicit  structural  analogy with  pre‐miRNA, 

shRNAmir are transcribed as pri‐miRNA. Their design is based on the human miRNA, miR‐30, of which 

the stem is replaced with a RNA sequence of interest. The advantage of shRNAmir over shRNA lies in 

their  recognition and processing by both Drosha  (nucleoplasm) and Dicer  (cytoplasm),  leading  to a 

more efficient intracellular production of mature siRNAs and increased knockdown efficiency.[50] 

Important in the context of this chapter is to note that, compared with synthetic siRNAs that induce a 

transient knockdown, plasmid vector based  interference shows better potential for  long‐term gene 

silencing.[51] To establish  stable RNAi gene  silencing  in cultured cells,  researchers mostly appeal  to 

viral  expression  vectors.[34]  Lentiviral  vectors  allow  genomic  insertion  of  the  shRNA  expressing 

transgene,  while  adenoviral  and  adeno‐associated  viral  vectors  (AAVs)  show  less  successful 

integration  and  viral  DNA  remains  largely  episomal.[52]  Genomic  integration  of  shRNA  expression 

cassettes per definition results in stable RNAi mediated gene silencing since the target gene remains 

silenced as long as transcription of siRNA precursors proceeds. This RNAi gene therapy approach can 

be of interest to study loss‐of‐function phenotypes following prolonged knockdown of a target gene 

and  for  long‐term  treatment  of  chronic  diseases  (e.g.  viral  infections  such  as  hepatitis  B  [53]  and 

hepatitis C),  thereby easing  the  treatment  schedule and  improving patient comfort. However,  in a 

clinical setting, the use of synthetic siRNAs  for transient RNAi gene silencing may be advantageous 

over  continuous  shRNA/siRNA  production  as  the  dosing  schedule  (and  consequently  also  the 

resulting  intracellular  siRNA  concentrations)  in  a  therapeutic  regimen  can be more easily  adapted 

related  to  therapeutic needs.[54]  Some applications will  call  for  a  fully‐reversible but  long‐duration 

gene  silencing, without  loss of  activity  following  repeated  administration. Additionally,  transgenes 

29  

CHAPTER 1 | maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  

that are stably  integrated  in the host genome can be silenced rapidly by histone modifications and 

hypermethylation of CpG  islands  in  the promoter  region.  Instead of achieving  long‐term  transgene 

expression, this chromatin silencing will result in a gradual extinction of transgene activity.[55] 

Recently, Mark Kay and colleagues disclosed that continuous expression of high intracellular levels of 

shRNA  could  result  in  long‐term  toxicity  in mice.[56] The observed  fatal  side effects were primarily 

ascribed to saturation of Exportin‐5 leading to interference with nuclear export of miRNA precursors 

and miRNA  function.[45]  Possible  solutions  to  overcome  these  toxicity  issues  are  (a)  lowering  the 

initial viral load and (b) implementing vector development with inducible or tissue‐specific promoters 

that  allow more  feasible  control  over  intracellular  shRNA  concentration which may  improve  the 

activity/toxicity ratio.[56‐58] In a mouse model of hyperbilirubinemia, it was shown that the adenoviral 

production  of  shRNAs  could  silence  Abcc2  function  (ATP‐binding  cassette  multidrug  resistance 

protein  2),  involved  in  liver  bilirubin  transport,  for  up  to  3  weeks.  This  effect  did  not  seem  to 

correlate with changes in the level of endogenous (precursors of) miRNAs.[59]  

Nonetheless,  it  is  striking  to  conclude  that  the  improved RNAi gene  silencing of dsRNAs by  taking 

advantage of the natural miRNA pathway in an earlier stage can have a toxic flip side. In this regard, 

synthetic 21mer siRNAs  that  function  further downstream  in  the RNAi pathway are  the better and 

safer  choice  because  they  bypass  Dicer  cleavage  and  do  not  require  nuclear  export  for  their 

activity.[45,60]  However,  when  synthetic  siRNAs  are  employed,  vigilance  is  still  required,  as  an 

intracellular  excess  of  siRNA may  possibly  interfere  with  RISC  availability  which  can  also  induce 

competition with cellular miRNAs.[60‐63] A recent report describing potent and specific knockdown of 

hepatocyte‐specific genes  in mice and hamsters after systemic delivery of  lipid‐formulated siRNAs, 

also demonstrated that the treatment schedule did not influence either miRNA biogenesis or miRNA 

function.[64] As  our  knowledge  on miRNAs  expands, we will  be  able  to  better  assess  any  possible 

cellular  disturbances  as  a  result  of  siRNA/shRNA  treatment. Quantitative  data  on  both  the  total 

number  of  cellular  protein  molecules  involved  in  the  RNAi  pathway  and  the  number  of  siRNA 

molecules that  is needed  inside a cell for a sufficient silencing effect, could be very helpful towards 

optimization of siRNA therapy without the aforementioned toxicity issues.[62] 

Another  concern  that  has  been  raised  against  the  use  of  (non‐integrating)  viral  vectors  is  their 

immunogenicity,  especially  when  long‐term  use  is  necessary  (e.g.  adenoviruses,  AAVs)  .[3,51] 

Furthermore,  random  genomic  insertion  of  a  transgene  (e.g.  with  integrating  lentiviral  vectors) 

coincides with  the  risk  of  hazardous  in  vivo  viral  recombination  and  insertional mutagenesis.[65,66] 

Although  at  present  viruses  are  still  the most  efficient  gene  delivery  vectors,  the  combination  of 

these adverse effects could eventually favour a non‐viral approach. Meanwhile, non‐viral strategies 

have  also  been  explored  for  intracellular  shRNA  production.[51]  SiRNA  expression  plasmids  can  be 

30  

maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi | CHAPTER 1 

introduced  in  the  target  cell  by  complexation  with  cationic  lipids  and  polymers  or  by  physical 

methods  like electroporation and microinjection. Unfortunately,  the nuclear  import of  the plasmid 

DNA  (pDNA)  vector  remains  the  predominant  bottleneck  in  the  gene  delivery  process,[67]  thereby 

giving preference  to  synthetic  siRNAs which  function mainly  in  the  cell  cytoplasm. Especially non‐

dividing cells are difficult to transfect with non‐viral vectors, since insufficient amounts of the pDNA 

can reach the nucleus  in the absence of cell division during which the nuclear barrier  is temporarily 

disassembled.[68] 

PERSPECTIVES ON THE DELIVERY OF siRNA: BIOLOGICAL BARRIERS 

 

FIGURE 1.3 | Overview of the main biological barriers for siRNA therapy following intravenous (IV) injection. For in  vivo  application,  siRNAs  can  be  formulated  into  nanosized  carriers  that  should  fulfill  some  basic requirements. They should be large enough to circumvent renal clearance, but small enough to be able to cross the capillary endothelium and accumulate  in the target tissue. Moreover, the siRNA carrier has to be able to evade uptake by the mononuclear phagocyte system and has to protect the siRNA against circulating RNases. Once  the  carrier  has  reached  the  target  cell,  it  needs  to  deliver  the  siRNA  to  the  cytoplasm.  This  usually involves cellular uptake through endocytosis, followed by escape from the endosome and carrier disassembly in the cytosol. ECM: extracellular matrix, NPC: nuclear pore complex, TGS: transcriptional gene silencing. 

31  

CHAPTER 1 | maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  

Although it is generally said that chemically synthesized siRNAs are promising therapeutic candidates 

for  the  treatment of various genetic pathologies,  their  in vivo drug‐like properties are  regarded as 

very  unfavourable.  Before  siRNAs  can  reach  the  desired  intracellular  location,  many  extra‐  and 

intracellular barriers have to be overcome (Figure 1.3).[26] Obviously, the efficiency with which siRNAs 

can by‐pass these obstacles will have major implications on the extent and duration of gene silencing 

and, subsequently, on the determination of a clinically relevant dosing interval. Several concepts and 

strategies  have  been  proposed  to  improve  the  siRNA  pharmacokinetics  and  eventually  their 

therapeutic performance.  

The extracellular compartment: focus on chemical modification and siRNA formulation 

It is well known that siRNAs are rapidly degraded in the extracellular environment. When naked (i.e. 

uncomplexed,  formulated  in saline) siRNA  is  injected  intravenously,  it  is recognized and cleaved by 

RNase A type endonucleases  [69‐71] or 3’ exonucleases  [72‐74]  limiting  the serum half‐life to < 30 min. 

Therefore, much effort has been undertaken  to  chemically modify  siRNA  therapeutics,  in order  to 

reduce  their  susceptibility  to  serum  RNases.[10,75,76]  Chemical modifications  include  RNA  backbone 

modifications (e.g. phosphorothioates  and boranophosphates), 2’‐ribose modifications, and terminal 

3’ and 5’ modifications, amongst others.[77] The most  important chemical modifications  introduced 

into an RNA backbone to date are  illustrated  in Figure 1.4.[72,78]  Initially some concerns were raised 

with  regard  to  the possible diminished efficacy of chemically modified siRNAs, due  to  interference 

with RISC incorporation, activation and/or recycling. Since then, however, elaborate research in this 

field has proved  that  chemically modified  siRNA  can  also efficiently  lower mRNA  levels  through  a 

sequence‐specific  RNAi  dependent  pathway  and  some modifications  even  show  enhanced  gene 

silencing  compared  to  the  unmodified  counterpart.[79,80]  An  important  consideration  to  make  is 

whether or not chemical modifications, with  the aim of  improving  the extracellular siRNA stability, 

are promising  in  light of prolonging  the knockdown of a  target gene. One could expect chemically 

modified siRNAs to have a higher bioavailability as they stay intact for a longer period of time in the 

blood circulation, thereby also improving the intensity and duration of the RNAi gene silencing effect. 

Unexpectedly,  Layzer  and  coworkers  were  not  able  to  demonstrate  a  stronger  silencing  or 

persistence of silencing for stabilized 2’‐fluoro pyrimidine siRNAs over the unmodified 2’‐OH siRNAs 

after hydrodynamic tail vein injection.[81] Most likely, sufficiently high concentrations of both siRNAs 

can  reach  the  intracellular  target  site  after  hydrodynamic  injection  and  exert  an  effect  before 

nuclease digestion becomes prominent.  

 

32  

maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi | CHAPTER 1 

 

FIGURE  1.4  |  Possible  chemical modifications  that  can  be  incorporated  into  a  siRNA  duplex. Modifications include  alterations  in  the  phosphodiester  backbone  (e.g.  boranophosphate,  methylphosphonate  and phosphorothioate) or sugar modifications (LNA, FANA, 4’‐thio and 2’‐OH modifications). FANA = 2’‐fluoro‐β‐D‐arabinonucleic acid, MOE =  2‐methoxyethyl and LNA = locked nucleic acid. Adapted from reference [72]. 

In contrast to these findings, a modified siRNA duplex, targeted against hepatitis B viral (HBV) RNA 

and where all  ribose 2’‐OHs were  substituted, was  shown  to be more efficient  in decreasing HBV 

DNA and HBV surface antigen serum  levels when compared to non‐modified siRNA.[76]  In the same 

report, hydrodynamic  injection was used  to co‐deliver  the siRNA and a  replication competent HBV 

vector.  Surprisingly,  the  difference  in  activity  between modified  and  unmodified  siRNA was  only 

significant  at  the  high‐dose  level  and  almost  absent  at  lower  doses.[76]  When  in  vivo  siRNA 

degradation  by  nucleases  is  the main  limiting  factor,  one would  expect  to  observe  the  opposite 

trend. This also indicates that factors other than increased nuclease resistance have to be taken into 

account when working with chemically modified siRNAs.  

Besides degradation by RNases, the short  in vivo half  life of siRNAs  is also  influenced by their rapid 

renal clearance. Since siRNAs are highly hydrophilic  (~40 negatively charged phosphate groups per 

siRNA molecule) and have a molecular weight (~14 kDa) far below the cut‐off for glomerular filtration 

(~60 kDa), one can expect renal clearance to be prominent. Although RNase digestion can be slowed 

33  

CHAPTER 1 | maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  

down  by  chemically modifying  the  nucleic  acid  backbone,  renal  clearance  seems  to  be  the  rate 

limiting factor governing the in vivo half life of siRNAs.[62,82]  

Some  chemical  modifications  (e.g.  phosphorothioate  internucleotide  linkages  or  4’‐thio 

ribonucleotides) can  increase the circulatory half‐life of siRNA by promoting  interaction with serum 

proteins.[77] A more convenient strategy to modulate and  improve the siRNA biodistribution and/or 

increase cellular uptake  is  the more dramatic alteration of siRNA structure by conjugation  to small 

molecular weight moieties.[77,83‐85]  Interesting  examples  are  the  coupling  of  siRNA  to  heavy‐chain 

antibody  Fab  fragments  [86]  or  lipidic  moieties  like  cholesterol,  bile  acids  and  long‐chain  fatty 

acids.[28,87,88] Lipophilic siRNAs seem to  incorporate selectively  in  lipoprotein particles which are rich 

in phospholipids and cholesterol (mainly HDL and LDL). These lipophilic siRNA‐lipoprotein complexes 

are able to  improve siRNA biodistribution by evading renal clearance and promoting cellular uptake 

through HDL and LDL  lipoprotein receptors.[28] Chimeric peptide‐siRNA complexes, as an alternative 

delivery  strategy,  have  recently  been  shown  to  protect  mice  against  infection  with  Japanese 

encephalitis  virus  by  delivering  their  siRNA  payload  into  the  brain  after  intravenous  injection.[89] 

Intriguingly, the majority of the siRNA treated mice survived for over 4 weeks, while all animals in the 

control group died within 10 days. Rozema et al. recently  introduced a novel polymer based siRNA‐

conjugate  strategy  (termed  Dynamic  Polyconjugates)  for  in  vivo  hepatocytic  targeting.  These 

conjugates  (~10  nm  in  size)  consist  of  a  reversibly  shielded  membrane‐destabilizing  polycation, 

containing a cleavable targeting  ligand, to which siRNA  is  linked through an  intracellularly reducible 

disulfide  bond.  Effective  knockdown  of  two  endogenous  hepatic  genes  apoB  and  peroxisome 

proliferators‐activated  receptor  alpha  (ppara) was  demonstrated  in wild‐type mice  following  low 

pressure i.v. injection.[90] In addition, aptamer‐siRNA conjugates seem promising for cell‐type specific 

delivery  of  siRNA,  as  demonstrated  by  two  groups  using  a  prostate‐specific  membrane  antigen 

(PSMA)  targeted  aptamer,  either directly  conjugated  to  siRNA or  linked  through  streptavidin.[91,92] 

The  use  of  cell  penetrating  peptides  (CPPs)  for  siRNA  delivery  to  date  has  also  produced  some 

interesting reports, but the exploration of this area of research is only just commencing.[93,94] 

Another  convenient way  to  circumvent  renal  clearance  is by  the  incorporation of  siRNA  into gene 

silencing  nanocomplexes  that  are  large  enough  to  evade  glomerular  filtration,  thereby  improving 

siRNA pharmacokinetics and biodistribution.[85] Paying proper attention to the “packaging” of siRNAs, 

can  lead  to  constructs  where  the  siRNA  molecules  are  shielded  from  circulating  RNases  and 

destabilizing blood components, eliminating the need for chemical modification.[95‐97] Many inventive 

siRNA  formulations  have  already  shown  to  dramatically  improve  the  in  vivo  potency  of 

siRNAs.[3,11,62,83,98‐100] A  textbook  case, underlining  the  importance of  siRNA  formulation  is given by 

Morrissey  et  al. When  administering  unformulated  backbone  stabilized  anti‐HBV  siRNAs  through 

34  

maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi | CHAPTER 1 

hydrodynamic tail vein  injection, an effective  inhibition of HBV replication could be achieved, albeit 

at a dramatically high dosing regimen of three daily doses of 30 mg kg‐1.[76] However, formulating the 

therapeutic  siRNAs  into  stable  nucleic  acid  lipid  particles  (SNALPs)  of  ~140  nm  in  size,  these 

investigators succeeded  in achieving a significant and  long‐term  reduction of HBV activity by  three 

daily injections of 3 mg kg‐1 d‐1 siRNA followed by a weekly administered maintenance dose for up to 

6 weeks.[101] A more recent report, using SNALP technology to deliver anti‐ApoB siRNA in cynomolgus 

monkeys, describes marked  reduction  in plasma ApoB protein  levels  for as  long as 11 days after a 

single  IV  injection  (2.5 mg  kg‐1).[102] Mark Davis’  group  formulated  siRNAs  in  cationic  cyclodextrin 

containing  polycations  (CDPs)  which  can  be  equipped  with  targeting  ligands,  e.g.  transferrin  for 

delivery to tumour cells expressing the transferrin receptor. The systemic delivery of these targeted 

siRNA  nanoparticles,  twice‐weekly  for  >  4 weeks  resulted  in  long‐term  inhibition  of  tumour  cell 

engraftment and tumour growth  in a murine therapeutic model for metastatic Ewing’s sarcoma.[103] 

Interestingly, the long‐term inhibition was only observed for the formulation where the surface was 

modified with transferrin moieties and no positive outcome was demonstrated for the non‐targeted 

formulation.  This  targeted  nanoparticle  delivery  system  also  has  been  evaluated  recently  in  non‐

human  primates  [104]  and  is  currently  in  a  phase  I  clinical  trial.[105]  Some  of  the  cited  delivery 

approaches are schematically drawn in Figure 1.5. 

The intracellular compartment: focus on chemical modification and cellular dilution 

Besides  improvements  at  the  extracellular  level,  also  the  intracellular  behaviour  of  chemically 

modified siRNAs may play a pivotal role in improving the RNAi gene silencing potency and duration. 

Some reports ascribe a prolonged gene silencing effect in cell cultures to the use of stabilized siRNA 

duplexes  that  show  higher  resistance  towards  nuclease  attack,  suggesting  that  intracellular 

degradation of siRNA can indeed be partially responsible for transient RNAi gene silencing.[106‐110] An 

interesting recent report by Takabatake and coworkers demonstrates the dependence of RNAi gene 

silencing duration on the tissue expression level of eri‐1 (enhanced RNAi‐1) nuclease.[111] Eri‐1 can be 

regarded  as  a  type  of  siRNAse, which  has  been  discovered  in  C.  elegans mutants.[73]  Preliminary 

experiments  in EGFP transgenic rats revealed that a single administration of siEGFP  into the kidney 

resulted  in the reduction of EGFP expression for up to two weeks, while the transfection of siEGFP 

into muscle  tissue  silenced EGFP  for up  to 90 days. The authors hypothesize  that  the higher eri‐1 

expression level in the kidney when compared to muscle could be responsible for higher intracellular 

siRNA  degradation  and  decreased  RNAi  longevity.  They  propose  that  blocking  eri‐1  expression  or 

applying eri‐1‐resistant siRNAs can result in more sustained gene silencing.[111]  

35  

CHAPTER 1 | maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  

 

FIGURE 1.5 | Delivery systems for siRNA. (a) lipophilic covalent conjugate of siRNA with cholesterol, (b) aptamer‐siRNA conjugate for targeted siRNA delivery, (c) encapsulation of siRNA in stable nucleic acid lipid particles or SNALPs,  composed  of  cationic  lipids  for  siRNA  complexation  together with  a  fusogenic  and  pegylated  lipid component,  (d)  polymer  nanoparticle  delivery  concept  consisting  of  cyclodextrin  polycations  for  siRNA complexation.  Targeting  moieties  can  be  linked  by  the  formation  of  adamantane‐cyclodextrin  inclusion complexes. 

SiRNAs modified with 2’‐fluoro pyrimidines have shown  increased persistence  in  luciferase silencing 

over  unmodified  siRNAs  in  cells  transiently  transfected  with  a  luciferase  reporter  vector.[107] 

However,  assessment  of  luciferase  silencing with  the  same  type  of modified  siRNAs  in  a  cell  line 

stably  transfected with  the  luciferase  reporter  gene, did not  reveal  a  significant difference  in  the 

duration of gene silencing.[81] As explained by Layzer et al., when trying to investigate gene silencing 

in cell culture on a  longer  time  scale,  it  is preferred  to approximate  in vivo conditions as much as 

possible  by  using  cell  culture  models  that  stably  express  the  transgene  of  interest.[81]  It  was 

questioned  recently  whether  simultaneous  transfection  of  an  exogenous  gene  and  the  siRNA  is 

suitable  to quantify RNAi.[112] Volkov  et  al.  claimed  in outspoken  terms  that  the main  purpose of 

36  

maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi | CHAPTER 1 

siRNA  protection  against  nuclease  attack  is  the  extension  of  the  duration  of  the  siRNA  effect. 

Interestingly,  these authors concluded  that only protection of all  the nuclease‐sensitive  sites  in an 

siRNA duplex could result in RNAi prolongation, and that partial modification does not induce a more 

durable gene silencing when compared to the unmodified duplex.[109] 

Fisher  et al.  investigated  the  influence of modest  altritol  (6‐carbon  sugar) modifications on  siRNA 

stability  and  gene  silencing  persistence.[113]  Although  partially  modified  siRNAs  did  not  show 

increased  nuclease  resistance  compared  to  wild‐type  siRNA,  the  authors  did  observe  enhanced 

duration in MDR‐1 gene silencing resulting in more durable suppression of p‐glycoprotein expression. 

These data underscore the fact that, at the cellular level, other factors than mere siRNA stability, like 

cellular uptake and/or recognition by RNAi machinery, have to be taken into account. Liao and Wang 

reported on 2’‐O‐(2,4‐dinitrophenyl) modifications that serve to enhance siRNA lipophilicity.[80] These 

chemical adjustments  facilitate  the  intracellular siRNA penetration and  improve  the siRNA stability 

which  resulted  in a stronger  inhibition of  insulin‐like growth  factor  receptor expression,  relative  to 

unmodified siRNA directed against the same target sequence. 

Interestingly,  it seems that  in fast dividing cell  lines gene silencing  is  limited by  intracellular dilution 

of siRNA (and activated RISC) due to cell division. As a result, in vitro gene silencing usually lasts for 

only ~4‐7 days.[54]  In slowly dividing and non‐dividing cells the siRNA stability  is supposed to be the 

main limiting factor for prolonged gene silencing as the intracellular siRNA half‐life is expected to be 

shorter  than  the  cell  division  time.[54]  Intracellular  persistence  of  active  siRNA  has  already  been 

shown  to  maintain  target  gene  inhibition  for  several  weeks  in  different  types  of  (non‐dividing) 

primary  cells.[54,114‐117]  In  these  papers  it  was  assumed  that  the  stability  of  the  RNAi  effect  is 

representative  of  the  physical  stability  of  the  intracellular  siRNA  trigger.  Unfortunately,  in most 

reports this assumption was not experimentally evaluated. Song et al., who did perform a northern 

blot  analysis  for  siRNA  integrity,  suggested  that  intracellular  siRNA  survival  requires  the  active 

production of the target mRNA transcript.[114] Mantei et al.  identified  intracellular siRNA stability as 

the  critical parameter  influencing RNAi  effect duration  in primary  T  lymphocytes. Whereas  target 

gene expression was rapidly restored to base levels for unmodified siRNAs upon T cell activation, the 

gene  inhibition was dramatically  lengthened with  chemically modified  siRNAs. The authors ascribe 

this effect to the increased intracellular half‐life of the modified siRNA, rather than dilution resulting 

from T cell proliferation.[110]  

Also Maliyekkel et al. reported on more stable gene silencing following transient shRNA induction in 

growth arrested non‐cycling cells.[115] However, in contrast with other reports on long‐lasting RNAi in 

non‐dividing cells,[114] the phenotypic RNAi activity did not coincide with the intracellular siRNA decay 

as  analyzed  by  a  RNase  protection  assay.  Two  possible  explanations  for  this  discrepancy  were 

37  

CHAPTER 1 | maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  

suggested. Firstly,  it  is conceivable  that  the RNAi phenotype  is mainly governed by  the  fraction of 

siRNA associated with RISC*. As already mentioned previously, it can be expected that incorporation 

of the guide strand in the RISC* complex provides extra protection against degradation. In this case 

quantifying  total  intracellular  siRNA  does  not  represent  the  effective  intracellular  RNAi  potential. 

Secondly, it was proposed that transcriptional silencing of the target gene could be held responsible 

for the increased silencing duration ( more information on transcriptional silencing can be found in in 

the following section). Recent in vitro and in vivo data on non‐modified and nuclease stabilized siRNA 

duplexes  have  shown  that  evading  nuclease  attack  by  chemically  modifying  siRNAs  does  not 

significantly prolong  the duration of gene  silencing once  the  siRNA has  reached  the  cytosol of  the 

target cells.[118]  

The contradictory findings on the  (supposed) advantages of nuclease stabilized siRNAs described  in 

this section unfortunately hinder drawing clear conclusions in this regard. Nonetheless, although the 

benefits of nuclease  resistant  siRNAs  inside  the  cell  cytoplasm  still  remain questionable,  chemical 

modifications have proved to be a very useful approach to abrogate off‐target effects and unwanted 

stimulation of the mammalian  immune system.[119‐122] Several native siRNA sequences are known to 

induce  a  toll‐like  receptor  (TLR)  mediated  immune  response  through  endosomal  TLR7/8 

recognition.[123,124] Cytoplasmic receptors such as PKR  (dsRNA‐binding protein kinase receptor), and 

the  RNA  helicases  RIG‐1  (retinoic  acid‐inducible  gene‐I)  and  MDA‐5  (melanoma  differentiation‐

associated protein‐5) are considered to recognize certain structural RNA characteristics, other than 

nucleotide sequence.[122] RIG‐1 for instance is activated by uncapped 5’‐triphosphate RNA and longer 

blunt‐ended siRNAs.[122,125] Mitigation of immune response is possible by designing siRNAs devoid of 

immunostimulatory  sequence motifs  and by paying proper  attention  to dsRNA  physical  structure. 

The most  robust approach however  is  the  selective  incorporation of modified nucleotides  (e.g. 2’‐

OMe) to avoid immune receptor activation.[122,126] Kleinman and coworkers showed recently that 21‐

nt or  longer siRNAs  inhibited choroidal neovascularization  (CNV)  in mice  in a sequence‐ and  target 

independent  manner.  The  inhibition  resulted  from  the  cell‐surface  binding  of  TLR3  by  generic 

siRNAs.[127] Although  this  approach  could offer perspectives  to harness  this  immune activation  for 

antiangiogenic effects,[127,128] excessive cytokine release can cause severe toxicity.[129] Modifying the 

siRNA  duplex  to minimize  TLR3  activation  could  reduce  any  consequential  undesired  effect  and 

enhance  target  specificity. Therefore,  chemical modifications  can  certainly help  to optimise  siRNA 

design towards minimal in vivo toxicity and maximal siRNA tolerance. 

 

38  

maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi | CHAPTER 1 

RNAi INDUCED SILENCING AT THE TRANSCRIPTIONAL LEVEL 

The majority of reports in the literature dealing with mammalian RNAi gene silencing describe siRNA‐

directed cleavage and destruction of cytoplasmic mRNA transcripts, termed post‐transcriptional gene 

silencing (PTGS). Although  it was first believed that siRNA only functions  in the cell cytoplasm,[130] a 

series of recent reports suggest that RNAi may also be active in the cell nucleus. As an example, the 

RNAi nuclear  function was  shown by  siRNA‐mediated degradation of 7SK  snRNA,[131] an abundant, 

well‐characterized RNA that has a highly defined structure and specifically localizes in the nucleus.[132‐

134]  Furthermore,  it was  shown  that  several  siRNAs  incorporated  in  functional RISC  existed  in  the 

nucleus  and  cleaved  the  target  RNA  with  high  efficiency.[131]  Irrespective  of  the  fact  that  siRNA 

molecules are small enough to passively diffuse through the nuclear pore complex (NPC), recent data 

suggest that nuclear RISC (nRISC) originates from a partial translocation of cytoplasmic RISC (cRISC) 

followed by shuttling in the nucleus.[135] Although the cited reports describe RNAi action occurring in 

the  cell nucleus,  this  still encompasses a PTGS process,  for which essentially  the  same basic  rules 

apply as discussed for cytosolic RNAi (see section 2 of this chapter). 

To date, accumulating evidence emerges that small  interfering RNAs have the ability to silence the 

expression of eukaryotic genes by  targeting  their promoter  region, a process which  is denoted as 

transcriptional gene silencing or TGS. This phenomenon was  first observed  in  lower organisms and 

plants,  e.g.  when  doubly  transformed  tobacco  plants  exhibited  a  suppressed  phenotype  of  a 

transgene  caused  by  a  methylation  process.[136]  This  RNA‐dependent  DNA  methylation  (RdDM) 

seemed to be induced by RNA sequences identical to genomic promoter regions, leading to TGS.[137‐

141] While the exact molecular mechanisms of RdDM are still to be fully clarified, it is likely to involve 

cytosine methylation, histone modification and chromatin remodelling.  

Several  independent  recent  reports  also  demonstrated  transcriptional  gene  silencing  by 

siRNAs/shRNAs in mammalian cells.[142‐144] SiRNA‐mediated TGS in mammalian cells appears to be the 

result  of  the  siRNA‐directed  histone  H3K9  and  H3K27 methylation  at  the  targeted  promoter,[145] 

although  subsequent DNA methylation has  also been observed.[144,146]   However,  the  role of DNA 

methylation  in  TGS  remains  controversial  and  highly  debated  since  many  reports  describe  that 

potent silencing on the transcriptional  level does not necessarily require DNA methylation. A paper 

from  Janowski  et  al.  describes    the  inhibition  of  gene  expression  by  so  called  antigene  RNAs 

(agRNAs),  complementary  to  transcription  start  sites  within  human  chromosomal  DNA.[147]  In 

contrast to other reports, no evidence for a role of DNA methylation in promoter silencing could be 

obtained, but  the silencing was accompanied by dimethylation of Lys9  in histone H3  (H3K9).[148,149] 

Kim et al. and  Janowski et al. both  investigated  the  involvement of Argonaute proteins  in  the TGS 

39  

CHAPTER 1 | maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  

process. While John Rossi’s group only identified the enrichment of Ago‐1 at the targeted promoter 

region,[149]  Janowski and co‐workers reported  that  the siRNA‐mediated silencing of both Ago‐1 and 

Ago‐2 seemed to reverse TGS induced by agRNA, suggesting that both Argonautes play a role in the 

promoter  silencing.[150]  Adding  to  the  vast  complexity  of  this  field  are  reports  describing  TGS  by 

endogenously  encoded miRNAs,[151]  or  even  the  transcriptional  activation  induced  by  small  RNAs 

instead  of  repression.[152,153]  It  may  be  clear  that  the  exact  molecular  mechanisms  for  TGS  or 

transcriptional activation  still  remain  rather obscure  to date and more data are needed  to  further 

clarify the underlying pathways.  

However,  evidence  on  TGS  at  present  is  sufficient  to  envision  the  use  of  small  RNAs  targeting 

promoters  for  therapeutic purposes. An excellent example underlining  the  therapeutic potential of 

TGS can be  found  in HIV‐1  treatment. To suppress  the production of a  range of viruses  in vitro by 

targeting  structural  and  accessory  genes,  the  duration  of  the  PTGS  effect  is  known  to  be  rather 

limited, i.e. in HIV‐1 varying from 4 to 7 days.[154] Prolongation of the HIV‐1 silencing up to 14‐25 days 

was achieved using adeno‐associated or lentiviral vectors. However, the efficacy of HIV‐1 treatment 

based on a PTGS approach is potentially further limited as HIV‐1 is known to adapt to environmental 

pressure and rapid selection of siRNA escape mutants has been described in vitro.[155] For this reason, 

Suzuki et al. made use of TGS as an alternative approach to prolong the suppressive effect of siRNA 

that would be less susceptible to the adaptability of HIV‐1.[156] SiRNA, targeting HIV‐1 LTR, induced a 

significant reduction  in the reverse transcriptase  levels, an effect that was maintained for over one 

month.  A  prolonged  effect  can  be  expected  as  it  has  been  shown  that,  regardless  of  the  exact 

underlying mechanisms,  RdDM  is  long  lasting  and  can  be  passed  on  across  generations  in  plant 

systems  [157‐159]  and  in  C.  elegans  in  the  absence  of  the  original  RNAi  trigger.[160]  Therefore, 

transcriptional gene  silencing  through  the use of promoter  specific  siRNAs could be an  interesting 

method  of  achieving  a more  robust  gene  silencing  effect,  as  recently  shown  for  the  first  time  in 

human  cells  by  Kevin Morris’  group,  although  it  has  been  suggested  that  this  probably  needs  a 

minimal  sustained  expression  of  promoter  directed  siRNA/shRNA  in  order  to  increase  DNA 

methylation events.[161]  

MATHEMATICAL MODELLING TO DESCRIBE RNAi GENE SILENCING KINETICS 

A broad spectrum of variable parameters can be defined  that may  influence  the outcome of RNAi 

gene silencing and the knockdown duration. These parameters are situated on three distinct  levels: 

(1) the siRNA delivery formulation, (2) the intracellular RNAi pathway and (3) the envisioned target.  

40  

maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi | CHAPTER 1 

At  the  level  of  siRNA  delivery  one  must  keep  in  mind  that  in  vivo  the  tissue  distribution  and 

pharmacokinetics of  the  siRNA  formulation  (e.g.  siRNA containing nanoparticles) will have a major 

impact on  the RNAi  effect  in  the  target  cells,  as discussed  earlier. Because  the  siRNA  targets  are 

located  intracellularly, not only  the biodistribution  in  the extracellular space, but also  the different 

steps  in  intracellular trafficking have to be considered.  Important processes  like the cellular uptake 

mechanism, the confinement of siRNA carrier to cytosolic vesicles and siRNA release from its carrier 

will influence the RNAi effect (Figure 1.3). For example, several studies have shown that the ability of 

siRNA or siRNA carrier complexes to escape from the endosomal compartment can be a limiting step 

in their gene silencing efficiency.[162,163] 

Obviously, RNAi‐specific parameters such as  intracellular siRNA stability, RISC activation and siRNA‐

RISC‐mRNA complex kinetics have to be accounted for. The importance of RISC* recycling in the RNAi 

pathway  towards  siRNA  gene  silencing  potency  and  the  potential  influence  of  siRNA  chemical 

modification was emphasized earlier. 

Last but not least, both the turnover of the intracellular mRNA transcript and target protein stability 

should  be  carefully  considered.  If  the  protein  half‐life  extends  over  several  days,  even  efficient 

knockdown of  intracellular mRNA  levels  after  a  single  siRNA dose may  fail  in  altering  the  cellular 

phenotype owing to residual amounts of the stable protein. The rate of cell division is imperative for 

the duration of gene silencing in a transient RNAi approach as it determines how transient the RNAi 

effect really is. In this regard, both the targeted cell type and the envisioned therapeutic outcome are 

of great  importance.  If a single administration of siRNA  is effective  in blocking tumour cell growth, 

this  inherently  could  imply  a  prolonged  effect  since  the  intracellular  siRNA  dilution  due  to  cell 

division can be disregarded.[164] 

A  detailed  knowledge  of  the  impact  of  all  the  parameters  listed  above,  in  relation  to  RNAi  gene 

silencing kinetics, could expedite the design of therapeutic siRNA strategies. Predictive mathematical 

models,  illuminating  the  key  factors  that  govern  the  duration  of  gene  silencing,  could  be  helpful 

instruments  in  the setup of siRNA  treatment regimens. Several reports that describe mathematical 

equations to gain more  insight  into the RNAi silencing pathway are available  in the  literature.[165,166] 

Raab  and  Stephanopoulos  studied  the  impact  of  the  siRNA  concentration  and  the  time  of  siRNA 

transfection  relative  to  reporter plasmid  co‐transfection  in mouse hepatoma  cells.[12]  Their model 

could be used to select the appropriate time of siRNA transfection as a function of gene  induction. 

Moment analysis was used by Takahashi and coworkers to evaluate the time‐course of endogenous 

protein expression as a function of siRNA concentration.[167] Likewise, an interesting report by Arciero 

et al. describes mathematical modelling as a tool to predict tumour‐immune evasion and to study the 

41  

CHAPTER 1 | maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  

impact of siRNA administration directed against the  immune suppressive cytokine TGF‐β on tumour 

growth.[164,168] 

Bartlett and Davis were the  first to construct a mathematical model  incorporating parameters that 

govern  the  in  vivo  siRNA  delivery  process,  such  as  biodistribution  of  the  siRNA  carrier  and 

intracellular trafficking  (vector unpackaging and endosomal escape), to study the kinetics of siRNA‐

mediated  gene  silencing.[54]  Model  calculations  were  also  applied  to  define  a  dosing  schedule, 

consisting of repeated siRNA injections, which results in persistent gene silencing, dependent on the 

half‐life of the target protein and the target cell division rate. An illustrative example for non‐dividing 

fibroblasts  is given  in Figure 1.6. The same authors  further employed  their mathematical model  in 

several in vitro and in vivo gene silencing studies performed with targeted siRNA‐nanoparticles based 

on cationized cyclodextrin, to provide  information that could aid  in designing more effective siRNA 

delivery strategies.[169]  

 

FIGURE 1.6 | Effect of siRNA dose frequency on the duration of luciferase knockdown by siRNA in non‐dividing fibroblasts  that  stably  express  the  luciferase  gene.  (A)  Experimental  results  obtained  with  Oligofectamine formulated siRNA, directed against pGL3  luciferase. Squares, 100 nM (day 0); diamonds, 100 nM (day 0) + 10 nM (day 4); triangles, 100 nM (day 0) + 100 nM (day 4). (B) Luciferase knockdown following siRNA transfection, as  predicted  by mathematical modelling.  Reprinted with  permission  from  Bartlett  and Davis,  2006  [54]. © Oxford University Press. 

When  considering  different  siRNA  delivery  strategies,  also  note  that  it  could  be  of  interest  to 

incorporate the delivery kinetics of siRNA from its formulation into predictive mathematical models, 

as  the  amount  of  siRNA  delivered  into  the  cytoplasm  as  a  function  of  time  could  well  be  a 

determining factor towards the eventual therapeutic outcome and the intracellular toxicity. 

42  

maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi | CHAPTER 1 

TIME‐CONTROLLED INTRACELLULAR RELEASE OF siRNA 

 ‘More may not  always be better’,  it was  sharply put by Marsden  in  a  recent  edition of  the New 

England  Journal of Medicine,[170] and  can be  regarded as a basic  toxicological paradigm.  In  theory 

every  substance  is  potentially  harmful when  exceeding  a  certain  concentration  level  or  exposure 

time. This  is also  true  for siRNA  therapeutics,  judging by  the concentration dependency of adverse 

effects such as off‐target silencing, induction of immune response and saturation of the endogenous 

RNAi pathway.[63,122] This obviously stresses that it is imperative to work with the most potent siRNA 

designs at  the  lowest concentration possible. Keeping  this  in mind, one cannot overemphasize  the 

need for rigorous control over the intracellular siRNA/shRNA concentrations. 

To regulate the number of active siRNA molecules  in the cell cytosol, one could consider the use of 

conditional shRNA expression from plasmid expression cassettes delivered in the target cells by viral 

or non‐viral  carriers. However,  the  regulation of  intracellular  siRNA  concentrations becomes more 

complex  in  the case of  (non‐viral)  synthetic  siRNA delivery where mostly  (electrostatic)  complexes 

between siRNA and (cationic) polymers (i.e. polyplexes) or (cationic) lipids (i.e. lipoplexes) are applied 

to the cells. With these poly‐ and lipoplexes a transient RNAi effect lasting for less than one week is 

generally  observed.  For many  of  these  formulations,  one  can  expect  that  upon  escape  from  the 

endosome,  they  provide  a  direct  release  of  siRNA  in  the  cytoplasm.  The  released  siRNA  is 

subsequently prone to dilution through cell division and (possibly) intracellular degradation, leading 

to a transient gene silencing. In theory, time‐controlled release of siRNA in the cell cytoplasm could 

be  interesting  to maintain  intracellular siRNA concentrations  for a  longer period of  time above  the 

minimal  threshold  required  for  efficient  gene  silencing, without  flooding  the  cell  cytoplasm with 

uncomplexed (naked) siRNAs. Controlling the amount of siRNA that  is released  in the cytosol could 

therefore result in a prolonged RNAi effect.  

To achieve this goal, there is a need for delivery vehicles that exhibit tailored time‐controlled siRNA 

delivery. Our group recently published on cationic biodegradable poly‐β‐amino esters (PbAEs) which 

are able to  form nanosized electrostatic complexes with the negatively charged siRNA  (Figure 1.7). 

Following  endocytosis  of  the  polyplexes,  the  hydrolytic  degradation  of  the  cationic  polymer  is 

believed to  increase the osmotic pressure  inside the endosomal vesicles due to an accumulation of 

its degradation products.[171] When exceeding a critical pressure  threshold,  this eventually  leads  to 

endosomal  rupture.  It  is  hypothesized  that  the  polymer  degradation  rate  and  the  number  of 

polyplexes residing in a single endosome will govern the kinetics of the rise in osmotic pressure over 

the endosomal membrane. Therefore, not all endosomes are expected to rupture at the same time. 

43  

CHAPTER 1 | maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  

In this way a more gradual siRNA release  into the cell cytoplasm  is expected  in function of polymer 

degradation, thereby altering gene silencing kinetics (Figure 1.7). 

 

FIGURE  1.7  |  Long‐term  gene  silencing with biodegradable poly‐β‐amino  esters  (PbAEs)  in HuH‐7 hepatoma cells  that  stably  express  the  luciferase  gene.  The  cells  are  transfected  with  (a)  PbAE1:siRNA  and  (b) PbAE2:siRNA  complexes  containing  siRNA  targeting  the  pGL3  luciferase  gene  in  different molar  ratios.  The chemical structure of both cationic polymers is depicted. It is hypothesized that the slower degradation rate of PbAE2  results  in a more  sustained gene  silencing effect when compared  to  the more  labile PbAE1 polymer. Adapted with permission from reference [170]. 

44  

maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi | CHAPTER 1 

In a comparable approach, which is explained in more detail in chapter 3, our group is also involved 

in the design of biodegradable siRNA impregnated gel beads (microgels) which elicit time‐controlled 

release  of  the  incorporated  siRNA  governed  by  the  hydrolysis  of  the  hydrogel  crosslinks.[172] 

Depending on the hydrogel characteristics, the siRNA release time can be tailored from hours over 

days to several weeks. As such gels can be taken up by target cells they could serve as  intracellular 

siRNA depots slowly disintegrating and releasing the entrapped siRNA. 

Due  to  the high gene  silencing potential of  siRNAs, only a  small number of active  siRNAs per  cell 

(~several hundred) are needed for activity. Veldhoen et al. provided a detailed quantitative analysis 

of cellularly internalised siRNA through a liquid hybridization protocol.[173] Combining these data with 

the  observed  RNAi  effect  revealed  that  for  a  half maximal  silencing,  ~104  siRNA molecules were 

necessary in case of a cell penetrating peptide (CPP) assisted transfection and only ~300 in the case 

of transfection with  lipofectamine™2000.[173,174] This  indicates that the number of siRNA molecules 

that becomes available for biological activity may depend strongly on the delivery agent. Data on the 

minimal number of siRNA molecules needed to trigger a sufficient RNAi effect and knowledge on the 

kinetics of  the RNAi  effect  in  relation  to  the  intracellular  siRNA  concentration  are  very  important 

when attempting to achieve a long‐term maximal inhibitory effect.  

We emphasised that a number of crucial parameters need to be considered for an understanding of 

the RNAi gene silencing kinetics. Similarly, an optimal controlled siRNA release depends on both the 

cell  type and target gene. For  instance,  it should be clear  that the optimal siRNA release profile to 

achieve a more sustained gene silencing will differ significantly for slowly dividing, fast dividing cells 

and non‐dividing cells. On  the other hand, also  the expression  level of  the  target gene will greatly 

influence the amount of siRNA needed inside the cell cytoplasm for maximal gene silencing. 

COMBINATORIAL APPROACH IN RNAi THERAPY 

Because siRNAs/shRNAs can be developed to target viral transcripts  in a sequence‐specific manner, 

RNAi could prove to be the next best thing to block viral replication.[175] Unfortunately, many reports 

have mentioned drug  resistance  through  induced viral mutagenesis under pressure of RNAi mono‐

therapy.[155,175‐177]  The  perplexing  viral  genetic  flexibility  could  also  entail  the  emergence  of 

genetically  encoded  viral  RNAi  suppressors.[178]  Despite  the  great  potential  of  RNAi  for  antiviral 

therapy, the  issues raised above complicate the achievement of a persistent viral suppression using 

RNAi mono‐therapies. Even highly active anti‐retroviral therapy (HAART), where a cocktail of three or 

more  antiretroviral  drugs  is  used,  cannot  eradicate  viral  replication  and  only  delays  disease 

45  

CHAPTER 1 | maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  

progression. Moreover, HAART  is notorious for the  induction of severe toxicity, putting up an extra 

barrier for efficient therapy.[179] 

In  correlation with HAART,  a novel RNAi  approach was put  forward,  called  combinatorial RNAi or 

coRNAi.[177]  This  multiplex  approach  involves  the  concerted  action  of  different  siRNA/shRNA 

effectors, directed against multiple viral sequences. Although  the majority of antiviral RNAi studies 

focus on the targeting of viral transcripts, some studies have also been devoted to suppressing the 

expression of cellular genes that are of key importance in the viral life cycle.  

The primary goal of coRNAi is therefore to minimize the emergence of viral escape mutants in order 

to maintain a long‐term antiviral effect. To give an example, it was shown for HIV‐1 that in response 

to a single shRNA inhibitor, mutations inside and even outside the RNAi target sequence provided an 

escape  route  for  the  virus  eventually  nullifying  the  antiviral  effect.[180]  A  combinatorial  strategy 

applying multiple shRNAs expressed from a single lentiviral vector and targeting a different region in 

the  HIV‐1  genome,  increased  the  viral  inhibitory  activity.  Moreover,  it  seemed  that  a  double 

expression  vector  also  provided  a  more  durable  viral  inhibition.  Comparable  observations  are 

presented in the literature for Coxsackievirus B3 [181] and SARS‐associated coronavirus, where a clear 

synergistic antiviral effect was obtained through combination of siRNAs targeting different functional 

genes in the coronaviral genome.[182] Currently, the concept of coRNAi also includes combining RNAi 

triggers with non‐RNAi based suppressors of gene expression  [183] or even anti‐viral proteins.[184] For 

instance, a multiplex  strategy  resulting  in  long‐term HIV‐1  inhibition  in primary  cells was  reported 

using a triple combination of an anti‐HIV shRNA, a hammerhead ribozyme targeted against the HIV 

co‐receptor chemokine receptor 5 (CCR5) and a RNA decoy of HIV‐TAR.[183]  

It would  be  beyond  the  scope  of  this  review  to  discuss  the  plethora  of  reports  available  in  the 

literature with  regard  to  combinatorial RNAi. Recently,  an  excellent  review  solely devoted  to  this 

topic has been published by Mark Kay’s group.[177] We would  like to refer the reader to this review 

(and references herein) for a comprehensive overview of the different strategies already explored for 

coRNAi therapy.  

In the latter paper, the authors focus mainly on the antiviral potential of coRNAi. Nevertheless, RNAi 

can  be  regarded  as  a  broad  therapeutic  platform  that  can  additionally  be  deployed  in  other 

challenging‐to‐treat  human  pathologies,  such  as  metabolic  disorders  and  cancer,  where  a 

combinatorial approach could be a therapeutic asset in the context of achieving long‐term silencing. 

Recent  reports  established  a  synergistic  effect  of  an RNAi  trigger  especially when  combined with 

conventional  low molecular weight  chemotherapeutics.  Takei  et  al.  employed  an  effective  siRNA 

against midkine  (MK)  together with  low  (and  essentially  non‐toxic)  doses  of  paclitaxel  in  human 

46  

maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi | CHAPTER 1 

prostate cancer xenografts and found that paclitaxel significantly augmented the antitumour effect 

of  MK‐siRNA.[185]  In  this  way,  tumour  growth  inhibition  could  be  maintained  for  several  weeks 

without the need to switch to higher (and most likely toxic) doses of paclitaxel. Unfortunately, the in 

vivo  administration  of  the  siRNA‐atelocollagen  formulation  used  in  that  report was  restricted  to 

intratumoural injection. The same synergistic phenomenon, however, was found for an intravenously 

administrated  targeted  nanoparticle  formulation  of  anti‐EGFR  siRNA,  in  combination  with 

intraperitoneal cisplatin, in a human lung cancer xenograft model. In contrast to mono‐therapy with 

targeted nanoparticles containing anti‐EGFR siRNA, which only partially reduced tumour growth, the 

combination  of  the  targeted  siRNA‐nanoparticles  with  cisplatin  completely  inhibited  tumour 

proliferation for ~1 week.[186] A third and earlier report describes the packaging of siRNA into neutral 

liposomal  vesicles  for  the  targeting  of  the  tyrosine  kinase  receptor  EphA2  oncogene  that  is 

overexpressed in ovarian cancer. When liposomal anti‐EphA2 siRNA was administered in addition to 

paclitaxel,  a  significant  reduction  in  tumor  growth was  observed when  compared  to  paclitaxel  in 

combination with non‐silencing  siRNA.[187] The  same neutral  liposomal  formulation was applied  to 

target focal adhesion kinase (FAK) and again a synergistic effect could be obtained when combining 

therapeutic siRNA with conventional chemotherapeutics such as docetaxel and cisplatin.[188] 

Altogether,  the  studies  cited  in  this  section  exemplify  the  tremendous potential of  coRNAi  in  the 

battle against various challenging therapeutic targets in human disease. A particular advantage when 

combining different RNAi effectors (with or without alternative therapeutics) is the maximization of 

the silencing effect, both acute and long‐term. Needless to say that the safety concerns which have 

been  raised  for  RNAi monotherapy  also  hold  true  for  coRNAi. Multiplexing  several  siRNA/shRNA 

triggers  could  even  augment  the  risks  inherently  linked  to  RNAi,  such  as  off‐targeting, 

immunostimulation  and  competition  with  endogenous  miRNAs.  Following  coadministration  of 

different  types of RNAi drugs,  they can even compete with each other  for  the  (limited) amount of 

cellular RNAi proteins, thereby diminishing each other’s efficacy.[60,189] On the other hand, combining 

RNAi effectors with other non‐RNAi based therapeutics may allow lowering the dosing of both drugs. 

In  this way,  coRNAi  can  still  profit  from  the  synergistic  effect  along with  the  benefit  of  reduced 

toxicity. 

To date,  the  concept of coRNAi even has expanded  (paradoxically)  to  single‐molecule approaches, 

where distinct functions are synergetically combined  in the same molecule. An example of a single‐

molecule combinatorial approach was recently published by Poeck et al.  in Nature Medicine, where 

they used 5’‐triphosphate  siRNAs  as  a potential  therapeutic  to  combat melanoma.[190] The  siRNAs 

were  targeted  against  Bcl‐2,  a  known  key  tumor  survival  factor  involved  in  the  regulation  of 

apoptosis. The triphosphate moiety  is an activator of RIG‐1, which then  leads to the stimulation of 

47  

CHAPTER 1 | maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  

the innate immune system and cytokine production. The synergy of sequence‐specific Bcl‐2 silencing 

and  RIG‐1  activation  induces  tumour  apoptosis  and  tumour  growth  inhibition,  and  is  a  perfect 

example of how the immune‐stimulating potential of small interfering RNA may have its therapeutic 

benefit.[191]  Another  original  approach  is  presented  by  Hossbach  et  al.,  who  demonstrated  the 

simultaneous knockdown of two distinct genes with a single asymmetric ‘double‐guide’ siRNA, where 

both strands can trigger efficient RNAi on separate targets.[192] 

CONCLUSIONS 

Advances  in  biotechnology  have  led  to  the  emergence  of many macromolecular  drugs,  such  as 

peptides, proteins and nucleic acids. Researchers are  trying ever  since  to  improve  the  therapeutic 

outcome of  this new spectrum of drugs using different strategies,  related  to  the drug  itself or  the 

formulation needed to deliver the drug in vivo. RNA interference has the advantage of being able to 

profit from lessons learned during preclinical development of antisense oligonucleotides (AONs) and 

ribozymes.[193]  After  several  decades  of  research  on  AONs,  leading  experts  of  the  industrial  and 

academic laboratories still have to acknowledge that inventive engineering strategies to improve the 

design of siRNAs/shRNAs and to optimize their  in vivo delivery are required to turn the therapeutic 

promise of RNAi into clinical reality.  

The  clinical  application  of  siRNA will  call  for  repeated  (often  intravenous)  administration,  so  it  is 

desirable to aim for a durable effect to  lengthen treatment  intervals. Direct application of synthetic 

siRNAs has the disadvantage that the RNAi effect is transient, mainly due to  intracellular dilution of 

active  siRNA dependent on  the  cell division  rate or  intracellular  siRNA degradation. To maintain a 

sufficient silencing of the target gene expression over a prolonged period of time, different strategies 

have been proposed. Paying proper attention to their practical implication should eventually lead to 

a maximal RNAi effect, both  in  terms of magnitude and duration. SiRNA duplexes can be designed 

and modified  to  optimally  exploit  the  endogenous  RNAi  pathway  in  order  to  increase  their  gene 

silencing potency. Pursuing optimal siRNA design will  lead to siRNA drug candidates with  lower IC50 

values which should enable effective medical treatment at lower doses. Incorporation of chemically 

modified  nucleotides  into  the  siRNA  sequence  has  proven  to  enhance  their  half‐life  in  the 

bloodstream  by  protecting  them  against  nuclease  activity.  However,  it  is  conceivable  that  the 

application of naked (i.e. unformulated or non‐conjugated) siRNAs will be mainly limited to confined 

target sites after local administration, such as the eye or the respiratory tract.[189,194,195] 

Advances in materials science increased chances of designing new nucleic acid delivery concepts. The 

nano‐revolution  led  to  the  development  of  intelligent  nanodevices  which  should  enable 

48  

maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi | CHAPTER 1 

extrapolating drug delivery  from  the  laboratory  to a  real  in vivo  situation. Multifunctional delivery 

vehicles  and  siRNA  conjugation  strategies  offer many  advantages  for  the  systemic  application  of 

siRNA as they are usually equipped with targeting  ligands and carry stabilizing hydrophilic polymers 

to  avoid  aggregation  in  the  bloodstream  and  to  prevent  non‐specific  uptake  by  the  reticulo‐

endothelial  cells.[196] Moreover,  delivery  vehicles  are  often modified  to  improve  the  intracellular 

trafficking (e.g. endosomal escape) which can lead to increased intracellular bioavailability. Including 

all these factors in carrier design should enhance the percentage of the administered siRNA dose that 

reaches the target site after systemic delivery. The ultimate goal is to define the appropriate dosing 

schedule  for  a  given  siRNA  formulation  to  maintain  the  desired  therapeutic  outcome.  Model 

predictions can aid  in  recognizing  the main  factors  that govern  the duration of  the siRNA effect  in 

order  to  adjust  the  siRNA  dose  and  frequency  of  administration  accordingly.  This  can  provide 

researchers with general meaningful insights on systemic siRNA delivery that may apply to a variety 

of siRNA carriers.  

Depending on the pathological target, a more sustained gene silencing than readily achievable with 

synthetic siRNA may be advisable. For this purpose researchers seek solace in the intracellular shRNA 

production  from  plasmid  or  viral  vectors.  Although  much  progress  has  been  made  in  the 

development  of  viral  gene  therapy  vectors,  there  are  still  important  safety  concerns  that  remain 

troublesome.[197] Moreover,  little  information  is available on  the adverse effects  that are  linked  to 

sustained shRNA expression in vivo.  

Most  likely,  a  safe  and  long‐term  application  of  RNAi  drugs will  require  rigorous  spatiotemporal 

control  over  the  intracellular  siRNA/shRNA  concentrations.  Smart  nanodevices  for  controlled 

intracellular siRNA delivery or smart plasmids  for controllable shRNA expression may  fulfil some of 

the necessary requirements.   

49  

CHAPTER 1 | maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  

REFERENCE LIST 

1.   Fire A., Xu S.Q., Montgomery M.K., Kostas S.A. et al., Potent and specific genetic interference by double‐stranded RNA in Caenorhabditis elegans, Nature 1998, 391: 806‐811. 

2.   Dorsett Y.,  siRNAs: applications  in  functional genomics and potential as  therapeutics, Nature Reviews Drug Discovery 2004, 3: 318‐329. 

3.   Kim D.H. and Rossi J.J., Strategies for silencing human disease using RNA interference, Nat. Rev. Genet. 2007, 8: 173‐184. 

4.   Hamilton A.J. and Baulcombe D.C., A species of small antisense RNA in posttranscriptional gene silencing in plants, Science 1999, 286: 950‐952. 

5.   Napoli C., Lemieux C., and Jorgensen R., Introduction of A Chimeric Chalcone Synthase Gene Into Petunia Results in Reversible Co‐Suppression of Homologous Genes in Trans, Plant Cell 1990, 2: 279‐289. 

6.   Lee R.C., Feinbaum R.L., and Ambros V., The C‐Elegans Heterochronic Gene  Lin‐4 Encodes Small Rnas with Antisense Complementarity to Lin‐14, Cell 1993, 75: 843‐854. 

7.   Elbashir S.M., Harborth J., Lendeckel W., Yalcin A. et al., Duplexes of 21‐nucleotide RNAs mediate RNA interference in cultured mammalian cells, Nature 2001, 411: 494‐498. 

8.   Elbashir S.M., Lendeckel W., and Tuschl T., RNA interference is mediated by 21‐and 22‐nucleotide RNAs, Genes & Development 2001, 15: 188‐200. 

9.   Birmingham A., Anderson E., Sullivan K., Reynolds A. et al., A protocol  for designing  siRNAs with high functionality and specificity, Nat. Protoc. 2007, 2: 2068‐2078. 

10.   Peek  A.S.  and  Behlke  M.A.,  Design  of  active  small  interfering  RNAs,  Current  Opinion  in  Molecular Therapeutics 2007, 9: 110‐118. 

11.   de Fougerolles A., Vornlocher H.P., Maraganore J., and Lieberman J., Interfering with disease: a progress report on siRNA‐based therapeutics, Nature Reviews Drug Discovery 2007, 6: 443‐453. 

12.   Raab R.M. and Stephanopoulos G., Dynamics of gene silencing by RNA  interference, Biotechnology and Bioengineering 2004, 88: 121‐132. 

13.   Behlke M.A., Progress towards in vivo use of siRNAs, Molecular Therapy 2006, 13: 644‐670. 14.   Tolia N.H. and Joshua‐Tor L., Slicer and the Argonautes, Nature Chemical Biology 2007, 3: 36‐43. 15.   Leuschner P.J.F., Ameres S.L., Kueng S., and Martinez J., Cleavage of the siRNA passenger strand during 

RISC assembly in human cells, EMBO Reports 2006, 7: 314‐320. 16.   Liu J.D., Carmell M.A., Rivas F.V., Marsden C.G. et al., Argonaute2 is the catalytic engine of mammalian 

RNAi, Science 2004, 305: 1437‐1441. 17.   Haley B. and Zamore P.D., Kinetic analysis of the RNAi enzyme complex, Nature Structural & Molecular 

Biology 2004, 11: 599‐606. 18.   Raemdonck K., Remaut K., Lucas B., Sanders N.N. et al.,  In Situ Analysis of Single‐Stranded and Duplex 

siRNA Integrity in Living Cells, Biochemistry 2006, 45: 10614‐10623. 19.   Bertrand  J.R.,  Pottier M.,  Vekris  A.,  Opolon  P.  et  al.,  Comparison  of  antisense  oligonucleotides  and 

siRNAs  in  cell  culture  and  in  vivo,  Biochemical  and  Biophysical  Research  Communications  2002,  296: 1000‐1004. 

20.   Kim D.H., Behlke M.A., Rose  S.D., Chang M.S.  et  al.,  Synthetic dsRNA Dicer  substrates  enhance RNAi potency and efficacy, Nature Biotechnology 2005, 23: 222‐226. 

21.   Amarzguioui  M.,  Rossi  J.J.,  and  Kim  D.,  Approaches  for  chemically  synthesized  siRNA  and  vector‐mediated RNAi, FEBS Letters 2005, 579: 5974‐5981. 

22.   Hefner E., Clark K., Whitman C., Behlke M.A. et al.,  Increased potency and  longevity of gene silencing using validated Dicer substrates, J. Biomol. Tech. 2008, 19: 231‐237. 

23.   Lee Y.S., Nakahara K., Pham  J.W., Kim K. et al., Distinct roles  for Drosophila Dicer‐1 and Dicer‐2  in the siRNA/miRNA silencing pathways, Cell 2004, 117: 69‐81. 

24.   Winston W.M., Molodowitch  C.,  and  Hunter  C.P.,  Systemic  RNAi  in  C‐elegans  requires  the  putative transmembrane protein SID‐1, Science 2002, 295: 2456‐2459. 

25.   Feinberg  E.H.  and  Hunter  C.P.,  Transport  of  dsRNA  into  cells  by  the  transmembrane  protein  SID‐1, Science 2003, 301: 1545‐1547. 

26.   Oliveira  S.,  Storm  G.,  and  Schiffelers  R.M.,  Targeted  delivery  of  siRNA,  Journal  of  Biomedicine  and Biotechnology 2006, 63675. 

27.   Duxbury M.S., Ashley S.W., and Whang E.E., RNA interference: A mammalian SID‐1 homologue enhances siRNA  uptake  and  gene  silencing  efficacy  in  human  cells,  Biochemical  and  Biophysical  Research Communications 2005, 331: 459‐463. 

50  

maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi | CHAPTER 1 

28.   Wolfrum  C.,  Shi  S.,  Jayaprakash  K.N.,  Jayaraman M.  et  al., Mechanisms  and  optimization  of  in  vivo delivery of lipophilic siRNAs, Nat. Biotechnol. 2007, 25: 1149‐1157. 

29.   Baulcombe D.C., Amplified silencing, Science 2007, 315: 199‐200. 30.   Sijen  T.,  Steiner  F.A.,  Thijssen  K.L.,  and  Plasterk  R.H.A.,  Secondary  siRNAs  result  from  unprimed RNA 

synthesis and form a distinct class, Science 2007, 315: 244‐247. 31.   Pak  J. and Fire A., Distinct populations of primary and  secondary effectors during RNAi  in C. elegans, 

Science 2007, 315: 241‐244. 32.   Chiu Y.L. and Rana T.M., RNAi in human cells: Basic structural and functional features of small interfering 

RNA, Molecular Cell 2002, 10: 549‐561. 33.   Stein  P.,  Svoboda  P.,  Anger  M.,  and  Schultz  R.M.,  RNAi:  Mammalian  oocytes  do  it  without  RNA‐

dependent RNA polymerase, RNA 2003, 9: 187‐192. 34.   Cullen B.R., Induction of stable RNA interference in mammalian cells, Gene Therapy 2006, 13: 503‐508. 35.   Brummelkamp T.R., Bernards R., and Agami R., A system for stable expression of short interfering RNAs 

in mammalian cells, Science 2002, 296: 550‐553. 36.   Barnes M.R., Deharo S., Grocock R.J., Brown J.R. et al., The micro RNA target paradigm: a fundamental 

and polymorphic control layer of cellular expression, Expert Opin. Biol. Ther. 2007, 7: 1387‐1399. 37.   Bartel D.P., MicroRNAs: Genomics, biogenesis, mechanism, and function, Cell 2004, 116: 281‐297. 38.   Zeng Y., Yi R., and Cullen B.R., Recognition and cleavage of primary microRNA precursors by the nuclear 

processing enzyme Drosha, EMBO Journal 2005, 24: 138‐148. 39.   Han J., Lee Y., Yeom K.H., Nam J.W. et al., Molecular basis for the recognition of primary microRNAs by 

the Drosha‐DGCR8 complex, Cell 2006, 125: 887‐901. 40.   Yeom K.H., Lee Y., Han  J., Suh M.R. et al., Characterization of DGCR8/Pasha,  the essential cofactor  for 

Drosha in primary miRNA processing, Nucleic Acids Res. 2006, 34: 4622‐4629. 41.   Lund E., Guttinger  S., Calado A., Dahlberg  J.E. et  al., Nuclear export of microRNA precursors,  Science 

2004, 303: 95‐98. 42.   Kim V.N., MicroRNA biogenesis: coordinated cropping and dicing, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2005, 6: 376‐

385. 43.   Liu  J.D.,  Valencia‐Sanchez  M.A.,  Hannon  G.J.,  and  Parker  R.,  MicroRNA‐dependent  localization  of 

targeted mRNAs to mammalian P‐bodies, Nature Cell Biology 2005, 7: 719‐723. 44.   Grimm D., Small silencing RNAs: state‐of‐the‐art, Adv. Drug Deliv. Rev. 2009, 61: 672‐703. 45.   Yi R., Qin Y., Macara I.G., and Cullen B.R., Exportin‐5 mediates the nuclear export of pre‐microRNAs and 

short hairpin RNAs, Genes & Development 2003, 17: 3011‐3016. 46.   Siolas  D.,  Lerner  C.,  Burchard  J.,  Ge  W.  et  al.,  Synthetic  shRNAs  as  potent  RNAi  triggers,  Nature 

Biotechnology 2005, 23: 227‐231. 47.   Li  L.M.,  Lin  X.Y.,  Khvorova  A.,  Fesik  S.W.  et  al.,  Defining  the  optimal  parameters  for  hairpin‐based 

knockdown constructs, RNA 2007, 13: 1765‐1774. 48.   Vlassov A.V., Korba B., Farrar K., Mukerjee S. et al., shRNAs targeting hepatitis C: Effects of sequence and 

structural features, and comparison with siRNA, Oligonucleotides 2007, 17: 223‐236. 49.   Fewell  G.D.  and  Schmitt  K.,  Vector‐based  RNAi  approaches  for  stable,  inducible  and  genome‐wide 

screens, Drug discovery today 2006, 11: 975‐982. 50.   Silva  J.M., Li M.Z., Chang K., Ge W. et al., Second‐generation shRNA  libraries covering  the mouse and 

human genomes, Nature Genetics 2005, 37: 1281‐1288. 51.   Vorhies  J.S.  and Nemunaitis  J., Nonviral  delivery  vehicles  for  use  in  short  hairpin  RNA‐based  cancer 

therapies, Expert Review of Anticancer Therapy 2007, 7: 373‐382. 52.   Song  S.H.,  Lu Y.Q., Choi Y.K., Han Y.N. et al., DNA‐dependent PK  inhibits adeno‐associated  virus DNA 

integration, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2004, 101: 2112‐2116. 

53.   Chen C.C., Ko T.M., Ma H.I., Wu H.L. et al., Long‐term inhibition of hepatitis B virus in transgenic mice by double‐stranded adeno‐associated virus 8‐delivered short hairpin RNA, Gene Therapy 2007, 14: 11‐19. 

54.   Bartlett D.W. and Davis M.E.,  Insights  into the kinetics of siRNA‐mediated gene silencing  from  live‐cell and live‐animal bioluminescent imaging, Nucleic Acids Research 2006, 34: 322‐333. 

55.   Mutskov V. and  Felsenfeld G.,  Silencing of  transgene  transcription precedes methylation of promoter DNA and histone H3 lysine 9, EMBO Journal 2004, 23: 138‐149. 

56.   Grimm D., Streetz K.L.,  Jopling C.L., Storm T.A. et al., Fatality  in mice due  to oversaturation of cellular microRNA/short hairpin RNA pathways, Nature 2006, 441: 537‐541. 

57.   Wiznerowicz M., Szulc  J., and Trono D., Tuning silence: conditional systems  for RNA  interference, Nat. Methods 2006, 3: 682‐688. 

51  

CHAPTER 1 | maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  

58.   An D.S., Qin  F.X.F., Auyeung V.C., Mao  S.H. et al., Optimization and  functional effects of  stable  short hairpin RNA expression  in primary human  lymphocytes via  lentiviral vectors, Molecular Therapy 2006, 14: 494‐504. 

59.   Narvaiza  I., Aparicio O., Vera M., Razquin N. et al., Effect of adenovirus‐mediated RNA  interference on endogenous microRNAs in a mouse model of multidrug resistance protein 2 gene silencing, J. Virol. 2006, 80: 12236‐12247. 

60.   Castanotto D.,  Sakurai  K.,  Lingeman  R.,  Li H.  et  al.,  Combinatorial  delivery  of  small  interfering  RNAs reduces RNAi efficacy by selective incorporation into RISC, Nucleic Acids Res. 2007, 35: 5154‐5164. 

61.   Koller E., Propp S., Murray H., Lima W. et al., Competition for RISC binding predicts  in vitro potency of siRNA, Nucleic Acids Research 2006, 34: 4467‐4476. 

62.   Dykxhoorn D.M. and Lieberman J., Knocking down disease with siRNAs, Cell 2006, 126: 231‐235. 63.   Snove O.,  Jr. and Rossi  J.J., Toxicity  in mice expressing short hairpin RNAs gives new  insight  into RNAi, 

Genome Biol. 2006, 7: 231. 64.   John M.,  Constien  R.,  Akinc  A.,  Goldberg M.  et  al.,  Effective  RNAi‐mediated  gene  silencing without 

interruption of the endogenous microRNA pathway, Nature 2007, 449: 745‐747. 65.   Kohn D.B., Sadelain M., and Glorioso  J.C., Occurrence of  leukaemia  following gene therapy of X‐linked 

SCID, Nature Reviews Cancer 2003, 3: 477‐488. 66.   Cavazzana‐Calvo M. and Fischer A., Gene therapy for severe combined immunodeficiency: are we there 

yet?, Journal of Clinical Investigation 2007, 117: 1456‐1465. 67.   Vandenbroucke R.E., Lucas B., Demeester J., De Smedt S.C. et al., Nuclear accumulation of plasmid DNA 

can be enhanced by non‐selective gating of the nuclear pore, Nucleic Acids Res. 2007, 35: e86. 68.   Munkonge  F.M.,  Dean  D.A.,  Hillery  E.,  Griesenbach  U.  et  al.,  Emerging  significance  of  plasmid  DNA 

nuclear import in gene therapy, Advanced Drug Delivery Reviews 2003, 55: 749‐760. 69.   Haupenthal J., Baehr C., Kiermayer S., Zeuzem S. et al.,  Inhibition of RNAse A family enzymes prevents 

degradation and loss of silencing activity of siRNAs in serum, Biochemical Pharmacology 2006, 71: 702‐710. 

70.   Turner  J.J.,  Jones S.W., Moschos S.A.,  Lindsay M.A. et al., MALDI‐TOF mass  spectral analysis of  siRNA degradation in serum confirms an RNAse A‐like activity, Mol. Biosyst. 2007, 3: 43‐50. 

71.   Haupenthal  J.,  Baehr  C.,  Zeuzem  S.,  and  Piiper  A.,  RNAse  A‐like  enzymes  in  serum  inhibit  the  anti‐neoplastic activity of siRNA targeting polo‐like kinase 1, Int. J. Cancer 2007, 121: 206‐210. 

72.   Behlke M.A., Chemical modification of siRNAs for in vivo use, Oligonucleotides. 2008, 18: 305‐319. 73.   Kennedy  S., Wang D.,  and  Ruvkun G., A  conserved  siRNA‐degrading  RNase  negatively  regulates  RNA 

interference in C. elegans, Nature 2004, 427: 645‐649. 74.   Zou Y., Tiller P., Chen I.W., Beverly M. et al., Metabolite identification of small interfering RNA duplex by 

high‐resolution accurate mass spectrometry, Rapid Commun. Mass Spectrom. 2008, 22: 1871‐1881. 75.   Choung  S.,  Chemical  modification  of  siRNAs  to  improve  serum  stability  without  loss  of  efficacy, 

Biochemical and Biophysical Research Communications 2006, 342: 919‐927. 76.   Morrissey D.V., Blanchard K., Shaw L.,  Jensen K. et al., Activity of stabilized short  interfering RNA  in a 

mouse model of hepatitis B virus replication, Hepatology 2005, 41: 1349‐1356. 77.   Corey D.R., Chemical modification: the key to clinical application of RNA interference?, Journal of Clinical 

Investigation 2007, 117: 3615‐3622. 78.   Watts  J.K., Deleavey G.F.,  and Damha M.J.,  Chemically modified  siRNA:  tools  and  applications, Drug 

Discov. Today 2008, 13: 842‐855. 79.   Allerson C.R.,  Sioufi N.,  Jarres R., Prakash T.P. et  al.,  Fully 2  '‐modified oligonucleotide duplexes with 

improved  in  vitro  potency  and  stability  compared  to  unmodified  small  interfering  RNA,  Journal  of Medicinal Chemistry 2005, 48: 901‐904. 

80.   Liao  H.T.  and Wang  J.H.,  Biomembrane‐permeable  and  ribonuclease‐resistant  siRNA  with  enhanced activity, Oligonucleotides 2005, 15: 196‐205. 

81.   Layzer  J.M., McCaffrey A.P., Tanner A.K., Huang Z. et al.,  In vivo activity of nuclease‐resistant  siRNAs, RNA 2004, 10: 766‐771. 

82.   Dykxhoorn D.M., Palliser D., and  Lieberman  J., The  silent  treatment:  siRNAs as  small molecule drugs, Gene Therapy 2006, 13: 541‐552. 

83.   Novobrantseva T.I., Akinc A., Borodovsky A., and de Fougerolles A., Delivering silence: Advancements in developing siRNA therapeutics, Current Opinion in Drug Discovery & Development 2008, 11: 217‐224. 

84.   De Paula D., Bentley M.V., and Mahato R.I., Hydrophobization and bioconjugation for enhanced siRNA delivery and targeting, RNA. 2007, 13: 431‐456. 

52  

maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi | CHAPTER 1 

85.   de Fougerolles A.R., Delivery vehicles for small interfering RNA in vivo, Hum. Gene Ther. 2008, 19: 125‐132. 

86.   Song E.W., Zhu P.C., Lee S.K., Chowdhury D. et al., Antibody mediated in vivo delivery of small interfering RNAs via cell‐surface receptors, Nature Biotechnology 2005, 23: 709‐717. 

87.   Soutschek J., Akinc A., Bramlage B., Charisse K. et al., Therapeutic silencing of an endogenous gene by systemic administration of modified siRNAs, Nature 2004, 432: 173‐178. 

88.   Nishina  K.,  Unno  T.,  Uno  Y.,  Kubodera  T.  et  al.,  Efficient  in  vivo  delivery  of  siRNA  to  the  liver  by conjugation of alpha‐tocopherol, Molecular Therapy 2008, 16: 734‐740. 

89.   Kumar P., Wu H.Q., McBride J.L., Jung K.E. et al., Transvascular delivery of small  interfering RNA to the central nervous system, Nature 2007, 448: 39‐43. 

90.   Rozema D.B., Lewis D.L., Wakefield D.H., Wong S.C. et al., Dynamic PolyConjugates for targeted  in vivo delivery of siRNA to hepatocytes, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2007, 104: 12982‐12987. 

91.   Chu T.C., Twu K.Y., Ellington A.D.,  and  Levy M., Aptamer mediated  siRNA delivery, Nucleic Acids Res. 2006, 34: e73. 

92.   McNamara  J.O., Andrechek  E.R., Wang  Y.,  Viles  K.D.  et  al.,  Cell  type‐specific  delivery  of  siRNAs with aptamer‐siRNA chimeras, Nat. Biotechnol. 2006, 24: 1005‐1015. 

93.   Eguchi A., Meade B.R., Chang Y.C., Fredrickson C.T. et al., Efficient siRNA delivery into primary cells by a peptide  transduction  domain‐dsRNA  binding  domain  fusion  protein,  Nat.  Biotechnol.  2009,  doi: 10.1038/nbt.1541. 

94.   Juliano R., Alam M.R., Dixit V., and Kang H., Mechanisms and strategies for effective delivery of antisense and siRNA oligonucleotides, Nucleic Acids Res. 2008, 36: 4158‐4171. 

95.   Sato A., Choi S.W., Hirai M., Yamayoshi A. et al., Polymer brush‐stabilized polyplex  for a siRNA carrier with long circulatory half‐life, Journal of controlled release 2007, 122: 209‐216. 

96.   Urban‐Klein B., RNAi‐mediated gene‐targeting through systemic application of polyethyleneimine (PEI)‐complexed siRNA in vivo, Gene Therapy 2005, 12: 461‐466. 

97.   Buyens K., Lucas B., Raemdonck K., Braeckmans K. et al., A fast and sensitive method for measuring the integrity of siRNA‐carrier complexes in full human serum, J. Control Release 2007, 126: 67‐76. 

98.   Howard  K.A.  and  Kjems  J.,  Polycation‐based  nanoparticle  delivery  for  improved  RNA  interference therapeutics, Expert Opinion on Biological Therapy 2007, 7: 1811‐1822. 

99.   Howard K.A., Rahbek U.L., Liu X.D., Damgaard C.K. et al., RNA  interference  in vitro and  in vivo using a chitosan/siRNA nanoparticle system, Molecular Therapy 2006, 14: 476‐484. 

100.   Takeshita F., Minakuchi Y., Nagahara S., Honma K. et al., Efficient delivery of small  interfering RNA  to bone‐metastatic tumors by using atelocollagen in vivo, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2005, 102: 12177‐12182. 

101.   Morrissey D.V., Lockridge J.A., Shaw L., Blanchard K. et al., Potent and persistent in vivo anti‐HBV activity of chemically modified siRNAs, Nature Biotechnology 2005, 23: 1002‐1007. 

102.   Zimmermann T.S.,  Lee A.C., Akinc A., Bramlage B. et al., RNAi‐mediated gene  silencing  in non‐human primates, Nature 2006, 441: 111‐114. 

103.   Hu‐Lieskovan S., Heidel J.D., Bartlett D.W., Davis M.E. et al., Sequence‐specific knockdown of EWS‐FLI1 by  targeted,  nonviral  delivery  of  small  interfering  RNA  inhibits  tumor  growth  in  a murine model  of metastatic Ewing's sarcoma, Cancer Research 2005, 65: 8984‐8992. 

104.   Heidel  J.D.,  Yu  Z.P.,  Liu  J.Y.C.,  Rele  S.M.  et  al.,  Administration  in  non‐human  primates  of  escalating intravenous  doses  of  targeted  nanoparticles  containing  ribonucleotide  reductase  subunit M2  siRNA, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2007, 104: 5715‐5721. 

105.   Davis M.E., The First Targeted Delivery of siRNA in Humans via a Self‐Assembling, Cyclodextrin Polymer‐Based Nanoparticle: From Concept to Clinic, Mol. Pharm. 2009, 6: 659‐668. 

106.   Czauderna F., Structural variations and stabilising modifications of synthetic siRNAs in mammalian cells, Nucleic Acids Research 2003, 31: 2705‐2716. 

107.   Chiu Y.L. and Rana T.M., siRNA function  in RNAi: a chemical modification analysis, RNA. 2003, 9: 1034‐1048. 

108.   Dowler T., Bergeron D., Tedeschi A.L., Paquet L. et al., Improvements in siRNA properties mediated by 2'‐deoxy‐2'‐fluoro‐beta‐D‐arabinonucleic acid (FANA), Nucleic Acids Res. 2006, 34: 1669‐1675. 

109.   Volkov  A.A.,  Kruglova  N.S.,  Meschaninova  M.I.,  Venyaminova  A.G.  et  al.,  Selective  protection  of nuclease‐sensitive sites in siRNA prolongs silencing effect, Oligonucleotides. 2009, 19: 191‐202. 

110.   Mantei A., Rutz S., Janke M., Kirchhoff D. et al., siRNA stabilization prolongs gene knockdown in primary T lymphocytes, Eur. J. Immunol. 2008, 38: 2616‐2625. 

53  

CHAPTER 1 | maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  

111.   Takabatake  Y.,  Isaka  Y.,  Mizui  M.,  Kawachi  H.  et  al.,  Chemically  modified  siRNA  prolonged  RNA interference in renal disease, Biochem. Biophys. Res. Commun. 2007, 363: 432‐437. 

112.   Tagami  T.,  Barichello  J.M.,  Kikuchi  H.,  Ishida  T.  et  al.,  The  gene‐silencing  effect  of  siRNA  in  cationic lipoplexes is enhanced by incorporating pDNA in the complex, Int. J. Pharm. 2007, 333: 62‐69. 

113.   Fisher M.,  Abramov M.,  Van  A.A.,  Xu  D.  et  al.,  Inhibition  of MDR1  expression with  altritol‐modified siRNAs, Nucleic Acids Res. 2007, 35: 1064‐1074. 

114.   Song E.W., Lee S.K., Dykxhoorn D.M., Novina C. et al., Sustained small interfering RNA‐mediated human immunodeficiency virus  type 1  inhibition  in primary macrophages,  Journal of Virology 2003, 77: 7174‐7181. 

115.   Maliyekkel A., Davis B.M., and Roninson  I.B., Cell cycle arrest drastically extends  the duration of gene silencing after transient expression of short hairpin RNA, Cell Cycle 2006, 5: 2390‐2395. 

116.   Omi  K.,  Tokunaga  K.,  and Hohjoh H.,  Long‐lasting  RNAi  activity  in mammalian  neurons,  FEBS  Letters 2004, 558: 89‐95. 

117.   Kakutani K., Nishida K., Uno K., Takada T. et al., Prolonged down regulation of specific gene expression in nucleus pulposus cell mediated by RNA interference in vitro, J. Orthop. Res. 2006, 24: 1271‐1278. 

118.   Bartlett D.W. and Davis M.E., Effect of  siRNA nuclease  stability on  the  in vitro and  in vivo kinetics of siRNA‐mediated gene silencing, Biotechnol. Bioeng. 2007, 97: 909‐921. 

119.   Marques J.T. and Williams B.R., Activation of the mammalian immune system by siRNAs, Nat. Biotechnol. 2005, 23: 1399‐1405. 

120.   Snove O.,  Jr. and Rossi  J.J., Chemical modifications  rescue off‐target effects of RNAi, ACS Chem. Biol. 2006, 1: 274‐276. 

121.   Jackson A.L., Burchard J., Leake D., Reynolds A. et al., Position‐specific chemical modification of siRNAs reduces "off‐target" transcript silencing, RNA. 2006, 12: 1197‐1205. 

122.   Judge A. and MacLachlan I., Overcoming the innate immune response to small interfering RNA, Human Gene Therapy 2008, 19: 111‐124. 

123.   Judge A.D., Sood V., Shaw J.R., Fang D. et al., Sequence‐dependent stimulation of the mammalian innate immune response by synthetic siRNA, Nature Biotechnology 2005, 23: 457‐462. 

124.   Hornung V., Guenthner‐Biller M., Bourquin C., Ablasser A. et al., Sequence‐specific potent  induction of IFN‐alpha by short interfering RNA in plasmacytoid dendritic cells through TLR7, Nature Medicine 2005, 11: 263‐270. 

125.   Marques  J.T., Devosse T., Wang D., Zamanian‐Daryoush M. et al., A  structural basis  for discriminating between  self and nonself double‐stranded RNAs  in mammalian  cells, Nature Biotechnology 2006, 24: 559‐565. 

126.   Judge A.D., Bola G., Lee A.C.H., and MacLachlan I., Design of noninflammatory synthetic siRNA mediating potent gene silencing in vivo, Molecular Therapy 2006, 13: 494‐505. 

127.   Kleinman M.E.,  Yamada  K.,  Takeda  A.,  Chandrasekaran  V.  et  al.,  Sequence‐  and  target‐independent angiogenesis suppression by siRNA via TLR3, Nature 2008, 452: 591‐597. 

128.   Cho  W.G.,  Albuquerque  R.J.,  Kleinman  M.E.,  Tarallo  V.  et  al.,  Small  interfering  RNA‐induced  TLR3 activation inhibits blood and lymphatic vessel growth, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A 2009, 106: 7137‐7142. 

129.   Robbins M., Judge A., and MacLachlan I., siRNA and innate immunity, Oligonucleotides. 2009, 19: 89‐102. 130.   Zeng Y., RNA interference in human cells is restricted to the cytoplasm, RNA 2002, 8: 855‐860. 131.   Robb G.B., Brown K.M., Khurana  J., and Rana T.M., Specific and potent RNAi  in  the nucleus of human 

cells, Nat. Struct. Mol. Biol. 2005, 12: 133‐137. 132.   Gurney T.,  Jr. and Eliceiri G.L.,  Intracellular distribution of  low molecular weight RNA  species  in HeLa 

cells, J. Cell Biol. 1980, 87: 398‐403. 133.   Matera A.G. and Ward D.C., Nucleoplasmic organization of small nuclear ribonucleoproteins in cultured 

human cells, J. Cell Biol. 1993, 121: 715‐727. 134.   Wassarman  D.A.  and  Steitz  J.A.,  Structural  analyses  of  the  7SK  ribonucleoprotein  (RNP),  the  most 

abundant human small RNP of unknown function, Mol. Cell Biol. 1991, 11: 3432‐3445. 135.   Ohrt  T.,  Mutze  J.,  Staroske  W.,  Weinmann  L.  et  al.,  Fluorescence  correlation  spectroscopy  and 

fluorescence cross‐correlation spectroscopy reveal the cytoplasmic origination of loaded nuclear RISC in vivo in human cells, Nucleic Acids Res. 2008, 36: 6439‐6449. 

136.   Matzke M.A., Primig M., Trnovsky J., and Matzke A.J., Reversible methylation and inactivation of marker genes in sequentially transformed tobacco plants, EMBO J. 1989, 8: 643‐649. 

137.   Hamilton A., Voinnet O., Chappell  L., and Baulcombe D., Two  classes of  short  interfering RNA  in RNA silencing, EMBO J. 2002, 21: 4671‐4679. 

54  

maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi | CHAPTER 1 

138.   Mette  M.F.,  Aufsatz  W.,  van  der  W.J.,  Matzke  M.A.  et  al.,  Transcriptional  silencing  and  promoter methylation triggered by double‐stranded RNA, EMBO J. 2000, 19: 5194‐5201. 

139.   Wassenegger M., Heimes S., Riedel L., and Sanger H.L., RNA‐directed de novo methylation of genomic sequences in plants, Cell 1994, 76: 567‐576. 

140.   Zilberman D., Cao X., and Jacobsen S.E., ARGONAUTE4 control of locus‐specific siRNA accumulation and DNA and histone methylation, Science 2003, 299: 716‐719. 

141.   Zilberman D., Cao X., Johansen L.K., Xie Z. et al., Role of Arabidopsis ARGONAUTE4 in RNA‐directed DNA methylation triggered by inverted repeats, Curr. Biol. 2004, 14: 1214‐1220. 

142.   Castanotto D., Tommasi S., Li M., Li H. et al., Short hairpin RNA‐directed cytosine (CpG) methylation of the RASSF1A gene promoter in HeLa cells, Mol. Ther. 2005, 12: 179‐183. 

143.   Kawasaki H. and Taira K., Induction of DNA methylation and gene silencing by short interfering RNAs in human cells, Nature 2004, 431: 211‐217. 

144.   Morris  K.V., Chan  S.W.,  Jacobsen  S.E.,  and  Looney D.J.,  Small  interfering RNA‐induced  transcriptional gene silencing in human cells, Science 2004, 305: 1289‐1292. 

145.   Weinberg  M.S.,  Villeneuve  L.M.,  Ehsani  A.,  Amarzguioui  M.  et  al.,  The  antisense  strand  of  small interfering  RNAs  directs  histone methylation  and  transcriptional  gene  silencing  in  human  cells,  RNA. 2006, 12: 256‐262. 

146.   Strunnikova M., Schagdarsurengin U., Kehlen A., Garbe  J.C. et al., Chromatin  inactivation precedes de novo DNA methylation during the progressive epigenetic silencing of the RASSF1A promoter, Mol. Cell Biol. 2005, 25: 3923‐3933. 

147.   Janowski B.A., Huffman K.E., Schwartz J.C., Ram R. et al., Inhibiting gene expression at transcription start sites in chromosomal DNA with antigene RNAs, Nat. Chem. Biol. 2005, 1: 216‐222. 

148.   Ting A.H., Schuebel K.E., Herman J.G., and Baylin S.B., Short double‐stranded RNA induces transcriptional gene silencing in human cancer cells in the absence of DNA methylation, Nat. Genet. 2005, 37: 906‐910. 

149.   Kim D.H., Villeneuve L.M., Morris K.V., and Rossi J.J., Argonaute‐1 directs siRNA‐mediated transcriptional gene silencing in human cells, Nat. Struct. Mol. Biol. 2006, 13: 793‐797. 

150.   Janowski B.A., Huffman K.E., Schwartz J.C., Ram R. et al., Involvement of AGO1 and AGO‐2 in mammalian transcriptional silencing, Nature Structural & Molecular Biology 2006, 13: 787‐792. 

151.   Kim D.H., Saetrom P., Snove O.,  Jr., and Rossi  J.J., MicroRNA‐directed  transcriptional gene silencing  in mammalian cells, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A 2008, 105: 16230‐16235. 

152.   Janowski B.A., Younger S.T., Hardy D.B., Ram R. et al., Activating gene expression  in mammalian  cells with promoter‐targeted duplex RNAs, Nat. Chem. Biol. 2007, 3: 166‐173. 

153.   Li  L.C., Okino S.T., Zhao H., Pookot D. et al., Small dsRNAs  induce  transcriptional activation  in human cells, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A 2006, 103: 17337‐17342. 

154.   Capodici J., Kariko K., and Weissman D., Inhibition of HIV‐1 infection by small interfering RNA‐mediated RNA interference, J. Immunol. 2002, 169: 5196‐5201. 

155.   Boden D., Pusch O.,  Lee  F., Tucker  L. et al., Human  immunodeficiency virus  type 1 escape  from RNA interference, J. Virol. 2003, 77: 11531‐11535. 

156.   Suzuki  K.,  Shijuuku  T.,  Fukamachi  T.,  Zaunders  J.  et  al.,  Prolonged  transcriptional  silencing  and  CpG methylation  induced by siRNAs targeted to the HIV‐1 promoter region, J. RNAi Gene Silencing 2005, 1: 66‐78. 

157.   Robertson  K.D.,  DNA methylation  and  chromatin  ‐  unraveling  the  tangled web, Oncogene  2002,  21: 5361‐5379. 

158.   Sijen T., Vijn  I., Rebocho A., van B.R. et al., Transcriptional and posttranscriptional gene  silencing are mechanistically related, Curr. Biol. 2001, 11: 436‐440. 

159.   Burgers  P.M.  and  Eckstein  F.,  Absolute  configuration  of  the  diastereomers  of  adenosine  5'‐O‐(1‐thiotriphosphate):  consequences  for  the  stereochemistry  of  polymerization  by  DNA‐dependent  RNA polymerase from Escherichia coli, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A 1978, 75: 4798‐4800. 

160.   Vastenhouw N.L., Brunschwig K., Okihara K.L., Muller F. et al., Long‐term gene silencing by RNAi, Nature 2006, 442: 882‐882. 

161.   Hawkins P.G.,  Santoso  S., Adams C., Anest V.  et  al., Promoter  targeted  small RNAs  induce  long‐term transcriptional gene silencing in human cells, Nucleic Acids Res. 2009, 37: 2984‐2995. 

162.   Oliveira S., van Rooy  I., Kranenburg O., Storm G. et al., Fusogenic peptides enhance endosomal escape improving siRNA‐induced silencing of oncogenes, International Journal of Pharmaceutics 2007, 331: 211‐214. 

55  

CHAPTER 1 | maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  

163.   Oliveira S., Fretz M.M., Hogset A., Storm G. et al., Photochemical  internalization enhances silencing of epidermal  growth  factor  receptor  through  improved  endosomal  escape  of  siRNA,  Biochimica  et Biophysica Acta‐Biomembranes 2007, 1768: 1211‐1217. 

164.   Bartlett D.W. and Davis M.E., Impact of tumor‐specific targeting and dosing schedule on tumor growth inhibition after intravenous administration of siRNA‐containing nanoparticles, Biotechnol. Bioeng. 2007,  

165.   Groenenboom M.A., Maree A.F., and Hogeweg P., The RNA silencing pathway: the bits and pieces that matter, PLoS. Comput. Biol. 2005, 1: 155‐165. 

166.   Bergstrom  C.T.,  McKittrick  E.,  and  Antia  R.,  Mathematical  models  of  RNA  silencing:  unidirectional amplification  limits accidental  self‐directed  reactions, Proc. Natl. Acad.  Sci. U.  S. A 2003, 100: 11511‐11516. 

167.   Takahashi Y., Yamaoka K., Nishikawa M., and Takakura Y., Moment analysis for kinetics of gene silencing by RNA interference, Biotechnol. Bioeng. 2006, 93: 816‐819. 

168.   Arciero J.C., Jackson T.L., and Kirschner D.E., A mathematical model of tumor‐immune evasion and siRNA treatment, Discrete and Continuous Dynamical Systems‐Series B 2004, 4: 39‐58. 

169.   Bartlett  D.W.,  Su  H.,  Hildebrandt  I.J., Weber W.A.  et  al.,  Impact  of  tumor‐specific  targeting  on  the biodistribution  and  efficacy of  siRNA nanoparticles measured  by multimodality  in  vivo  imaging,  Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A 2007, 104: 15549‐15554. 

170.   Marsden P.A., RNA interference as potential therapy‐‐not so fast, N. Engl. J. Med. 2006, 355: 953‐954. 171.   Vandenbroucke R., De Geest B.G., Bonné S., and Van Haecke T., Prolonged gene silencing  in hepatoma 

cells and primary hepatocytes after siRNA delivery with biodegradable poly(β‐amino esters), Journal of Gene Medicine 2008, 10: 783‐794. 

172.   Raemdonck K., Van Thienen T.G., Vandenbroucke R.E., Sanders N.N. et al., Dextran Microgels for Time‐Controlled Delivery of siRNA, Advanced Functional Materials 2008, 18: 993‐1001. 

173.   Veldhoen S., Laufer S.D., Trampe A., and Restle T., Cellular delivery of small  interfering RNA by a non‐covalently  attached  cell‐penetrating  peptide:  quantitative  analysis  of  uptake  and  biological  effect, Nucleic Acids Res. 2006, 34: 6561‐6573. 

174.   Mescalchin A., Detzer A., Wecke M., Overhoff M.  et  al., Cellular uptake  and  intracellular  release  are major obstacles to the therapeutic application of siRNA: novel options by phosphorothioate‐stimulated delivery, Expert. Opin. Biol. Ther. 2007, 7: 1531‐1538. 

175.   Dykxhoorn D.M. and Lieberman J., Silencing viral infection, PLoS. Med. 2006, 3: e242. 176.   Boden D., Pusch O., and Ramratnam B., Overcoming HIV‐1 resistance to RNA interference, Front Biosci. 

2007, 12: 3104‐3116. 177.   Grimm D. and Kay M.A., Combinatorial RNAi: A winning strategy for the race against evolving targets?, 

Molecular Therapy 2007, 15: 878‐888. 178.   Zheng Z.M., Tang S.A., and Tao M.F., Development of resistance to RNAi in mammalian cells, Therapeutic 

Oligonucleotides: Transcriptional and Translational Strategies for Silencing Gene Expression 2005, 1058: 105‐118. 

179.   Meadows D.C. and Gervay‐Hague J., Targeting HIV, Chemmedchem 2006, 1: 16‐29. 180.   ter Brake O., Konstantinova P., Ceylan M., and Berkhout B., Silencing of HIV‐1 with RNA interference: A 

multiple shRNA approach, Molecular Therapy 2006, 14: 883‐892. 181.   Schubert S., Grunert H.P., Zeichhardt H., Werk D. et al., Maintaining inhibition: siRNA double expression 

vectors against coxsackieviral RNAs, Journal of Molecular Biology 2005, 346: 457‐465. 182.   He M.L.,  Zheng  B.J.,  Chen  Y., Wong  K.L.  et  al.,  Kinetics  and  synergistic  effects  of  siRNAs  targeting 

structural and replicase genes of SARS‐associated coronavirus, FEBS Lett. 2006, 580: 2414‐2420. 183.   Li M.J., Kim J., Li S., Zaia J. et al., Long‐term inhibition of HIV‐1 infection in primary hematopoietic cells by 

lentiviral vector delivery of a triple combination of anti‐HIV shRNA, anti‐CCR5 ribozyme, and a nucleolar‐localizing TAR decoy, Molecular Therapy 2005, 12: 900‐909. 

184.   Unwalla  H.J.,  Li  H.T.,  Bahner  I.,  Li  M.J.  et  al.,  Novel  Pol  II  fusion  promoter  directs  human immunodeficiency virus type 1‐inducible coexpression of a short hairpin RNA and protein, J. Virol. 2006, 80: 1863‐1873. 

185.   Takei Y., Kadomatsu K., Goto T., and Muramatsu T., Combinational antitumor effect of  siRNA against midkine and paclitaxel on growth of human prostate cancer xenografts, Cancer 2006, 107: 864‐873. 

186.   Li  S.D.,  Chen  Y.C.,  Hackett M.J.,  and  Huang  L.,  Tumor‐targeted  delivery  of  siRNA  by  self‐assembled nanoparticles, Molecular Therapy 2008, 16: 163‐169. 

187.   Landen C.N., Chavez‐Reyes A., Bucana C., Schmandt R. et al., Therapeutic EphA2 gene targeting  in vivo using neutral liposomal small interfering RNA delivery, Cancer Research 2005, 65: 6910‐6918. 

56  

maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi | CHAPTER 1 

188.   Halder  J., Kamat A.A., Landen C.N., Han L.Y. et al., Focal adhesion kinase  targeting using  in vivo short interfering RNA delivery  in neutral  liposomes  for ovarian  carcinoma  therapy, Clinical Cancer Research 2006, 12: 4916‐4924. 

189.   Bitko  V.,  Musiyenko  A.,  Shulyayeva  O.,  and  Barik  S.,  Inhibition  of  respiratory  viruses  by  nasally administered siRNA, Nature Medicine 2005, 11: 50‐55. 

190.   Poeck H., Besch R., Maihoefer C., Renn M. et al., 5'‐Triphosphate‐siRNA: turning gene silencing and Rig‐I activation against melanoma, Nat. Med. 2008, 14: 1256‐1263. 

191.   Schlee M., Hornug V., and Hartmann G., siRNA and isRNA: Two edges of one sword, Molecular Therapy 2006, 14: 463‐470. 

192.   Hossbach M., Gruber  J., Osborn M., Weber K. et al., Gene silencing with siRNA duplexes composed of target‐mRNA‐complementary  and  partially  palindromic  or  partially  complementary  single‐stranded siRNAs, RNA Biol. 2006, 3: 82‐89. 

193.   Corey D.R., RNA learns from antisense, Nature Chemical Biology 2007, 3: 8‐11. 194.   Campochiaro P.A., Potential applications  for RNAi to probe pathogenesis and develop new treatments 

for ocular disorders, Gene Therapy 2006, 13: 559‐562. 195.   Shen  J.,  Samul  R.,  Silva  R.L.,  Akiyama  H.  et  al.,  Suppression  of  ocular  neovascularization with  siRNA 

targeting VEGF receptor 1, Gene Therapy 2006, 13: 225‐234. 196.   Remaut K.,  Sanders N.N., De Geest B.G., Braeckmans  K.  et  al., Nucleic  acid delivery: Where material 

sciences and bio‐sciences meet, Materials Science & Engineering R‐Reports 2007, 58: 117‐161. 197.   Thomas C.E., Ehrhardt A., and Kay M.A., Progress and problems with  the use of viral vectors  for gene 

therapy, Nature Reviews Genetics 2003, 4: 346‐358.     

57  

CHAPTER 1 | maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi  

58  

 

in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells | CHAPTER 2 

59  

   CHAPTER 2 | In situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in 

living cells     

Parts of this chapter are published: 

 

Koen Raemdonck1, Katrien Remaut1, Bart Lucas1, Niek N. Sanders1,2, Joseph Demeester1 and Stefaan 

C. De Smedt1, Biochemistry 2006, 45: 10614‐10623. 

 

1Laboratory of General Biochemistry and Physical Pharmacy, Department of Pharmaceutics, Faculty of Pharmaceutical 

Sciences, Ghent University, Harelbekestraat 72, B‐9000 Ghent, Belgium. 

2Laboratory of Gene Therapy, Department of Nutrition, Genetics and Ethology, Faculty of Veterinary Medicine, Ghent 

University, Heidestraat 19, B‐9820 Merelbeke, Belgium. 

 CHAPTER 2 | in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells  

 

60  

ABSTRACT 

To  attain  the  full  therapeutic  promise  of  small  interfering  RNA  (siRNA)  it  is  believed  that 

improvements,  such  as  increased  biostability,  are  critical.  Regrettably,  thus  far  insufficient  in  situ 

data are on hand regarding the intracellular stability of siRNAs. We report on the use of an advanced 

fluorescence‐based method to probe nucleolytic decay of double  labelled siRNAs which are subject 

to fluorescence resonance energy transfer (FRET). In vitro measurements with RNase A and cellular 

extracts demonstrate that the ratio of acceptor (5’‐Cy5) to donor (3’‐rhodamine green) fluorescence 

can  be  used  to  study  the  degradation  of  the  labelled  siRNA  substrates  upon  donor  excitation. 

Intracellular FRET analysis showed substantial degradation of single‐stranded siRNA, whereas duplex 

siRNA  stayed  intact  during  the  measured  time  period.  These  data  underline  the  high  intrinsic 

nuclease  resistance of unmodified duplex  siRNA and prove  that  cellular persistence  is much more 

critical  for  the  single‐stranded  structure.  It  is  for  the  first  time  that  the  stability  of  siRNA  is 

investigated  in  real‐time  inside  living  cells.  The  presented  fluorescence‐based  method  is  a 

straightforward  technique  to  gain  direct  information  on  siRNA  integrity  inside  living  cells  and 

provides a bright outlook to learn more about the intracellular fate of siRNA therapeutics. 

in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells | CHAPTER 2 

2 OVERVIEW CHAPTER CONTENTS 

Chapter 2 provides: 

• details  on  the  validation  and  application  of  a  fluorescence  based method  (FRET‐FFS)  to 

evaluate siRNA integrity 

• a  comparison  of  the  stability  between  ssRNA/dsRNA  upon  incubation with  RNase  A  and 

cellular extracts 

• an evaluation of siRNA integrity in living cells with FRET‐FFS following microinjection 

Key terms: 

FRET – ssRNA – dsRNA – FFS – FA/FD ratio – chemical modification – microinjection 

 

INTRODUCTION 

Knockdown of gene expression by RNA interference (RNAi) has evolved as a powerful tool for reverse 

genetic  analysis  and  holds  a  great  therapeutic  potential.[1,2]  RNAi  represents  an  evolutionary 

conserved gene silencing mechanism by which ~21 nucleotide double‐stranded RNAs, termed small 

interfering  RNAs  (siRNAs),[3]  guide  sequence  specific  cleavage  and  subsequent  degradation  of  the 

targeted mRNA  and  thus  knockdown  of  the  corresponding  gene.[4]  Intracellularly, duplex  siRNA  is 

recognized by key components of the RNAi pathway which eventually  leads to the  incorporation of 

the  antisense  (guide)  strand  in  a  ribonucleoprotein  complex  termed  RISC  (RNA‐induced  silencing 

complex). This activated RISC (RISC*) subsequently degrades the target mRNA employing the guide 

strand as  ‘docking site’  to  the homologous mRNA sequence.[1‐5] The discovery  that siRNAs can also 

target  mammalian  genes  without  invoking  the  interferon  response  lightened  the  path  to  the 

development of siRNA therapeutics.[5] 

61  

 CHAPTER 2 | in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells  

 

To effectively use siRNAs as drug molecules, many barriers still need to be overcome.[6] For successful 

in vivo application of siRNAs, their biostability and cellular delivery should be  improved.[1,2,6‐8] Many 

efforts have already been undertaken to chemically modify the siRNA molecules  in order to reduce 

their susceptibility  to RNases.[7,9‐13] Some of  the  investigated modifications  indeed provide a higher 

resistance  against  serum‐derived  nucleases.[7,12,13]  Moreover,  evidence  exists  that  chemical 

modifications of siRNAs can lead to a prolonged gene silencing effect in cell culture, suggesting that 

the transient and short lived RNAi induced gene knockdown, as usually observed in mammalian cells, 

may be partially due to intracellular siRNA degradation.[9,11,12,14,15] However, in an attempt to confirm 

this hypothesis, Layzer and coworkers had to conclude that the use of nuclease‐resistant siRNA does 

not by definition result in a more potent and/or prolonged RNAi effect in vitro and in vivo.[13] Besides 

chemical modification, the packaging of siRNAs into suitable delivery carriers may also protect them 

from degradation,[16,17] also in vivo.[8] More detailed information can be found in chapter 1. 

The interest of numerous research groups with regard to improvement of siRNA stability emphasizes 

the  need  for  useful  and  straightforward methods  to  probe  siRNA  integrity.  To  the  best  of  our 

knowledge, experiments which are able to follow the degradation of siRNA in real‐time in living cells 

are not yet reported, mainly due to a lack of suitable non‐invasive methods. It may be clear however 

that the development of siRNA as a drug needs an understanding of its intracellular fate. The major 

focus  of  this manuscript  is  therefore  to  investigate  the  intracellular  turnover  of  siRNAs.  For  this 

purpose, we assessed the enzymatic degradation of double fluorescently labelled single‐stranded (ss) 

and double‐stranded (ds) siRNA  inside  living cells by fluorescence resonance energy transfer (FRET; 

Figure  2.1a).  The  intracellular  tracking  of  siRNA  duplexes  carrying  a  single  fluorophore makes  it 

impossible  to distinguish between  intact and degraded  siRNA duplexes,  strand  separation or even 

the emergence of free dye. Opposed to this approach, FRET has the advantage that it is based on the 

direct and distance‐dependent interaction between two spectrally different fluorescent labels.[17] The 

fluorescence intensities of both dyes ‐ i.e. rhodamine green and Cy5, attached to the 3’ and 5’ end of 

the  sense  strand  respectively  ‐  were  monitored  using  a  dual‐colour  fluorescence  fluctuation 

spectroscopy setup (FFS) as depicted in Figure 2.1b. Essentially, FFS measures fluorescence intensity 

fluctuations in the excitation volume of a (confocal) microscope (Figure 2.1b ‐ 2.1d). The fluorescence 

fluctuations are due  to  the movement of  the  fluorophores  in and out  the confocal volume  (Figure 

2.1c  ‐  2.1d).  In  dual‐colour  FFS,  a  sample  containing  two  spectrally  different  fluorophores  (e.g. 

rhodamine  green  and  Cy5)  is  analyzed  and  their  emission  light  is  registered  separately  by  two 

detectors monitoring the same excitation volume (Figure 2.1b).[18] 

Our  results demonstrate  that duplex  siRNA  is more  resistant  against  intracellular nucleases when 

compared with  single‐stranded  siRNA which  is  degraded within minutes.  Additionally,  this  study 

62  

in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells | CHAPTER 2 

shows the potential of the delineated fluorescence‐based technique for future research on the cell 

biological behaviour of siRNA. 

 

FIGURE  2.1  |  (a)  Schematical  representation  of  fluorescence  resonance  energy  transfer  (FRET)  and  its applicability to probe the degradation of double labelled siRNA (further information: see experimental section). (b) Setup of the dual‐colour fluorescence fluctuation spectroscopy (dual‐colour FFS) instrument. The excitation light, emerging from a Kr‐Ar ion laser, is reflected by a triple chroic mirror and focused into the objective of a confocal microscope. The fluorescence light, emitted by the fluorophores when diffusing through the excitation volume, passes  the  same objective and  triple chroic mirror  to be  split by a dichroic mirror  into a  red and a green  component.  (c)  Animated  view  of  fluorescent  molecules  diffusing  through  the  excitation  volume (typically some femtoliters) which causes fluorescence intensity fluctuations as depicted in (d). 

MATERIALS AND METHODS 

siRNA oligonucleotides 

21  nt  single‐stranded  (ss)  siRNAs were  synthesized  and  purified  by  Eurogentec  (sense  strand:  5’‐

GUGCGCUGCUGGUGCCAACdTdT‐3’, antisense strand: 5’‐GUUGGCACCAGCAGCGCACdTdT‐3’). Double 

fluorescent labelling occurred at the 3’ and 5’ end of the sense strand with rhodamine green (RhoGr) 

and Cy5  respectively. The  concentration of  the  siRNA  stock  solutions  (in DEPC‐treated water) was 

calculated  from absorption measurements at 260 nm  (1 OD260 = 40 µg mL‐1) with a Nanodrop ND‐

1000 spectrophotometer. The absorption of the rhodamine label at 260 nm was taken into account. 

The  presence  of  the  fluorescent  labels was  verified  by  absorption measurements  at  500  nm  for 

RhoGr (εRhoGr, 500 nm = 54 000 L.mol‐1.cm‐1) and 647 nm for Cy5 (εCy5, 647nm = 250 000 L.mol‐1.cm‐1). 

Fluorescent  siRNA  duplexes  were  prepared  through  hybridization  of  non‐labelled  antisense  and 

fluorescently  labelled  sense RNA  strands  (either  single or double  labelled).  Equimolar  amounts of 

63  

 CHAPTER 2 | in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells  

 

both RNAs were mixed  in annealing buffer  (final buffer concentration 50 mM Tris, pH 7.5‐8.0, 100 

mM NaCl) and annealing was performed  in a thermal cycler  (2 min  incubation at 94°C  followed by 

slow cooling  to 25°C over a  time period of 45 min). Duplex  formation was confirmed by 20% non‐

denaturing polyacrylamide gel electrophoresis. 

Cell culture and microinjection experiments 

VERO  cells  (African  green monkey  kidney  cells)  were maintained  in  Dulbecco’s modified  eagle’s 

medium (DMEM) without phenol red (Gibco™ Invitrogen) supplemented with 2 mM glutamine, 10% 

heat  deactivated  fetal  bovine  serum  (FBS)  and  1%  penicillin‐streptomycin  at  37°C  in  humidified 

atmosphere  (5%  CO2).  Cells  were  prophylactically  treated  against  mycoplasma  with  Plasmocin 

(Invivogen). For intracellular fluorescence measurements, cells were seeded (2.5 x 104 cells per cm2) 

on culture dishes with central 150 µm thick glass‐bottomed surface (MatTek Corporation). Cells were 

incubated 24 h or 48 h prior to microinjection. 

Microinjection experiments were conducted with a Femtojet® microinjector and an  Injectman NI 2 

micromanipulator  (Eppendorf). All  injections were  performed  in  the  cytoplasm. Directly  following 

microinjection, intracellular fluorescence measurements were carried out as described below. 

Preparation of cytosolic and nuclear cell extracts 

Cytosolic and nuclear cell fractions were derived from VERO cells according to a slightly modified BD 

Bioscience Transfactor Extraction protocol. Cells were harvested at high confluency by trypsinization 

and  centrifuged  at  450  g  for  5  min  (4°C).  Subsequently,  the  cell  pellets  were  rinsed  twice  by 

resuspension in cold phosphate buffered saline (PBS), again collected and redispersed in a hypotonic 

lysis buffer [10 mM HEPES pH 7.9, 1.5 mM MgCl2 and 10 mM KCl, supplemented with Complete Mini 

EDTA‐free Protease Inhibitor Cocktail (Roche)]. Following incubation on ice (15 min) and subsequent 

centrifugation (5 min at 420 g, 4°C), the cells were again dispersed in lysis buffer equal to twice the 

cell pellet volume. The resulting cell suspension was slowly drawn  into a narrow‐gauge syringe and 

rapidly ejected to disrupt the outer membrane (disruption step was repeated 10 times). Nuclei were 

pelleted by centrifugation of the lysed cells at 11000 g for 20 min. The supernatant (cytosolic extract) 

was collected and stored in small aliquots at ‐80°C.  

For  preparation  of  the  nuclear  extract,  the  remaining  nuclear  pellet was  resuspended  in  nuclear 

extraction  buffer  (20 mM  HEPES  pH  7.9,  1.5 mM MgCl2,  0.42 M NaCl,  0.2 mM  EDTA,  25%  (v/v) 

glycerol)  again  supplemented with  Complete  EDTA‐free  Protease  Inhibitor  Cocktail  in  appropriate 

concentration. Following disruption of the nuclei (using a new syringe), the nuclear suspension was 

64  

in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells | CHAPTER 2 

shaken gently for 30 min on ice and then centrifuged at 18000 g for 5 min. The supernatant (nuclear 

extract) was stored in small aliquots at ‐80°C. 

Dual‐colour fluorescence fluctuation spectroscopy setup 

Fluorescence measurements were performed on a dual‐colour FFS setup installed on a MRC1024 Bio‐

Rad  confocal  laser  scanning microscope  (depicted  in Figure 2.1b). An  inverted microscope  (Eclipse 

TE300D, Nikon), equipped with a water‐immersion objective  lens  (Plan Apo 60x, NA 1.2, collar‐rim 

correction, Nikon) was employed. The 488 nm and 647 nm  laser  lines of a krypton‐argon  laser (Bio‐

Rad) were used to excite the RhoGr and Cy5 dye respectively and their emission signal was registered 

by  ultrasensitive  Avalanche  photodiode  detectors.  The  fluorescence  intensity  fluctuations  were 

recorded on a digital ALV 5000/E correlator. The FFS setup was calibrated as described by Schwille et 

al.  [19] and summarized by Remaut et al.  [20] to optimize the overlap of the excitation and detection 

volumes and to determine the size of the latter. 

A detailed outlining of the theoretical concept and applications of FFS can be found elsewhere.[21,22] 

In this study the dual‐colour FFS setup is mainly employed to measure the fluorescence intensities of 

labelled  siRNA  present  at  nanomolar  concentrations.  Additional  correlation  analysis  of  the 

fluorescence  fluctuations  to  obtain  information  on  the  mobility  of  the  siRNA  molecules  is  not 

performed. Therefore, the mathematical basics and diffusion models to be applied on FFS data will 

not be covered in this chapter. 

siRNA stability analysis 

Fluorescence  resonance  energy  transfer  (FRET)  is  an  important  research  tool  to  study  inter‐  and 

intramolecular processes and is defined as the non‐radiative excitation energy transfer from a donor 

fluorophore  to  an  appropriate  acceptor  fluorophore when  both  dyes  are  fixed  in  close  proximity 

(typically ~10‐100 Å).[23] The energy transfer efficiency is inversely proportional to the sixth power of 

the  inter‐dye  distance.[23]  Hence,  virtually  any  process  that  induces  distance  variations  between 

donor and acceptor on the nanometer scale can be monitored with this technique.[24] In this report, 

FRET is used as a tool to study the degradation of double labelled siRNAs (see results section). Intact 

nucleic acid molecules, bearing both donor and acceptor, show a significant acceptor emission upon 

donor excitation due to energy transfer, as schematically illustrated in Figure 2.1a. When the double 

labelled substrates are cleaved  into single  labelled products, FRET can no  longer occur  resulting  in 

negligible  acceptor  fluorescence.  Basically,  the  ratio  of  the  5’‐Cy5  fluorescence  (acceptor 

fluorophore) to the 3’‐RhoGr fluorescence (donor fluorophore) upon donor excitation (termed FA/FD) 

65  

 CHAPTER 2 | in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells  

 

correlates with  siRNA  integrity  (see  results  section).  For  the  determination  of  the  FA/FD  ratio  on 

degrading siRNAs, the fluorescence  intensities of RhoGr and Cy5 were recorded by the “green” and 

“red” detector  respectively  (Figure 2.1b) during 3  seconds, with  laser excitation  set at 488 nm. All 

samples were  analyzed  in  glass‐bottomed  96‐well  plates  (Greiner Bio‐One,  certified DNase/RNase 

free) and the focal volume was placed 50 µm above the bottom of the wells. 

Degradation experiments with RNase A  (RPA grade, manufactured  from bovine pancreas, Ambion) 

were performed  at  ambient  temperature by  first diluting  the  siRNA  stock  solutions with RNase A 

buffer (100 mM Tris‐acetate pH 6.5, 1 mM EDTA) to a final concentration of 13 nM. Subsequently, 1 

µL of RNase A solution was added and FA/FD was measured as a function of time. 

To monitor the degradation of siRNAs in cytosolic and nuclear extracts of VERO cells, a siRNA solution 

(400 nM)  in “degradation buffer” (20 mM Tris‐HCl, 50 mM Na‐acetate, 2 mM Mg‐acetate, adjusted 

with sodium hydroxide to pH 7.4) was mixed with 50% (v/v) of cellular extract and incubated at 37°C 

in non‐stick RNase free microfuge tubes (Ambion). Aliquots were taken at different time points and 

diluted  with  sodium  citrate  buffer  to  stop  degradation  (for  dsRNA  degradation:  10 mM  sodium 

citrate pH 4, 0.025 % sodium dodecylsulphate  (SDS); for ssRNA degradation: 10 mM sodium citrate 

pH 6, 20 mM DTT, 0.1 % SDS). Samples  (end concentration 13 nM) were analyzed  immediately or 

incubated on ice prior to FA/FD measurements. 

To monitor the stability of siRNA in VERO cells, first confocal images were taken of the cells and the 

FFS observation volume was positioned inside the nucleus. Solutions of intact ssRNA (10 µM), intact 

dsRNA  (5 µM),  (RNase A)  degraded  ssRNA  (10 µM)  and  (RNase A)  degraded  dsRNA  (6 µM) were 

prepared  in RNase‐free water and  loaded  in a microinjection needle  (Eppendorf  II). Subsequently, 

cells were microinjected in the cytoplasm. Approximately 30 to 60 sec after injection, the cells were 

exposed to 488 nm laser light and the FA/FD ratio was determined in the nucleus. Low laser excitation 

power and short measurement time ensured minimal photobleaching and cellular damage. For time‐

dependent stability analysis, the FA/FD ratio was registered inside the nucleus at different time‐points 

after injection. At the end of each data series we verified that the nucleus was still in focus.  

Polyacrylamide gel electrophoresis combined with dual‐colour FFS 

27.5 µL siRNA duplex (8 µM) was added to 0.48 µg RNase A in 12.5 µL RNase A buffer and incubated 

at room temperature. At specified times, 5 µL aliquots (for gel electrophoresis, ~ 0.4 µg siRNA) and 

0.5 µL aliquots (for dual‐colour FFS) were removed. Electrophoresis aliquots were mixed with 10 µL 

formamide (with 0.05% bromophenol blue), snap frozen at  ‐80°C and stored afterwards at  ‐20°C. A 

20% polyacrylamide gel, supplemented with 7 M urea in TBE buffer (0.089 M Tris base, 0.089 M boric 

66  

in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells | CHAPTER 2 

acid  (pH 8.35), 2 mM Na2EDTA), was  applied  to analyze  siRNA degradation  (40 min  run at 100V). 

Following electrophoresis, the gel was stained (40 min) in a 1:104 dilution of SYBR Green II RNA stain 

(Molecular Probes)  in DEPC‐treated water and  samples were visualized on a UV Trans‐illuminator. 

The 0.5 µL aliquots were added to 7 µL of RNase A buffer and also snap frozen at  ‐80°C. The FA/FD 

ratio (upon 488 nm excitation) of every aliquot was calculated. 

RESULTS 

FRET as a tool to distinguish intact and degraded single‐stranded and duplex siRNA 

Figure 2.2 shows representative fluorescence fluctuation profiles as obtained for intact ssRNA (Figure 

2.2a) and  intact dsRNA (Figure 2.2b)  in DEPC‐treated water, upon 488 nm excitation. Although with 

these  settings only  rhodamine green  (RhoGr)  can be efficiently excited,  the Cy5  fluorescence  (red 

signal) markedly  exceeds  the RhoGr  fluorescence  (green  signal).  This  clearly  indicates  that  energy 

from the RhoGr excited state (donor) is transferred to and excites the Cy5 acceptor dye (FRET). The 

ratio of acceptor  fluorescence  to donor  fluorescence upon 488 nm excitation  (FA/FD  ratio)  is used 

here as a measure for energy transfer (see Materials and Methods). Table 2.1 summarizes the FA/FD 

values as measured for ssRNA and dsRNA. Both intact ssRNA and dsRNA display a FA/FD ratio >> 1 in 

DEPC‐treated water which is mainly due to FRET. Upon annealing with non‐labelled complementary 

siRNA, the FA/FD ratio of ssRNA clearly lowers, indicating that the energy transfer is partially inhibited 

in  the  duplex  form.  This  is  probably  explained  by  a  higher  rigidity  of  the  duplex  structure which 

makes the relative position of both dyes less optimal for FRET. Also, the FA/FD value seems to depend 

on the medium in which the siRNA is diluted (Table 2.1). When the siRNA is placed in RNase A buffer 

or sodium citrate buffer, a lower FA/FD ratio was measured in comparison with FA/FD in DEPC‐treated 

water (Table 2.1), indicating that in the buffer media energy transfer is significantly diminished. 

Fluorescence fluctuations (upon 488 nm excitation) of degraded siRNA samples are shown in Figure 

2.2c and 2.2d. In contrast with the fluorescence fluctuation profiles of intact siRNA samples, now the 

RhoGr emission becomes dominant. This red‐to‐green shift  is due to the degradation of the siRNAs 

which  separates  donor  and  acceptor  dye,  thus  precluding  energy  transfer  (Figure  2.1a).  SiRNA 

degradation  is  also  clearly  reflected  in  the  FA/FD  values  (Table  2.1).  Incubation  of  siRNA  in  the 

presence of RNase A and cellular extracts (derived from VERO cells) does no  longer allow FRET and 

significantly lowers the FA/FD ratio (FA/FD << 1). 

67  

 CHAPTER 2 | in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells  

 

TABLE  2.1  | Overview of  the measured  FA/FD  ratios of  single‐stranded  (ss)  and double‐stranded  (ds)  siRNA. Intact siRNA oligos show a high ratio primarily due to FRET. Degradation of siRNA  in the presence of cellular extracts  or  RNase A  corresponds with  FA/FD  <<  1.  Ratios were  calculated  based  on  average  red  and  green fluorescence intensities, measured over a 30 s time frame (excitation wavelength equalled 488 nm). Different samples were analyzed and FA/FD ratios are presented as mean values ± standard deviation of at  least  three independent experiments. Buffer A: RNase A buffer; buffer B: sodium citrate buffer, supplemented with SDS. 

INTACT  DEPC treated water  Buffer A  Buffer B 

ssRNA  29.3 ± 2.0  15.5 ± 2.1  19.6 ± 1.9 

dsRNA  9.5 ± 0.8  1.5 ± 0.1  1.9 ± 0.1 

DEGRADED  RNAse A  Nuclear extract  Cytoplasmic extract 

ssRNA  0.11 ± 0.01  0.13 ± 0.01  0.12 ± 0.01 

dsRNA  0.11 ± 0.00  0.09 ± 0.01  0.14 ± 0.01 

 

 

FIGURE 2.2 | Fluorescence fluctuation profiles of  intact/degraded ssRNA (a,c) and dsRNA (b,d) as obtained  in DEPC treated water upon 488 nm excitation. A graphical representation of the predominant siRNA species  in the measured samples is added. Intact siRNA shows a higher Cy5 fluorescence signal as compared to the RhoGr emission due  to  fluorescence  resonance energy  transfer  (FRET). When  the oligos are degraded, FRET can no longer occur eventually leading to the inversion of the emission profile. 

68  

in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells | CHAPTER 2 

 

FIGURE  2.3  |  (a,b) Real‐time emission behavior of double  fluorescently  labelled  siRNAs  (488 nm excitation). Analysis was performed through continuous excitation over a 400 s time‐interval of a 13 nM siRNA solution (in RNase A buffer)  incubated at ambient  temperature  together with an excess of RNase A  (2.5 ng and 1.5 µg RNase A for ssRNA and dsRNA respectively). Arrows indicate the time‐point of RNase A addition. Degradation of ssRNA results in an increase in RhoGr emission (grey data) and a concomitant decrease in Cy5 fluorescence (black  data)  due  to  the  disappearance  of  FRET.  Regarding  the  siRNA  duplex,  the  FA/FD  ratio  is  primarily influenced by the increase in donor fluorescence. (c,d) Time‐dependent profiles of the resulting FA/FD ratio. To normalize the results, the FA/FD ratio of intact siRNA was set to 1. 

To  further  unravel  the  FA/FD  turnover  during  degradation,  the  red  and  green  fluorescence were 

monitored in time after addition of RNase A. In this experiment an excess of RNase A was added to 

allow monitoring a significant decrease  in FA/FD on a short time‐scale  (400 s) with continuous  laser 

excitation. As can be seen  in Figure 2.3a, the degradation of ssRNA corresponds with an increase in 

green  fluorescence  and  a  concomitant decrease  in  red  fluorescence, due  to  the disappearance of 

FRET. During degradation of dsRNA,  the green  fluorescence also gradually  increases, while  the  red 

fluorescence, however,  remains almost unchanged  (Figure 2.3b). We observed  that degradation of 

single RhoGr  labelled  siRNAs  also  increases  the  green  fluorescence which we  attributed  to RhoGr 

dequenching  (data not shown).  It cannot be excluded  that  this phenomenon also occurs  in double 

labelled siRNAs.  In other words, one can say that the change in FA/FD upon degradation of ssRNA and 

69  

 CHAPTER 2 | in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells  

 

dsRNA is governed by both a loss of FRET and intramolecular RhoGr fluorescence dequenching. It is 

important to emphasize that a direct comparison of ssRNA and dsRNA degradation kinetics cannot be 

made  from FA/FD measurements due  to  the  fact  that different processes  influence  the decrease  in 

FA/FD ratio of respectively ssRNA and dsRNA. More importantly however, Figure 2.3c and 2.3d clearly 

illustrate that the FA/FD ratio allows following the conversion between intact and degraded siRNA. 

Monitoring the degradation of ssRNA and dsRNA in RNase A solutions 

First,  we  tried  to  characterize  the  correlation  between  the  FA/FD  ratio  and  the  percentage  of 

degraded siRNA in a sample. Hereto, different amounts of intact and degraded siRNA (resulting from 

long‐term  incubation at 37°C with nuclear or cytosolic extract) were mixed and the FA/FD ratio was 

determined. As can be seen  in Figure 2.4, a higher amount of degraded siRNA corresponds with a 

lower FA/FD ratio, although a linear relation was not found. These calibration curves clearly show that 

the FA/FD ratio is mainly sensitive towards the onset of siRNA degradation (from 0% to 20% degraded 

siRNA). When the sample contains only degraded siRNA, the FA/FD value drops to circa 0.6% and 5% 

of its initial value for respectively ssRNA (Figure 2.4a) and dsRNA (Figure 2.4b). 

 

FIGURE 2.4 | Correlation between the FA/FD ratio and the percentage of degraded siRNA in a mixture of intact and  degraded  siRNA  (in  sodium  citrate  buffer,  supplemented  with  SDS).  The  FA/FD  ratio  decreases  with increasing concentrations of degraded siRNA as only  intact RNA can contribute to  the FRET signal. The FA/FD ratio of intact RNA was accounted value 1. 

Figure 2.5 shows the degradation profiles of ssRNA and dsRNA after addition of different amounts of 

RNase A. Breakdown of the RNA  initially strongly  lowers the FA/FD ratio followed by a more gradual 

decrease. As expected, adding higher amounts of enzyme  results  in a  faster decrease  in  the FA/FD 

ratio, which  reflects  a  higher  degradation  rate.  RNase  A  is  an  endonuclease with  a  single‐strand 

substrate specificity that cleaves 3’ from C and U residues. Only low amounts of RNase A are needed 

to degrade a nanomolar ssRNA sample (Figure 2.5a). However, at higher enzyme concentrations also 

70  

in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells | CHAPTER 2 

dsRNA  is subject to degradation (Figure 2.5b).  Indeed,  it  is known that the specificity of RNase A  is 

dependent on the concentration used. 

 

FIGURE 2.5 | Time‐dependent degradation profiles (normalized FA/FD in function of degradation time) of ssRNA (a) and dsRNA  (b) with different amounts of RNase A  (depicted  in both  figures)  in RNase buffer. The  siRNA concentration was equal  in all samples (13 nM). FFS measurements were performed at ambient temperature with laser excitation set at 488 nm. Control measurements were in RNase buffer alone. 

To visualize dsRNA degradation we performed denaturing PAGE gel electrophoresis (Figure 2.6). As 

expected, a clear degradation pattern could be seen. After 24 h of  incubation almost no detectable 

nucleic  acid  fragments were  remaining  on  the  gel.  FFS  based  stability  analysis  on  the  degrading 

samples was performed  in parallel  (Figure 2.6) and elucidated  that merely mixing  the dsRNA with 

RNase (corresponding with the 2’ time point) already reduced the FA/FD ratio by 37 %. Following 2 h 

of  incubation  the  FA/FD  ratio  does  not  decrease  any  further.  This  indicates  that  the  degradation 

primarily  takes place during  the  first  two hours of  incubation. As  almost no  full  length  fragments 

remained visible on the gel at the 2 h time point, the information obtained from respectively the gel 

electrophoresis measurements and the FA/FD measurements are  in good agreement,  indicating that 

the FA/FD ratio effectively reflects the amount of  intact and/or degraded double  labelled siRNA  in a 

sample. 

Monitoring the degradation of ssRNA and dsRNA in cellular extracts 

In a next  step we wondered whether  the  FRET‐FFS  technique also allows  studying  the  stability of 

siRNA  in more complex media. Hereto, cytoplasmic and nuclear  fractions were  isolated  from VERO 

cells and incubated with single‐ and double‐stranded RNA. 

71  

 CHAPTER 2 | in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells  

 

 

FIGURE 2.6 | Gel electrophoresis on degrading dsRNA samples. 0.48 µg RNase A was added to a 5.5 µM dsRNA solution in RNase A buffer. At different incubation times (ambient temperature), FFS aliquots were taken and snap  frozen  at  ‐85°C.  Prior  to measurement,  the  samples were  diluted  to  a  concentration  suitable  for  FFS analysis. The normalized FA/FD ratio in function of degradation time is shown. Electrophoresis aliquots (~0.4 µg dsRNA) were  taken  at  the  same  time  points  and  also  stored  immediately  at  ‐85°C. Graph  inset  shows  the corresponding  dsRNA  degradation  profile  as  visualized with  SYBR Green  II  RNA  stain  on  a  denaturing  20% polyacrylamide gel. 

Figure 2.7 shows the corresponding degradation profiles. A first interesting observation is that single‐

stranded RNA is almost completely degraded after 60 min of incubation (Figure 2.7a), while complete 

degradation of duplex siRNA, even after several hours of incubation, was not obtained (Figure 2.7b). 

A significantly slower degradation rate was seen when experiments were repeated with 1:10 diluted 

extract (data not shown). Surprisingly, ssRNA seems to degrade equally fast in cytoplasmic extracts as 

in nuclear extract (Figure 2.7a)  indicating that both extracts possess a comparable ssRNase activity. 

However,  regarding  the  siRNA duplex  the FA/FD  ratio  shows a considerably  faster decay  in nuclear 

extract  compared  to  cytosolic  extract.  This  observation  suggests  that,  under  the  given  assay 

conditions, higher nuclease activity was present in the nuclear fraction of the VERO cells.  

Monitoring the intracellular degradation of ssRNA and dsRNA 

Having established that the FA/FD ratio is a reliable parameter to follow the siRNA integrity in cellular 

extracts,  we  next  aimed  to  analyze  the  intracellular  stability  of  siRNA  in  living  cells  using 

microinjection to deliver the siRNA to the cytosol.  

72  

in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells | CHAPTER 2 

 

FIGURE 2.7 | FFS measurements performed on degrading siRNA oligos in cellular extracts. Crude extracts were mixed with  twice  the  volume  of  a  400  nM  RNA‐solution  in  degradation  buffer  and  incubated  at  37°C.  At different time‐points an aliquot was mixed with SDS‐sodium citrate buffer to a final concentration of 13 nM. Excitation wavelength equaled 488 nm and fluorescence intensities were recorded during 3 s. FA/FD ratios were again  normalized  to  value  1.  (a)  No  difference  in  degradation  rate  could  be  observed  for  ssRNA  in  pure cytoplasmic and nuclear extract. (b) Concerning dsRNA however, the FA/FD ratio shows a faster decay in nuclear extract  compared  to  cytosolic  extract.  Control  measurements  are  performed  in  degradation  buffer  alone (dsRNA) or degradation buffer supplemented with 0.1% SDS (ssRNA). Influence of siRNA‐protein binding on the measured  FA/FD  signal  was  minimized  through  dilution  of  the  samples  in  the  denaturing  buffer  prior  to measurement. 

Figure 2.8a shows confocal  images (488 nm excitation) of VERO cells taken at different time points 

after cytoplasmic  injection of a high concentration of  intact dsRNA. Duplex siRNA seems  to rapidly 

accumulate  in  the  nucleus  subsequent  to  injection  and  clearly  does  not  show  a  homogenous 

intranuclear  distribution.  A  comparable  behavior  has  already  been  observed  for  antisense 

oligonucleotides.[25]  Also  single‐stranded  siRNA  showed  a  fast  nuclear  accumulation  following 

microinjection  (data  not  shown).  Hence,  further  exploration  of  the  intracellular  integrity  of  both 

siRNAs was performed in the nucleus of the injected VERO cells. Figure 2.8b depicts the FA/FD ratio as 

measured in the nuclei directly after microinjecting respectively intact or previously degraded (ss and 

ds) siRNA  in the cytosol of the cells. As the FFS setup makes use of more sensitive detectors when 

compared with a conventional fluorescence microscope, a lower amount of siRNA was injected here. 

For  injected  intact  siRNA a FA/FD  ratio > 1 was calculated, while FA/FD  remained  far below 1 when 

degraded siRNA was introduced in the cytosol. This clearly evidences that the dual‐colour FFS setup 

can distinguish between intact and degraded siRNA inside living cells.  

Next, we aimed to characterize the intracellular degradation rate of duplex siRNA in VERO cells. For 

this  purpose,  we  microinjected  intact  double‐stranded  siRNA  in  the  cytosol  of  VERO  cells  and 

positioned the FFS observation volume in the nucleus of the cell. 

73  

 CHAPTER 2 | in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells  

 

 

FIGURE 2.8 | (a) Transmission  image and confocal  images (488 nm excitation) of VERO cells taken at different time points after cytoplasmic injection of dsRNA. (b) FA/FD ratio as measured in cells after microinjecting intact or (previously) degraded ssRNA and dsRNA. The FFS observation volume was positioned in the nucleus of the injected  cell  with  laser  excitation  set  at  488  nm.  The  FA/FD  ratio  is  presented  as mean  value  ±  standard deviation obtained from at least three independent experiments under identical calibration. 

During the first half hour following injection of dsRNA an increase in both the red and green nuclear 

fluorescence was  observed  (Figure  2.9a)  in  agreement with  the  nuclear  accumulation  of  duplex 

siRNA  as  seen  in  Figure  2.8a.  Subsequently,  a  slow  decay  in  the  fluorescence  intensities  was 

observed,  which  can  be  attributed  to  a  redistribution  of  intact  nuclear  dsRNA  to  the  cytosolic 

compartment. A similar behaviour was reported for antisense oligonucleotides which seem to shuttle 

between nucleus and cytoplasm.[26] Interestingly, the FA/FD ratio remains constant over the measured 

time  interval (Figure 2.9c) demonstrating that the duplex siRNA stays  intact. This  is  in contrast with 

the  degradation  of  dsRNA  in  cellular  extracts  as  concluded  from  Figure  2.7b.  These  observations 

prove  that  siRNA  stability  in  cellular  extracts  cannot  just  be  translated  to  the  actual  cellular 

environment and highlight that  in situ measurements are needed.  Intracellular measurements with 

ssRNA revealed a vast lowering of the FA/FD ratio (Figure 2.9d), indicating the disappearance of FRET 

and RhoGr dequenching and thus ssRNA degradation. 

74  

in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells | CHAPTER 2 

 

FIGURE 2.9 | Intranuclear fluorescence intensity profile of (a) dsRNA and (b) ssRNA. The emission signal in both the green  (■ gray) and  red  (● black) detector  is shown  in  function of degradation  time.  (c,d) Corresponding time‐dependent  degradation  profiles  of  dsRNA  and  ssRNA  obtained  in  the  nucleus  of  VERO  cells.  Laser excitation was set at 488 nm and microinjection was conducted in the cytoplasm of the focus cell. Normalized FA/FD  ratios of dsRNA are presented as mean values ± standard deviation of  three  independent experiments under different calibration. ssRNA data are from one representative of three independent experiments. 

The  intracellular  data  underline  the  high  stability  of  duplex  siRNA while  single‐stranded  siRNA  is 

highly  unstable,  in  line with  other  reports  in  literature.[10,11]  Interestingly,  in  Figure  2.9b  again  a 

concomitant  increase  in red and green fluorescence was registered  in the nucleus during the first 5 

min, attributed to the nuclear import of the ssRNA. Clearly, the single‐stranded siRNA shows a faster 

accumulation when compared with duplex siRNA. However, the relative increase in red fluorescence 

is  less pronounced  than  the  increase  in green  fluorescence explaining  the FA/FD decline within  this 

time  frame.  It can be postulated that upon  injecting ssRNA  in the cytoplasm, a fraction of the RNA 

will be readily degraded. Hence, during the first few minutes after microinjection, a mix of degraded 

and  intact ssRNA  is prone  to nuclear  import.  It goes without saying  that  the  intact single‐stranded 

siRNA molecules that reach the nucleus will also degrade within a reasonable time span. As outlined 

previously, ssRNA degradation results in an increase in green fluorescence and a parallel lowering of 

75  

 CHAPTER 2 | in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells  

 

the  red  fluorescence. As  the  red emission  already drops  at 5 min  after  injection  (Figure 2.9b) we 

conclude that little intact siRNAs still reach the nucleus, but that the siRNA molecules at this moment 

are subject to  intranuclear degradation. One can wonder why between 5 min and 50 min following 

injection the green fluorescence  in the nucleus remains more or  less constant. Probably the  loss of 

intranuclear  fluorescence due  to nucleocytoplasmic  redistribution of  (intact and already degraded) 

siRNA  is countered by the  increase  in green fluorescence as a result of degradation. Approximately 

60  min  after  injection,  the  FA/FD  does  no  longer  drop  (Figure  2.9c),  indicating  that  no  further 

degradation occurs. The slight decrease  in red and green fluorescence  is now completely attributed 

to diffusion of siRNA fragments from the nucleus into the cytoplasm. 

DISCUSSION 

Many disease‐causing genes can be silenced efficiently  in cell culture with rationally designed small 

interfering  RNAs  under  optimized  transfection  conditions.  However,  application  of  siRNA 

therapeutics  is  not  yet  conceivable  as  siRNA  delivery,  biodistribution,  target  cell  selectivity  etc. 

remain major hurdles to be overcome. Obviously, the therapeutic success of siRNA will also greatly 

depend on the biostability of siRNA. Indeed, the siRNA molecules should be sufficiently stable in the 

extra‐ and intracellular matrices to be able to exert a biological effect.[1,2,6] 

Previous  reports  in  the  literature have  studied degradation of  synthetic RNA/DNA chimera  [27] and 

antisense oligonucleotides by FRET.[18] Also  inside  living  cells, FRET has been used  to evaluate e.g. 

ribozyme  cleavage  of  a  labelled  oligoribonucleotide  substrate  [28]  and  for  detection  of  intact  and 

degraded  oligonucleotides.[18,29]  In  a  recent  report,  FRET was  applied  to  track  the  degradation  of 

double‐labelled pDNA in the intracellular environment through confocal time‐lapse imaging.[30] Modi 

et al. even describe the design of so called ‘DNA nanomachines’, bearing an appropriate FRET pair, as 

intracellular pH sensors that are able to map pH changes during intracellular trafficking.[31] FRET as a 

tool  to  evaluate  siRNA  integrity  in  particular  is  described  in  three  independent  reports  in  the 

literature.[17,32,33] 

In the presented study we first wanted to evaluate whether our dual‐colour FFS setup (as depicted in 

Figure 2.1b)  is suited  to probe nucleolytic decay of double  fluorescently  labelled siRNAs which are 

subject  to  FRET.  Figures  2.3  to  2.7  clearly  show  that  the  FA/FD  ratio,  as  obtained  from  the 

fluorescence  fluctuation  data  (measured  through  the  FFS  setup),  can  be  applied  to  study  the 

transition  from  intact  to  degraded  siRNA.  As  single‐stranded  siRNA  shows  much  higher  FRET 

efficiency  than  duplex  siRNA  (Table  2.1),  this  also  allows  us  to  distinguish  between  dsRNA 

degradation and duplex strand denaturation. While dsRNA degradation results  in a decrease of the 

76  

in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells | CHAPTER 2 

FA/FD ratio, destabilization of the intact siRNA duplex will eventually lead to an increase of the FA/FD 

ratio. Indeed, release of the more flexible siRNA sense strand from the duplex structure will induce a 

higher FRET signal.  

Correlation  analysis  on  the  fluorescence  fluctuation  profiles  would  allow  the  calculation  of  the 

diffusion coefficient of the fluorescently tagged molecules passing through the observation volume 

of  the  confocal  microscope.[19,21,22]  However,  this  strategy  is  not  recommended  to  monitor  the 

degradation of siRNA as a function of time.[20] Strictly, FFS can only distinguish between fluorescent 

molecules with  sufficiently different mobility  i.e. when  their diffusion  coefficients  (D) differ  for  at 

least factor 1.6.[34] Considering D ~ 1/(MW)1/3, this implies that FFS could only differentiate between 

intact and fully degraded siRNA. In contrast, FRET is sensitive to a single cleavage, irrespective of the 

molecular weight  (MW) of the degradation products  formed.[20]  It  is also worth highlighting that  in 

this report end‐labelled siRNAs are used.  It could be argued that the  labels sterically  interfere with 

(primarily)  exoribonuclease binding  to  the  siRNA  substrate  thereby  limiting  the  enzymatic  activity 

which would lead to an underestimation of the degradation rate.  

Using a confocal FFS setup to register  the  fluorescence  intensities  is  in particular advantageous  for 

quantifying  the  intracellular  fate  of  siRNAs.  Indeed,  the  confocal  excitation  volume  can  easily  be 

placed inside a defined cellular compartment. As the fluorescence photons emanating from this focal 

spot are registered by ultrasensitive avalanche photodiode detectors this enables us to measure low 

concentrations  of  fluorescent molecules  which  could  provide  a  suitable  alternative  for  confocal 

imaging in the case the fluorescence signal becomes too dim to provide satisfactory CLSM images.[35] 

Especially  for  future  siRNA  research  this  could  be  attractive  as  only  low  concentrations  of  highly 

active  siRNA  are  needed  to  show  a  biological  effect.  It  is  also  known  that  fluorescence  from 

endogenous  cellular  components  (autofluorescence)  may  interfere  with  FFS  measurements  in 

mammalian cells, especially when excitation wavelengths  in the blue spectral range (< 500 nm) are 

used.[36] In particular, the autofluorescence signal may render the interpretation of intracellular data 

challenging  [37] especially when  the  fluorescently  labelled molecules of  interest are present at  low 

concentration. In this report, the intracellular fluorescence exceeded the autofluorescence at least 5‐

fold  at  every  data  point, making  sure  that  the  obtained  FA/FD  ratios  really  reflect  the  fate  of  the 

injected siRNAs.  

Confocal  images  showed  nuclear  accumulation  of  dsRNA  when  microinjected  in  the  cytoplasm 

(Figure  2.8a).  Several  reports,  however,  present  evidence  for  the  cytoplasmic  nature  of  RNAi  as 

activated RISC complexes localize and function in the cytosol where translation of target mRNA takes 

place.[38] Transfection of Hela cells with TAT47‐57‐siRNA conjugates, siRNA/lipofectamine nanoparticles 

or  siRNA/polyamidoamine  nanoparticles  revealed  that  the  siRNAs  preferentially  locate  in  the 

77  

 CHAPTER 2 | in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells  

 

perinuclear  region,  thought  to  contain  focal  points  of RNAi machinery.[39]  This  specific  subcellular 

localization  showed  strong  correlation with RNAi activity. A  recent  report, however, declared  that 

RNAi activity is also present in the nucleus of HeLa cells as functional RISC complexes were found in 

both  nuclear  and  cytoplasmic  extracts.[40]  Thus,  upon  transfection,  small  interfering  RNA  that  is 

released  from  its  carrier  presumably  can  enter  the  nucleus  and  form RISC*  complexes  on  site  to 

cleave homologous nuclear RNA transcripts. It has also been shown in the literature that siRNAs can 

induce  transcriptional gene  silencing  in mammalian  cells  through DNA methylation, a process  that 

occurs in the nucleus, which is explained in more detail in the previous chapter.[41] Järve et al. further 

substantiate  our  observations  since  these  authors  also  mention  the  intranuclear  transport  of 

microinjected  siRNAs. Moreover,  nuclear  siRNA was  detected  following  liposomal  transfection  as 

well.[17] The  siRNA duplexes  that  reach  the nucleus are however quickly  (~hours)  relocated  to  the 

cytoplasm through the RanGTP/Exportin 5 pathway  [17,42], where they can  localize to cytoplasmic P‐

bodies.[33,39]  Many  uncertainties  on  the  intracellular  fate  of  siRNA  remain  to  exist  and  further 

underline the need for advanced methods to investigate them. On the other hand, one should keep 

in mind that the intracellular distribution of siRNAs will probably depend on how they are delivered 

to  the  cytosol.  It  is  indeed  possible  that  the  intranuclear  accumulation  of  siRNA  is  influenced  by 

microinjection or transfection procedures.[17] 

Intracellular  FFS  measurements  showed  substantial  degradation  of  the  single‐stranded  RNA.  In 

contrast, the FA/FD ratio as measured for dsRNA remained unchanged for up to 2 h, emphasizing the 

higher  intrinsic  stability  of  dsRNA  (Figure  2.9c).  Probably  the  low  dsRNase  activity  in  both  the 

cytoplasmic  and  nuclear  compartment,  as  compared  to  the  presence  of  single‐strand  specific 

nucleases,  explains  the  discrepancy  in  the  stability  of  ssRNA  and  dsRNA.  A  recent  article  on  the 

stability of native siRNAs in serum revealed that duplex siRNA is mainly degraded by enzymes of the 

(ss)RNase A  family.[43] Some of  these enzymes  can be  termed  single‐strand preferring,  rather  than 

single‐strand  specific, because  they  are  also  capable of degrading double‐stranded RNA,  although 

through  a  much  lesser  extent.  The  biochemical  mechanism  of  this  process  has  already  been 

described in the literature.[44] Inside living cells, there are numerous types of ribonucleases (exo‐ and 

endoribonucleases)  with  different  structures  and  catalytic  function.[45]  Because  of  the  high 

complexity  and  diversity  of  this  class  of  molecules,  it  is  difficult  to  predict  the  predominant 

ribonuclease  pathway  involved  in  the  intracellular  degradation  of  siRNA. Because  only  one  siRNA 

sequence was studied  in this chapter,  it  is not possible to draw any conclusions with regard to the 

sequence‐dependent degradation of siRNA. However, on the basis of the fact that different articles in 

literature  suggest  that  single‐stranded  siRNA  degrades  substantially  faster  than  a  siRNA 

duplex,[3,10,11,46] we  are  quite  confident  that  in  general  for  native  siRNAs  the  duplex  structure will 

78  

in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells | CHAPTER 2 

show a higher stability  in a biological environment compared to the stability of the single‐stranded 

counterpart. 

The observations  in Figure 2.9 also raise  the  interesting question of how RISC  incorporation of  the 

double‐labelled  siRNA  duplex  would  influence  the  observed  FA/FD  profile.  Assembly  of  the 

(unlabelled) guide strand into RISC, followed by unwinding of the duplex structure and release of the 

(double  labelled) passenger  strand, would  imply degradation of  the  latter.[47,48] As a  consequence, 

single  labelled RNA  fragments would emerge and cause a decrease  in  the FA/FD  ratio, which  is not 

observed here. As blocking of the 5’‐end of the antisense strand can abolish RNAi activity and a free 

terminal 5’‐phosphate is believed to be essential for RNAi activity,[42,49‐52] it is very unlikely that the 3’‐

5’ double labelled siRNA strand will act as guide strand. From this we eventually conclude that RISC 

activation does not occur under these experimental conditions, thereby also partially explaining the 

significant  nuclear  accumulation  as we  observed  in  our  confocal microscopy  experiments.  It  is  a 

possibility  that  the  relatively high  intracellular  siRNA  concentrations  can  lead  to  saturation of  the 

cellular compartments and the RNAi machinery, thereby masking the interaction of siRNA with RISC.  

It could be hypothesized  that  the  lower  stability of  ssRNA  is partially  responsible  for  less effective 

gene silencing activity of antisense siRNA compared to duplex siRNA.[3,46] It has been suggested that 

single‐stranded  antisense  siRNA  can  also  directly  enter  the  mammalian  RNAi  pathway  with 

subsequent  depletion  of  endogenous  gene  expression  [9,46,52]  but  still  the  duplex  siRNA  potency 

generally exceeds the single‐stranded RNAi activity. Also,  in most cases duplex siRNA shows a more 

persistent gene silencing than antisense DNA oligonucleotides  [1,2,12] which  is, according to Bertrand 

et al.,[53] primarily attributed to their difference in susceptibility for nuclease attack. 

The stability data we present here have been gathered  inside  living cells after microinjection of the 

siRNA molecules  in  the  cytosol.  Because  no  transfection  procedure was  applied,  the  intracellular 

environment to which the microinjected siRNAs are exposed resembles that of siRNAs released from 

a pharmaceutical nanocarrier (e.g. liposomes and polymeric nanoparticles) into the cytoplasm. As the 

applied delivery system, together with  incorporation of the antisense siRNA strand  into RISC, could 

provide extra protection of  the  siRNA against nuclease attack, especially  the  time  frame between 

release  from  its  carrier  and  interaction with RISC will be  crucial  for  the  siRNA  integrity  inside  the 

intracellular matrix.[46] Our  results  suggest  that  intracellular  degradation  is much more  critical  for 

ssRNA than for duplex siRNA. The observation that modified siRNA duplexes with enhanced nuclease 

resistance do not always show longer lasting RNAi effect [13] supports the hypothesis that intracellular 

stability  is not  the  key  issue  for effective application of  siRNA duplexes.  It  can be postulated  that 

upon  delivery  to  the  cytosol,  non‐modified  duplex  siRNA  is  able  to  induce  a  response  before 

significant  degradation  occurs.[13]  Bartlett  et  al.  provided  data  on  the  anti‐luciferase  activity  of 

79  

 CHAPTER 2 | in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells  

 

unmodified  and  nuclease‐stabilized  siRNA  duplexes  after  electroporation  and  observed  no 

differences  in the amplitude nor the duration of the gene silencing effect.[54] These results strongly 

suggest that once the siRNA duplexes reach the cell cytoplasm, nuclease degradation is absent or at 

least not the limiting factor. Hence, further research into functional in vivo delivery systems that can 

safely guide active siRNA to the cytosol of the target cell should be stimulated. 

ACKNOWLEDGMENT 

N.  Opitz  (Max  Planck  Institute  for  Molecular  Physiology,  Dortmund,  Germany)  is  thanked  with 

gratitude for the installation of the FFS‐module on the MRC‐1024.  

   

80  

in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells | CHAPTER 2 

REFERENCE LIST 

1.   Dorsett Y. and Tuschl T., siRNAs: applications in functional genomics and potential as therapeutics, Nat. Rev. Drug Discov. 2004, 3: 318‐329. 

2.   Dykxhoorn D.M.  and  Lieberman  J.,  The  silent  revolution: RNA  interference  as basic biology,  research tool, and therapeutic, Annu. Rev. Med. 2005, 56: 401‐423. 

3.   Elbashir S.M., Lendeckel W., and Tuschl T., RNA interference is mediated by 21‐and 22‐nucleotide RNAs, Genes & Development 2001, 15: 188‐200. 

4.   Zamore  P.D.,  Tuschl  T.,  Sharp  P.A.,  and  Bartel  D.P.,  RNAi:  Double‐stranded  RNA  directs  the  ATP‐dependent cleavage of mRNA at 21 to 23 nucleotide intervals, Cell 2000, 101: 25‐33. 

5.   Elbashir S.M., Harborth J., Lendeckel W., Yalcin A. et al., Duplexes of 21‐nucleotide RNAs mediate RNA interference in cultured mammalian cells, Nature 2001, 411: 494‐498. 

6.   Schiffelers R.M., Woodle M.C.,  and  Scaria P., Pharmaceutical prospects  for RNA  interference, Pharm. Res. 2004, 21: 1‐7. 

7.   Elmen J., Thonberg H., Ljungberg K., Frieden M. et al., Locked nucleic acid (LNA) mediated improvements in siRNA stability and functionality, Nucleic Acids Res. 2005, 33: 439‐447. 

8.   Urban‐Klein  B., Werth  S.,  Abuharbeid  S.,  Czubayko  F.  et  al.,  RNAi‐mediated  gene‐targeting  through systemic application of polyethylenimine (PEI)‐complexed siRNA in vivo, Gene Ther. 2005, 12: 461‐466. 

9.   Amarzguioui M., Holen T., Babaie E., and Prydz H., Tolerance for mutations and chemical modifications in a siRNA, Nucleic Acids Res. 2003, 31: 589‐595. 

10.   Braasch  D.A.,  Jensen  S.,  Liu  Y.,  Kaur  K.  et  al.,  RNA  interference  in mammalian  cells  by  chemically‐modified RNA, Biochemistry 2003, 42: 7967‐7975. 

11.   Chiu Y.L. and Rana T.M., siRNA  function  in RNAi: a chemical modification analysis, RNA 2003, 9: 1034‐1048. 

12.   Czauderna F., Fechtner M., Dames S., Aygun H. et al., Structural variations and stabilising modifications of synthetic siRNAs in mammalian cells, Nucleic Acids Res. 2003, 31: 2705‐2716. 

13.   Layzer  J.M., McCaffrey A.P., Tanner A.K., Huang Z. et al.,  In vivo activity of nuclease‐resistant  siRNAs, RNA‐A Publication of the Rna Society 2004, 10: 766‐771. 

14.   Volkov  A.A.,  Kruglova  N.S.,  Meschaninova  M.I.,  Venyaminova  A.G.  et  al.,  Selective  protection  of nuclease‐sensitive sites in siRNA prolongs silencing effect, Oligonucleotides. 2009, 19: 191‐202. 

15.   Mantei A., Rutz S., Janke M., Kirchhoff D. et al., siRNA stabilization prolongs gene knockdown in primary T lymphocytes, Eur. J. Immunol. 2008, 38: 2616‐2625. 

16.   Remaut K., Lucas B., Braeckmans K., Sanders N.N. et al., Protection of oligonucleotides against nucleases by  pegylated  and  non‐pegylated  liposomes  as  studied  by  fluorescence  correlation  spectroscopy,  J. Control Release 2005, 110: 212‐226. 

17.   Jarve A., Muller J., Kim I.H., Rohr K. et al., Surveillance of siRNA integrity by FRET imaging, Nucleic Acids Res. 2007, 35: e124. 

18.   De Smedt S.C., Remaut K., Lucas B., Braeckmans K. et al., Studying biophysical barriers to DNA delivery by advanced light microscopy, Adv. Drug Deliv. Rev. 2005, 57: 191‐210. 

19.   Schwille P., Meyer‐Almes F.J., and Rigler R., Dual‐color  fluorescence cross‐correlation spectroscopy  for multicomponent diffusional analysis in solution, Biophys. J. 1997, 72: 1878‐1886. 

20.   Remaut K., Lucas B., Braeckmans K., Sanders N.N. et al., FRET‐FCS as a tool to evaluate the stability of oligonucleotide drugs after intracellular delivery, J. Control Release 2005, 103: 259‐271. 

21.   Elson  E.S.  and  Magde  D.,  Fluorescence  correlation  spectroscopy:  I.  Conceptual  basis  and  theory, Biopolymers 1974, 13: 1‐27. 

22.   Fluorescence Correlation Spectroscopy: Theory and Applications (2001) (Rigler, R. and Elson, E.L., eds.), Springer‐Verlag Berlin‐Heidelberg, Germany. 

23.   Clegg  R.M.,  Fluorescence  resonance  energy  transfer  and  nucleic  acids, Methods  Enzymol.  1992,  211: 353‐388. 

24.   Selvin P.R., The renaissance of fluorescence resonance energy transfer, Nature Structural Biology 2000, 7: 730‐734. 

25.   Leonetti J.P., Mechti N., Degols G., Gagnor C. et al., Intracellular‐Distribution of Microinjected Antisense Oligonucleotides, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 1991, 88: 2702‐2706. 

26.   Lorenz P., Misteli T., Baker B.F., Bennett C.F. et al., Nucleocytoplasmic shuttling: a novel in vivo property of antisense phosphorothioate oligodeoxynucleotides, Nucleic Acids Research 2000, 28: 582‐592. 

81  

 CHAPTER 2 | in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells  

 

27.   Uhler  S.A.,  Cai D., Man  Y.,  Figge  C.  et  al.,  RNA  degradation  in  cell  extracts:  real‐time monitoring  by fluorescence resonance energy transfer, J. AM. CHEM. SOC. 2003, 125: 14230‐14231. 

28.   Vitiello  D.,  Pecchia  D.B.,  and  Burke  J.M.,  Intracellular  ribozyme‐catalyzed  trans‐cleavage  of  RNA monitored by fluorescence resonance energy transfer, RNA 2000, 6: 628‐637. 

29.   Uchiyama H., Hirano K., Kashiwasake‐Jibu M., and Taira K., Detection of undegraded oligonucleotides in vivo  by  fluorescence  resonance  energy  transfer. Nuclease  activities  in  living  sea  urchin  eggs,  J.  Biol. Chem. 1996, 271: 380‐384. 

30.   Srinivasan C., Siddiqui S., Silbart L.K., Papadimitrakopoulos F. et al., Dual fluorescent labeling method to visualize plasmid DNA degradation, Bioconjug. Chem. 2009, 20: 163‐169. 

31.   Modi S., M G S, Goswami D., Gupta G.D. et al., A DNA nanomachine that maps spatial and temporal pH changes inside living cells, Nat. Nanotechnol. 2009, 4: 325‐330. 

32.   Chiu Y.L., Dinesh C.U., Chu C.Y., Ali A. et al., Dissecting RNA‐interference pathway with small molecules, Chem. Biol. 2005, 12: 643‐648. 

33.   Jagannath  A.  and Wood M.J.,  Localization  of  double‐stranded  small  interfering  RNA  to  cytoplasmic processing bodies is Ago2 dependent and results in up‐regulation of GW182 and Argonaute‐2, Mol. Biol. Cell 2009, 20: 521‐529. 

34.   Meseth U., Wohland T., Rigler R., and Vogel H., Resolution of  fluorescence correlation measurements, Biophys. J. 1999, 76: 1619‐1631. 

35.   Remaut K.,  Lucas B., Raemdonck K., Braeckmans K. et al., Can we better understand  the  intracellular behavior of DNA nanoparticles by fluorescence correlation spectroscopy?, J. Control Release 2007, 121: 49‐63. 

36.   Schwille  P.,  Fluorescence  correlation  spectroscopy  and  its  potential  for  intracellular  applications,  Cell Biochem. Biophys. 2001, 34: 383‐408. 

37.   Brock  R., Hink M.A.,  and  Jovin  T.M.,  Fluorescence  correlation microscopy  of  cells  in  the  presence  of autofluorescence, Biophys. J. 1998, 75: 2547‐2557. 

38.   Zeng Y. and Cullen B.R., RNA  interference  in human cells  is restricted  to  the cytoplasm, RNA. 2002, 8: 855‐860. 

39.   Chiu  Y.L., Ali A.,  Chu C.Y.,  Cao H.  et  al., Visualizing  a  correlation  between  siRNA  localization,  cellular uptake, and RNAi in living cells, Chem. Biol. 2004, 11: 1165‐1175. 

40.   Robb G.B., Brown K.M., Khurana  J., and Rana T.M., Specific and potent RNAi  in  the nucleus of human cells, Nat. Struct. Mol. Biol. 2005, 12: 133‐137. 

41.   Matzke M.A. and Birchler J.A., RNAi‐mediated pathways in the nucleus, Nature Reviews Genetics 2005, 6: 24‐35. 

42.   Ohrt T., Merkle D., Birkenfeld K., Echeverri C.J. et al.,  In situ fluorescence analysis demonstrates active siRNA exclusion from the nucleus by Exportin 5, Nucleic Acids Research 2006, 34: 1369‐1380. 

43.   Haupenthal J., Baehr C., Kiermayer S., Zeuzem S. et al.,  Inhibition of RNAse A family enzymes prevents degradation and loss of silencing activity of siRNAs in serum, Biochemical Pharmacology 2006, 71: 702‐710. 

44.   Sorrentino S., Naddeo M., Russo A., and D'Alessio G., Degradation of double‐stranded RNA by human pancreatic  ribonuclease: Crucial  role of noncatalytic basic amino acid  residues, Biochemistry 2003, 42: 10182‐10190. 

45.   Deutscher M.P. and Li Z.W., Exoribonucleases and their multiple roles in RNA metabolism, Prog. Nucleic Acid Res. Mol. Biol. 2001, 67‐105. 

46.   Holen T., Amarzguioui M., Babaie E., and Prydz H., Similar behaviour of single‐strand and double‐strand siRNAs suggests they act through a common RNAi pathway, Nucleic Acids Res. 2003, 31: 2401‐2407. 

47.   Leuschner P.J.F., Ameres S.L., Kueng S., and Martinez J., Cleavage of the siRNA passenger strand during RISC assembly in human cells, EMBO Reports 2006, 7: 314‐320. 

48.   Schwarz  D.S.,  Hutvagner  G.,  Du  T.,  Xu  Z.S.  et  al.,  Asymmetry  in  the  assembly  of  the  RNAi  enzyme complex, Cell 2003, 115: 199‐208. 

49.   Nykanen A., Haley B., and Zamore P.D., ATP requirements and small interfering RNA structure in the RNA interference pathway, Cell 2001, 107: 309‐321. 

50.   Harborth  J.,  Elbashir  S.M.,  Vandenburgh  K., Manninga  H.  et  al.,  Sequence,  chemical,  and  structural variation of small interfering RNAs and short hairpin RNAs and the effect on mammalian gene silencing, Antisense & Nucleic Acid Drug Development 2003, 13: 83‐105. 

51.   Chiu Y.L. and Rana T.M., RNAi in human cells: Basic structural and functional features of small interfering RNA, Molecular Cell 2002, 10: 549‐561. 

82  

in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells | CHAPTER 2 

52.   Martinez  J.,  Patkaniowska  A., Urlaub  H.,  Luhrmann  R.  et  al.,  Single‐stranded  antisense  siRNAs  guide target RNA cleavage in RNAi, Cell 2002, 110: 563‐574. 

53.   Bertrand  J.R.,  Pottier M.,  Vekris  A.,  Opolon  P.  et  al.,  Comparison  of  antisense  oligonucleotides  and siRNAs  in  cell  culture  and  in  vivo,  Biochemical  and  Biophysical  Research  Communications  2002,  296: 1000‐1004. 

54.   Bartlett D.W. and Davis M.E., Effect of  siRNA nuclease  stability on  the  in vitro and  in vivo kinetics of siRNA‐mediated gene silencing, Biotechnol. Bioeng. 2007, 97: 909‐921. 

  

83  

 CHAPTER 2 | in situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells  

 

84  

 

dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA | CHAPTER 3 

 CHAPTER 3 | Dextran microgels for time‐

controlled delivery of siRNA     

Parts of this chapter are published: 

 

Koen Raemdonck1, Tinneke G. Van Thienen1, Roosmarijn E. Vandenbroucke1, Niek N. Sanders1,2, 

Joseph Demeester1 and Stefaan C. De Smedt1, Advanced Functional Materials 2008, 18: 993‐1001. 

 

1Laboratory of General Biochemistry and Physical Pharmacy, Department of Pharmaceutics, Faculty of Pharmaceutical 

Sciences, Ghent University, Harelbekestraat 72, B‐9000 Ghent, Belgium. 

2Laboratory of Gene Therapy, Department of Nutrition, Genetics and Ethology, Faculty of Veterinary Medicine, Ghent 

University, Heidestraat 19, B‐9820 Merelbeke, Belgium. 

85  

CHAPTER 3 | dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA 

 

86  

ABSTRACT 

To apply siRNA as a therapeutic agent, appropriate attention should be paid to the optimization of 

the  siRNA  gene  silencing  effect,  both  in  terms  of  magnitude  and  duration.  Intracellular  time‐

controlled  siRNA  delivery  could  aid  in  tailoring  the  kinetics  of  siRNA  gene  knockdown. However, 

materials  with  easily  tunable  siRNA  release  properties  have  not  been  subjected  to  thorough 

investigation  thus  far. This report describes cationic biodegradable dextran microgels which can be 

loaded  with  siRNA  posterior  to  gel  formation.  Even  though  the  siRNAs  are  incorporated  in  the 

hydrogel network based on electrostatic  interaction, still a time‐controlled release can be achieved 

by varying the initial network density of the microgels. To demonstrate the biological functionality of 

the  siRNA  loaded  gels,  we  studied  their  cellular  internalization  and  enhanced  green  fluorescent 

protein (EGFP) gene silencing potential in Huh‐7 human hepatoma cells. 

dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA | CHAPTER 3 

 

3 OVERVIEW CHAPTER CONTENTS 

Chapter 3 provides: 

• details  on  the  formulation  of  biodegradable  dextran  hydrogel  particles  based  on 

methacrylate functionalized dextran 

• information  on  the  applicability  of  dextran microgels  for  siRNA  encapsulation  and  siRNA 

release in a degradation‐controlled manner 

• a  first  indication  that siRNA  loaded dextran hydrogel particles show promise  towards gene 

silencing via the process of RNAi 

Key terms: 

Microgel – dextran – cationic – siRNA – controlled release – biodegradation – EGFP 

 

INTRODUCTION 

Since its discovery in C. elegans [1] and the confirmation of its applicability in mammalian cells,[2] RNA 

interference  (RNAi) has become  the method of choice to suppress gene expression  for therapeutic 

intervention.[3]  RNAi  comprises  a  complex,  evolutionary  conserved  pathway,  where  ~21  bp  RNA 

duplexes (termed small interfering RNAs or siRNAs) function as the effector molecules for sequence 

specific downregulation of gene expression.[4] Although siRNAs are considered to be more powerful 

when  compared  to  antisense  oligonucleotides,[2,5]  the  same  barriers  exist  for  successful  in  vivo 

application.[6,7]    Indeed, small  interfering RNAs have already demonstrated their  in vivo potential as 

therapeutic agents,[8] but there still is a great need for efficient delivery vehicles that can safely guide 

their  siRNA  payload  to  the  desired  target  tissue.[3,4,7]  Recent  reviews  critically  discuss  therapeutic  

siRNA  delivery, which  is  still  regarded  as  the main  obstacle  towards  clinical  application  of  siRNA. 

87  

CHAPTER 3 | dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA 

 

Several strategies for in vivo siRNA delivery have already been proposed, including the application of 

siRNA  bioconjugates  or  the  incorporation  of  siRNA  into  multifunctional  polymeric  and  lipidic 

nanodevices, which are also briefly discussed in chapter 1.[4,7‐11] 

To apply siRNA as a therapeutic, both the intensity and duration of the gene silencing effect will have 

to  be  controlled  and  optimized  according  to  the  selected  disease  target.  The  kinetics  of  gene 

silencing by  (unmodified and nuclease stabilized) siRNAs has been recently described  in both an  in 

vitro and an  in vivo experimental setting by Bartlett et al..  [12,13]  In  fast dividing cells,  the  transient 

gene silencing  is mainly due  to  the  intracellular dilution of siRNA and activated RISC  (RNA  Induced 

Silencing  Complex)  upon  cell  division,[12]  while  the  intracellular  siRNA  stability  has  little  or  no 

influence on the magnitude and duration of the gene knockdown effect once the siRNA has reached 

the cytosol.[13] 

We anticipate that an intracellular time‐controlled release of siRNA could be an interesting approach 

to maintain the cytosolic siRNA concentration above a critical threshold for a longer period of time. 

The  packaging  of  siRNA  in  carriers  that  shield  the  siRNA  from  its  direct  environment  and  slowly 

releases  it  into  the  cytosol  could  be  advantageous  to  prolong  their  silencing  effect.  Moreover, 

adverse effects originating from saturation of the RNAi pathway or unwanted immune activation may 

be minimized when obtaining better control over the  intracellular siRNA concentrations. To achieve 

such goals it is evident that carriers with ‘flexible’ siRNA release properties are needed. However, the 

literature  to  date  contains  only  few  reports  on  carriers  which  should  be  able  to  deliver  siRNA 

intracellularly in a time‐controlled manner.[14] Several papers describe the cytosolic release of siRNA 

based  on  an  intracellular  trigger,[15‐17]  but  detailed  studies  on  intracellular  time‐controlled  siRNA 

delivery based on the characteristics of the siRNA carrier are not yet available at present.  

The  siRNA  carrier  that  is  envisioned  in  the  present  chapter  is  hydrogel  based.  Hydrogels  can  be 

defined as three‐dimensional, hydrophilic matrices that are able to retain large amounts of water or 

biological fluid.[18] In general, as a consequence of this specific feature, hydrogels can be regarded as 

biocompatible  and  are  therefore  suitable  for  a  wide  range  of  pharmaceutical  and  biomedical 

applications.[19]  In particular, hydrogels offer excellent opportunities  for development of controlled 

drug delivery devices for different types of drugs.[18‐21] Our research  is particularly directed towards 

biodegradable hydrogels  for controlled nucleic acid delivery.  In this application, the ability  to tailor 

the drug release time depending on the physicochemical properties of the hydrogel matrix will be the 

main focus. 

This chapter reports on the preparation of siRNA loaded (bio)degradable microgels based on dextran. 

Dextran  is one the most promising polysaccharides, produced either chemically or by bacteria from 

88  

dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA | CHAPTER 3 

sucrose, for the preparation of hydrogels for controlled drug delivery purposes.[20,22] Bacterial dextran 

mainly  consists  of  linear  α‐1,6‐linked  glucopyranose  units,  with  some  degree  of  1,3‐branching. 

Several coupling  reactions have already been described  for  the modification of  the numerous OH‐

groups present along the dextran chain.[22]  

We especially wished to know whether the composition of the dextran gel network allows controlling 

the release kinetics of the  loaded siRNA. We also describe the collection of smaller sized microgels 

with the aim to conduct a series of preliminary cell culture experiments.   We verified their cellular 

uptake  in a human hepatoma cell line (Huh‐7)  with confocal microscopy. Finally, the gene silencing 

potential of these microgels, loaded with siRNA targeted against enhanced green fluorescent protein 

(EGFP) is demonstrated in Huh‐7 cells that stably express the EGFP gene (Huh‐7_EGFP cells). 

EXPERIMENTAL SECTION 

siRNA oligonucleotides.  

Twenty‐one  nucleotide  siRNA  duplexes,  targeted  against  enhanced  green  fluorescent  protein 

(siEGFP),  were  purchased  from  Dharmacon  (Lafayette,  CO).  siCONTROL  is  a  negative  control 

sequence,  synthesized  by  Eurogentec  (Seraing,  Belgium),  which  does  not  match  to  any  known 

sequence  in  the  human  genome.  siRNA  batches  were  diluted  in  RNase  free  water  to  a  final 

concentration of 20‐50 µM and stored at ‐85°C. For fluorescence experiments, a siCONTROL duplex 

5’‐labeled  (sense  strand) with  atto488  or  atto647  dye was  used.  Fluorescent modifications were 

done by Eurogentec. 

Synthesis of dex‐HEMA and dex‐MA.  

Dextran  hydroxyethyl methacrylate  (dex‐HEMA;  Figure  3.1a)  and  dextran methacrylate  (dex‐MA; 

Figure  3.1a)  were  prepared  and  characterized  according  to  a  method  described  previously.[23] 

Dextran with a number average molecular weight of 19 kDa was used. The degree of  substitution 

(DS,  i.e.  the  number  of  HEMA  (or MA)  groups  per  100  glucopyranose  residues  of  dextran)  was 

determined by proton nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H NMR) in D2O with a Gemini 300 

spectrometer (Varian). As reported before, the carbonate ester in dex‐HEMA (Figure 3.1a) hydrolyzes 

at 37°C, pH 7.4 (further referred to as physiological conditions).  

 

89  

CHAPTER 3 | dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA 

 

Preparation of dextran microgels.  

To prepare dex‐HEMA and dex‐MA microgels, an emulsion photopolymerization method  in mineral 

oil  was  applied.  A  dex‐HEMA  (or  dex‐MA)  solution  (20%  w/w)  with  ~0.1%  (w/v)  photoinitiator 

(irgacure 2959, Ciba Specialty Chemicals) was briefly flushed with N2 and subsequently emulsified in 

mineral  oil  (Sigma)  supplemented  with  10%  (v/v)  of  surfactant  (ABIL  EM  90,  Goldschmidt)  by 

vortexing (2 min). To obtain cationic microgels, 2‐(dimethylamino)ethyl methacrylate (DMAEMA, pKa 

8.4, Figure 3.1) was added to the dex‐HEMA  (or dex‐MA) solution. Within 60 s after emulsification, 

the emulsion droplets were polymerized by UV  irradiation  (450 s) at room  temperature  (Bluepoint 

2.1 UV  source, Dr. Hönle UV  technology).  Subsequently,  the  continuous  oil  phase was  diluted  in 

hexane (HPLC grade), followed by short centrifugation (525 g, 5 min) to collect the dextran microgels. 

The supernatant was discarded and the washing step was repeated three consecutive times with an 

excess of hexane before  redispersing  the dextran microgels  in 20 mM N‐2‐hydroxyethylpiperazine‐

N’‐2‐ethanesulfonic acid (HEPES) buffer (adjusted to pH 7.4 with 1 N NaOH) or in RNase free water. 

Remaining  hexane  was  removed  by  vacuum  evaporation.  Contrary  to  dex‐HEMA  hydrogels, 

hydrogels prepared from dex‐MA  are  essentially non‐degradable at physiological pH as they lack the 

presence of a labile carbonate ester bond.[24,25] 

Penetration of siRNA into dextran microgels.  

Neutral  and  cationic  dextran  microgels  were  prepared  as  described  above.  Intact  dex‐HEMA 

microgels were  immersed  in a 2 µM solution of atto488‐siRNA  (24 h at 4°C) or a 5 µM solution of 

carboxyfluorescein (CaF) (10 min at room temperature) and subsequently confocal micrographs were 

taken. Confocal time  lapse microscopy (1 frame/25 s) was applied to visualize siRNA penetration  in 

degrading neutral dextran microgels,  following  addition of  1 µL of NaOH  (0.05 M)  to  5 µL of  the 

siRNA‐microgel dispersion. Non‐degradable dex‐MA microgels were used as a control. To investigate 

the  interaction of siRNA with cationic gels, dex‐HEMA‐co‐DMAEMA microgels were  incubated with 

increasing atto488‐siRNA concentrations and subsequently visualized with confocal microscopy. 

siRNA release measurements from cationic dextran microgels.  

The dextran microgels used in the siRNA release experiments were prepared as described below, this 

time using  a water‐in‐water  emulsion method based on  the  immiscibility  of  aqueous  solutions of 

dextran  and  PEG.  Briefly,  0.025  g  dex‐HEMA  (or  dex‐MA),  0.012  g  dextran  (19  kDa)  and  25  µL 

DMAEMA were dissolved  in 2.167 mL RNase  free water and emulsified  in 2.7 mL of a 30%  (w/w) 

aqueous polyethyleneglycol (PEG; 20 kDa) solution by vortexing (2 min).  

90  

dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA | CHAPTER 3 

 

 

FIGURE 3.1 | (a) Chemical structures of dextran hydroxyethyl methacrylate (dex‐HEMA), dextran methacrylate (dex‐MA) and 2‐(dimethylamino)ethyl methacrylate (DMAEMA). (b) Radical polymerization of dex‐HEMA yields a 3D hydrogel network. Other methacrylate monomers (e.g. DMAEMA) can be copolymerized with dex‐HEMA and  in  this way  cationic  charges  can  be  incorporated.  Dex‐HEMA  hydrogels  are  biodegradable  due  to  the hydrolysis  of  carbonate  esters  (indicated  by  the  arrows)  at  physiological  conditions.  Contrary  to  dex‐HEMA hydrogels, dex‐MA hydrogels are essentially non‐degradable under physiological conditions since they lack the presence of this labile ester bond. 

91  

CHAPTER 3 | dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA 

 

Radical polymerization of the dextran/dex‐HEMA (or dextran/dex‐MA) droplets was initiated by 100 

µL of a 20% (v/v) N,N,N’,N’‐tetramethylethylenediamine (TEMED) solution (neutralized with 2N HCl) 

and  180  µL  potassium  peroxodisulphate  (KPS,  50  mg  mL‐1).  The  reaction  mixture  was  left  to 

polymerize at room temperature for at  least 30 minutes. Microgels of  lower crosslink density were 

obtained  by  decreasing  the  amount  of  polymerizable  dextran while  keeping  the  total  amount  of 

dextran constant  (0.0185 g dex‐HEMA  (or dex‐MA) + 0.0185 g dextran). To remove remaining KPS, 

TEMED, PEG and unpolymerized DMAEMA, the microgels were washed three times with RNase free 

water, collected through centrifugation (750 g, 5 min) and finally redispersed  in 5 mL HEPES buffer. 

To load the microgels with siRNA, a 0.9 mL aliquot of the microgel dispersion was incubated with 100 

µL  siRNA  (50  µM)  during  30 min  at  room  temperature  in  non‐stick  RNase  free  2 mL  eppendorfs 

(Ambion). Subsequently, the samples were kept at 37°C under continuous shaking. At defined time 

points,  the microgels were pelleted down by  centrifugation  (750g, 5 min). A 50 µL  aliquot of  the 

supernatant was then withdrawn and replaced by 50 µL fresh HEPES buffer. The siRNA concentration 

in  each  aliquot  was  quantified  by  measuring  the  absorbance  at  260  nm  (Nanodrop  ND1000 

Spectrophotometer) or with the Quant‐it™ Ribogreen® assay (Molecular Probes). It was verified that 

the  absorbance  and  fluorescence  values  lied  within  the  linear  range  of  detection.  The  siRNA 

concentration measured when the microgels were completely degraded (as verified through optical 

microscopy) was set to 100% in the release graphs. 

Collection of smaller sized microgels.  

Microgels  were  prepared  as  described  in  the  previous  paragraph.  After  polymerization  of  the 

microgels, the dispersion  (~5 mL) was diluted 1:3 with RNase free water and centrifuged during 30 

min at 1000 g. The supernatant was collected and smaller sized microgels were obtained through a 

second centrifugation (12000 g, 10 min). The microgels were washed three times with an excess of 

RNase free water to remove any impurities and finally redispersed in 667 µL of HEPES buffer. The size 

distribution of  the microgels was measured by  fluorescence microscopy. Therefore,  fluorescein O‐

methacrylate (Sigma) was copolymerized in the microgels. Fluorescence images at 488 nm excitation 

were  recorded  with  a  SPOT  Insight  CCD  camera  (Diagnostic  Instruments,  Sterling  Heigths,  MI) 

attached  to  a  Nikon  TE300  inverted  epi‐fluorescence  microscope  with  a  Nikon  Plan  Fluor  20x 

objective  lens. To perform accurate  size measurements,  the optical  system was  calibrated using a 

stage grid consisting of 10 µm by 10 µm squares (Edmund Optics, York, UK). The fluorescence images 

were analyzed with custom built software to obtain size distributions of the microgels. 

 

92  

dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA | CHAPTER 3 

Scanning electron microscopy (SEM).  

Scanning electron microscopy was carried out using a Quanta 200F FEG (Field Emission Gun) SEM (FEI 

company) operating in High VacMode at an accelerating voltage of 25 kV. For sample preparation, a 

drop of  the microgel dispersion was dried under  low vacuum on a silica wafer and sputtered with 

gold/palladium before visualization. 

Atomic Force Microscopy (AFM).  

Atomic  Force  Microscopy  images  in  air  were  acquired  using  a  PicoPlus  instrument  (Molecular 

Imaging)  in  tapping mode  at  room  temperature.  For  sample  preparation,  a  drop  of  the microgel 

dispersion was left to dry overnight on a silica wafer. Height images were flattened for visualization 

using WSxM scanning probe microscopy software (Nanotec Electronica). 

Confocal Laser Scanning Microscopy.  

Confocal  micrographs  of  the  dex‐HEMA  and  dex‐HEMA‐co‐DMAEMA  microgels  incubated  with 

atto488‐siRNA were taken using a Nikon EZC1‐si confocal scanning module  installed on a motorized 

Nikon TE2000‐E inverted microscope (Nikon Benelux, Brussels, Belgium), equipped with an Argon ion 

laser  (488  nm)  and  a  60x water‐immersion  objective  lens  (Plan Apo  60x,  numerical  aperture  1.2, 

collar rim correction, Nikon). 

Cellular uptake of dextran microgels in Huh‐7 cells.  

The human hepatoma cell line Huh‐7 was cultured (37°C, 5% CO2) in DMEM:F12, supplemented with 

2  mM  glutamine,  10%  heat‐inactivated  Fetal  Bovine  Serum  (FBS)  and  100  U  mL‐1  penicillin‐

streptomycin. Huh‐7 cells were seeded in sterile glass‐bottomed culture dishes (MatTek Corporation, 

Ashland, MA) at a density of 3 x 104 cells per cm2 and allowed  to attach overnight. The cells were 

incubated  (37°C,  5%  CO2)  with  50  µL  of  a  dex‐HEMA‐co‐DMAEMA microgel  dispersion  (18.5 mg 

dextran,  DS  2.5),  loaded with  atto647‐siRNA,  in  a  total  volume  of  250  µL  OptiMEM  (Invitrogen, 

Merelbeke, Belgium) during 20 h (37°C). Subsequently, cells were washed with Phosphate Buffered 

Saline  (PBS)  and  prewarmed  culture  medium  was  added.  The  intracellular  distribution  of  the 

microgels was visualized with a confocal microscope  (see previous section). For  lysosomal staining, 

cells were  incubated  for 15 min with 1:104 diluted Lysotracker Green®  (Molecular Probes) prior  to 

image recording.  Images were captured with a Nikon Plan Apochromat 60x oil  immersion objective 

(numerical  aperture  1.4)  using  a  488  nm  and  639  nm  laser  line  for  the  excitation  of  Lysotracker 

Green® and atto647‐siRNA respectively. 

93  

CHAPTER 3 | dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA 

 

EGFP silencing in Huh‐7_EGFP cells by siRNA loaded dextran microgels.  

Huh‐7_EGFP cells stably expressing EGFP were generated by transfecting Huh‐7 cells with the pEGFP‐

N2 plasmid  (Clontech, Palo Alto, USA). The pDNA was  linearized using  the  restriction enzyme XbaI 

and  transfected by complexation with  linear polyethylenimine  (PEI) 22 kDa. Transfected cells were 

incubated in fresh medium for 48 h and then selected with 400 µg mL‐1 G418 (geneticine, Invitrogen). 

After  two weeks,  clones were  isolated  and  expanded.  Subsequently,  the  generated  clones were 

analyzed by CLSM and a 100% EGFP positive clone was selected. Huh‐7_EGFP cells and Huh‐7 cells 

were cultured under identical conditions. To assess the EGFP gene silencing potential of siRNA loaded 

dextran microgels, Huh‐7_EGFP cells were seeded at a density of 3 x 104 cells per cm2 in Lab‐Tek™ II 

chambered  coverglasses  (Nalge Nunc  International,  Rochester, NY).  Two  days  after  seeding,  cells 

were washed with PBS and 30 µL dex‐HEMA‐co‐DMAEMA microgel dispersion  (18.5 mg dex‐HEMA, 

DS 2.5), loaded with 0.2 nmol siEGFP or siCONTROL, was added per well in a total volume of 400 µL 

OptiMEM. After 20 h incubation (37°C, 5% CO2), the transfection medium was removed and replaced 

with  complete  cell  culture  medium.  Cells  were  left  to  grow  to  100%  confluence  (~48  h). 

Subsequently,  the  cells were  trypsinized  and  replated  (1:3  diluted  in  culture medium)  in  a  glass‐

bottomed 96‐well plate (Greiner Bio‐One). Huh‐7_EGFP cells were visualized 8 days after transfection 

with confocal microscopy using a Nikon Plan Fluor 20x objective  (numerical aperture 0.5). The 488 

nm laser line was selected for EGFP excitation. 

RESULTS AND DISCUSSION 

Interaction of siRNA with neutral dextran microgels 

Dextran  microgels  were  prepared  by  emulsion  photopolymerization  of  dextran  hydroxyethyl 

methacrylate  (dex‐HEMA,  Figure  3.1a)  in mineral  oil.  In  this  way,  a microscopic  gel  network  is 

obtained,  consisting  of  dextran  polymer  chains  coupled  by  inter‐  and  intramolecular 

oligomethacrylate  crosslinks.[23,25] First, we aimed  to  investigate  to which extent  siRNA  can diffuse 

into  intact  neutral  dextran  hydrogel  networks  with  variable  crosslinking  density.  The  microgel 

crosslink density can be altered by varying the concentration of methacrylated dextran or by using 

dex‐HEMA with  a  different  degree  of  substitution  (DS,  i.e.  the  number  of HEMA  groups  per  100 

glucopyranose  residues of dextran).  In  the  following  experiment, dex‐HEMA microgels  (20% w/w) 

were prepared with different DS values. The microgels were incubated with green fluorescent siRNA 

(atto488‐siRNA) during 24 h at 4°C  (to avoid excessive hydrolysis of  the carbonate esters) and  the 

samples were analyzed by confocal microscopy. As shown in the left and middle image of Figure 3.2, 

94  

dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA | CHAPTER 3 

siRNA  did  not  significantly  penetrate  into  loosely  crosslinked  dex‐HEMA  microgels  (DS  3.2).  In 

contrast, as illustrated in Figure 3.2 (right image), carboxyfluorescein (CaF) immediately diffused into 

the network of even highly crosslinked  (DS 21) dex‐HEMA microgels. These results suggest  (a)  that 

siRNA molecules  do  not  show  any  affinity  for  neutral  dex‐HEMA  networks  and  (b)  that  they  are 

sterically excluded from intact neutral dex‐HEMA microgels. 

 

FIGURE 3.2 | Confocal  images of dex‐HEMA microgels  (DS 3.2 and DS 21, 20% w/w)  immersed  in an atto488‐siRNA  solution  (left, middle)  and dex‐HEMA microgels  (DS 21, 20% w/w)  incubated  in  a  carboxyfluorescein solution (CaF, right). Scale bar = 20 µm. 

In  a  next  approach  we  investigated  whether  siRNA  penetrates  into  degrading  neutral  dextran 

hydrogel  networks.  As  reported  before,  dex‐HEMA  networks  are  biodegradable  by  virtue  of  the 

carbonate  esters  that  link  the  polymerized methacrylate  groups  to  the  dextran  backbone  (Figure 

3.1b).   Hydrolysis of these ester  linkages occurs under physiological conditions (37°C, HEPES buffer, 

pH  7.4),  thereby  yielding  both  the  original  dextran  chains  and  HEMA  oligomers.[23‐25]  Figure  3.3a 

shows confocal images of degrading dex‐HEMA microgels immersed in an atto488‐siRNA solution. To 

accelerate  the  hydrolysis  of  the  crosslinks,  the  experiment  was  conducted  at  alkaline  pH.  As  a 

function of time we observed a clear swelling of the microgels due to degradation of the gel network. 

When a fraction of the carbonate esters is broken, the distance between two consecutive crosslinks 

increases, resulting in a larger pore size and higher water influx.[25,26] After 175 s, fluorescence started 

to appear  in  the microgel core,  indicating  the  infiltration of siRNA. As a control,  the experiment  in 

Figure 3.3a was  repeated with non‐degradable dex‐MA microgels of  comparable  crosslink density. 

Note that in contrast to dex‐HEMA, dex‐MA hydrogels do not degrade under physiological conditions 

as  the  methacrylate  ester  in  the  crosslinks  is  hydrolytically  stable  under  the  experimental 

conditions.[23‐25] As expected,  the dex‐MA microgels did not swell and did not show any  significant 

siRNA  penetration  (Figure  3.3b).  All  together,  Figures  3.3a  and  3.3b  support  the  conclusion  that 

degradation of  the dex‐HEMA  crosslinks  sufficiently enlarges  the network pores  in dex‐HEMA gels 

95  

CHAPTER 3 | dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA 

 

thereby  lifting  sterical hindrance and allowing  the diffusion of  siRNA molecules.  Importantly,  from 

these experiments we may assume that if siRNA molecules would be incorporated inside intact dex‐

HEMA microgels during microgel  formation,  initially they would remain physically entrapped  in the 

dextran network and subsequently released upon network degradation.  

 

FIGURE  3.3  |  (a) Confocal  snapshots of  a degrading dex‐HEMA microgel  (DS 8.9, 20% w/w) dispersed  in  an atto488‐siRNA  solution  at  ambient  temperature.  Scale  bar  =  10  µm.  (b)  Confocal  snapshots  of  a  (non‐degradable)  dex‐MA  microgel  (DS  9.0,  20%  w/w)  dispersed  in  an  atto488‐siRNA  solution  at  ambient temperature. Scale bar = 5 µm. 

96  

dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA | CHAPTER 3 

In  the  experiments  described  above,  the  dextran  microgels  were  prepared  by  emulsion 

polymerization  in mineral oil. As siRNA  is not soluble  in the continuous phase we anticipate a high 

loading efficiency when the siRNA  is added to the dextran phase, prior to emulsification. However, 

this preparation protocol  implies that the siRNA molecules would be brought  into contact with free 

radicals and UV light during the photopolymerization step. To avoid this, we sought for an alternative 

preparation  protocol which  allows  (a)  high  siRNA  loading  of  the  dextran microgels  and  (b)  siRNA 

loading of the microgels after their preparation.  

Penetration of siRNA into cationic dextran microgels 

Cationic  microgels  were  prepared  by  copolymerization  of  2‐(dimethylamino)ethyl  methacrylate 

(DMAEMA,  Figure  3.1a,  pKa  8.4) with  dex‐HEMA  or  dex‐MA.[27,28]  The  incorporation  of  positively 

charged  groups  in  the  microgel  network  was  verified  by  measuring  the  zeta‐potential  of  the 

microgels,  which  was  indeed  positive  (~20‐30  mV)  when  DMAEMA  was  added  during  microgel 

preparation.  

Figure 3.4 shows confocal fluorescence  images of cationic dextran microgels which were  incubated 

with  increasing amounts of atto488‐siRNA. When the microgels were  incubated with a  low amount 

of  siRNA  (Figure 3.4a), a bright  fluorescent  ring was observed,  suggesting  the  selective binding of 

negatively  charged  siRNAs  to  the  cationic  DMAEMA  groups  near  the  surface  of  the  microgels. 

However, in more concentrated siRNA solutions (Figures 3.4b and 3.4c), not only the surface but also 

the  interior  of  the microgels  became  loaded with  siRNA.  It  seems  that  the  siRNA molecules  first 

neutralize  the  charges at  the  surface of  the microgels after which  remaining  siRNA molecules are 

able to penetrate deeper into the microgel network. When a sufficient amount of siRNA was added, 

a homogeneous loading of the cationic dextran microgels could be achieved (Figure 3.4c and 3.4f). 

Interestingly, while the pores in neutral dextran gels (DS 3.2, 20% w/w) are too small to allow siRNA 

diffusion into the network (Figure 3.2), the incorporation of cationic groups in these gels seems to aid 

the diffusion (Figure 3.4), thereby loading the microgels with siRNA based on electrostatic attraction. 

The exact reason for this remains unclear. Possibly, the incorporation of protonable amines into the 

gel network leads to electrostatic repulsion between positive charges which may expand the pores in 

the network. For this reason, a direct comparison between microgels composed of dex‐HEMA alone 

and dex‐HEMA microgels with copolymerization of DMAEMA is not feasible. 

The previous experiments demonstrate that  loading of positively charged dextran‐co‐DMAEMA gels 

with  siRNA after gel  formation  (“post‐loading”)  is possible. Post‐loading of  siRNA may have major 

advantages as  (1) exposure of siRNA  to UV  light and/or  free radicals during  the gelation process  is 

97  

CHAPTER 3 | dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA 

 

avoided and (2) applying a sufficient amount of cationic groups in the microgels can result in a high 

encapsulation efficiency of the siRNA. 

 

FIGURE 3.4 |  (a‐c) Confocal  fluorescence  images of cationic dextran microgels  (DS 3.2, 20% w/w, molar  ratio HEMA/DMAEMA of 0.5) incubated in a solution containing increasing amounts of atto488‐siRNA. Scale bar = 20 µm. (d‐f) Corresponding fluorescence intensity profiles, plotted along a microgel cross‐section indicated by the dotted line in the confocal fluorescence micrographs. 

Controlled release of siRNA from cationic dextran microgels 

Figure 3.5 shows  the cumulative  release of siRNA under physiological conditions  from  respectively 

lowly  (~DS  3)  and  highly  crosslinked  (~DS  9)  cationic  dex‐HEMA‐co‐DMAEMA microgels.  Also  the 

siRNA  release  from  non‐degradable  dex‐MA‐co‐DMAEMA  microgels  was  evaluated.  The  release 

profile  of  siRNA  from  the  lowly  and  highly  crosslinked  dex‐HEMA‐co‐DMAEMA microgels  differs 

significantly. Lowly crosslinked cationic dex‐HEMA microgels show a small burst release of siRNA (< 

10%) after which siRNA  is continuously released until the microgels are completely degraded (after 

~6 days of incubation). Non‐degradable lowly crosslinked cationic dex‐MA microgels however do not 

98  

dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA | CHAPTER 3 

release the encapsulated siRNA. In contrast, the siRNA release from highly crosslinked cationic dex‐

HEMA microgels  shows  a  sustained profile  after  an  initial  lag  time of  about  two days. Where  the 

lowly crosslinked cationic dex‐HEMA microgels have already released 50% of the loaded siRNA after 

~3 days of incubation, the highly crosslinked microgels need almost 9 days.  

 

FIGURE 3.5 | Cumulative release of siRNA from (degradable) dex‐HEMA‐co‐DMAEMA and (non‐degradable) dex‐MA‐co‐DMAEMA microgels with high (~DS 9) and low (~DS 3) crosslink density. The microgels were incubated at 37°C, pH 7.4. In each sample preparation 25 mg dex‐HEMA (dex‐MA) was used (see experimental section). The sample aliquots were measured in triplicate with Quant‐iT™ RiboGreen® assay reagent (Molecular Probes). 

It  has  been  shown  previously  that  dex‐HEMA  hydrogels  are  suited  for  the  controlled  release  of 

proteins.[22,29,30]  Due  to  hydrolysis  of  the  crosslinks  in  dex‐HEMA  gels,  the  pores  in  the  network 

enlarge  which  eventually  results  in  the  release  of  the  protein molecules  which  were  physically 

entrapped before degradation of the network. It was shown that varying the initial crosslink density 

of dex‐HEMA hydrogels (by varying the DS and/or the dex‐HEMA content of the hydrogels) influences 

the  protein  release.  In  gels  with  a  higher  network  density,  indeed  more  crosslinks  need  to  be 

degraded  before  the  hydrogel mesh  size  exceeds  the  hydrodynamic  diameter  of  the  entrapped 

protein.[31] 

In  this  study,  the  spontaneous  uptake  of  siRNA  in  the  cationic  microgels  is  mainly  based  on 

electrostatic  interactions  between  the  negatively  charged  siRNA  molecules  and  the  positively 

charged microgel  network.  Figure  3.5  clearly  proves  that  even  though  the  siRNA molecules  are 

electrostatically  incorporated  (and not sterically entrapped)  in the dextran gel, the siRNA release  is 

still governed by the degradation kinetics of the dextran network (as illustrated in Figure 3.6). 

99  

CHAPTER 3 | dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA 

 

 

FIGURE 3.6 | (left) Consecutive snapshots of a degrading cationic microgel sample, where the hydrogel particles are  loaded with atto647‐siRNA.  (right) Schematic overview of dex‐HEMA microgel degradation. Hydrolysis of the carbonate esters  in HEMA crosslinks of cationic dex‐HEMA‐co‐DMAEMA microgels results  in a swelling of the  gelparticles  accompanied  by  a  release  of  free  dextran,  HEMA‐co‐DMAEMA  oligomers  and  complexed siRNA. 

Thus,  importantly, by varying the crosslink density of the hydrogels, the onset of siRNA release and 

the  release  kinetics  of  the  encapsulated  siRNA  can  be  easily  controlled. Moreover,  as  the  siRNA 

molecules are electrostatically bound to the hydrogel network rather than sterically entrapped in the 

100  

dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA | CHAPTER 3 

network,  also  siRNA  release  from  loosely  crosslinked  gels  is  feasible  (without  the  risk  of  siRNA 

leakage due to diffusion) which may be of interest when a faster release is required. 

Smaller sized dextran microgels for intracellular siRNA delivery 

As the biological targets of siRNA are located intracellularly,[10] it is evident that siRNA molecules have 

to be carried by and released  from dextran gel particles which should be able  to cross  the cellular 

membrane barrier. The average size of the dextran microgels used in Figures 3.2 till 3.5 was 7‐8 µm 

(data  not  shown), which  is  too  large  for  efficient  intracellular  uptake.  To  analyze  if  siRNA  loaded 

dextran hydrogels are  suitable  for  intracellular  siRNA delivery we  therefore collected  smaller  sized 

microgels through centrifugation (see experimental section). Figure 3.7a shows a fluorescence image 

of the thus obtained microgels which have a mean diameter between 2 and 3 µm (Figure 3.7b). 

 

FIGURE  3.7  |  (a)  Fluorescence micrograph of  smaller  sized microgels  (mean diameter of 2‐3 µm). Microgels were  fluorescently  tagged  by  copolymerization  with  fluorescein  methacrylate.  Scale  bar  =  20  µm.  (b) Corresponding size distribution as measured with fluorescence microscopy (12 x 103 particles were analyzed). 

The  cellular  internalization  of  several  types  of  particles  with  comparable  size  has  already  been 

evaluated  in the  literature for the  intracellular delivery of macromolecules or for the application as 

biomarkers, also  in non‐phagocytic cells.[32‐36]  In  this chapter, we preferred  to evaluate  the cellular 

uptake and biological functionality of microgels with a  lower crosslink density and, consequently, a 

relatively faster siRNA release. Therefore, the amount of dex‐HEMA used during the preparation of 

the  microgels  was  decreased  with  ~25%  (see  experimental  section).  As  proven  in  Figure  3.8a, 

microgels can be produced which display maximal release of the encapsulated siRNA  in  less than 3 

days under physiological conditions. Figure 3.8b shows a SEM and AFM  image (graph  inset) of dex‐

MA microgels  (DS 3.1). These  images clearly underline the  loosely crosslinked nature of the gels as 

they  tend  to spread out on a  flat surface. This behaviour was not observed on dextran gels with a 

101  

CHAPTER 3 | dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA 

 

higher  density  (data  not  shown).  Also  note  the  scale  bar  on  the  AFM  images,  showing  a  high 

concentration of particles < 2 µm in diameter. 

 

FIGURE  3.8  |  (a)  Cumulative  release  (%)  of  siRNA  from  (degradable)  dex‐HEMA‐co‐DMAEMA  and  (non‐degradable) dex‐MA‐co‐DMAEMA microgels with different crosslink density.  In each sample preparation 18.5 mg dex‐HEMA was used (see experimental section). The data points are interconnected with a B‐spline (Origin 5.0  software).  (b)  Scanning  electron  micrograph  of  dex‐MA‐co‐DMAEMA  microgels  (DS  3.1).  Graph  inset displays AFM images obtained on the same sample. 

When presented to  living  (human hepatoma) cells, siRNA  loaded dex‐HEMA‐co‐DMAEMA microgels 

(<3µm) were taken up in large numbers, as depicted in Figure 3.9. Confocal scanning along the z‐axis 

proved  that  the microgels were effectively  internalized by  the cells and were not merely bound  to 

the  cell  surface  (data  not  shown).  It  seems  that  some  of  the microgels  show  colocalization with 

Lysotracker  Green®,  an  endolysosomal marker,  indicating  their  presence  inside  acidified  vesicles 

(yellow  colour  in Figure 3.9c). Nonetheless, also a  substantial  fraction of  the microgels appears  to 

reside  in other cytosolic compartments as they do not show this colocalization pattern. The uptake 

mechanism of large particles (>1 µm) in the Huh‐7 hepatoma cell line was found to be mediated by a 

clathrin‐ and caveolae/raft‐  independent pathway.[37] However, the different nature of the particles 

described  in  this  report and  their high polydispersity makes  it very challenging  to clarify  the exact 

mechanism of internalisation. 

102  

dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA | CHAPTER 3 

 

FIGURE 3.9 | Confocal  images  (a‐c) and corresponding transmission  image  (d) of siRNA  loaded dex‐HEMA‐co‐DMAEMA microgels  (DS 2.5)  in Huh‐7 hepatoma cells. The microgels are  red  fluorescent as  they are  loaded with atto647‐siRNA. Endolysosomes appear green by staining with Lysotracker Green®. Image (c) displays the overlay of red and green fluorescence. Yellow colour originates from green and red colocalization. Graph insets (bottom left, scale bar = 20 µm) show images in more detail. 

EGFP silencing with siRNA loaded dextran microgels 

To  investigate  the  biological  activity  of  the  siRNA  loaded  dextran  microgels,  a  gene  silencing 

experiment was conducted. Microgels (mean diameter of 2‐3 µm, DS 2.5) were  loaded with control 

siRNA  (siCONTROL)  or  siRNA  targeted  against  enhanced  green  fluorescent  protein  (siEGFP)  and 

incubated with Huh‐7 hepatoma cells stably expressing the EGFP gene (Huh‐7_EGFP cells). The Huh‐

7_EGFP cells were  imaged with confocal microscopy approximately 8 days after transfection under 

identical  conditions. The  results  shown  in Figure 3.10  indicate  that  the green  fluorescent  signal  is 

significantly weaker for the cells which were transfected with siEGFP‐microgels, when compared with 

the  cells  which  were  incubated  with  siCONTROL‐microgels.  In  both  experiments  a  comparable 

number  of  cells was  imaged.  Consistent with  the  observations made  in  Figure  3.9,  these  results 

103  

CHAPTER 3 | dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA 

 

suggest  that siRNA  loaded dextran microgels can pass  the cellular barrier and  release active siRNA 

into the cell cytoplasm, leading to suppressed EGFP expression. 

 

FIGURE  3.10  |  EGFP  expression  in Huh‐7_EGFP  cells  transfected with dex‐HEMA‐co‐DMAEMA microgels  (DS 2.5), loaded with respectively negative control siRNA (siCONTROL, left image) or siRNA targeting the EGFP gene (siEGFP, right image). Both images were captured under identical settings of the confocal microscope. Scale bar = 100 µm. 

We would like to emphasize that there is room for further improvement of the biological activity of 

the  siRNA  loaded dex‐HEMA microgels described  in  this  study.   Upon  cellular  internalization, dex‐

HEMA gelparticles will reside in endocytic vesicles and we may assume that a substantial fraction of 

those  particles  will  eventually  end  up  in  the  degradative  lysosomal  pathway. More  than  likely, 

modifications  or  delivery  techniques  leading  to  enhanced  endosomal  escape  will  be  of  vital 

importance. From  literature data we can expect slower dex‐HEMA degradation and consequently a 

slower  siRNA  release  at  the  lower  pH  values  which  can  be  found  in  late  endosomes  and 

lysosomes.[24,37] We anticipate that this will have a significant  influence on the eventual outcome of 

the gene expression level in a knockdown experiment. Nonetheless, the data presented in Figure 3.9 

and Figure 3.10 prove  to be encouraging  towards  the application of cationic dextran microgels  for 

intracellular  time‐controlled  siRNA  release  and  subsequent  knockdown  of  a  target  gene.  The 

following  chapters  in  this  thesis,  with  the  emphasis  on  chapters  5  to  7,  aim  to  optimize  the 

preparation of (cationic) hydrogel particles (e.g. downscaling from micro‐ to nanoscopic dimensions) 

and provide a more detailed investigation on their intracellular behaviour. 

 

104  

dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA | CHAPTER 3 

CONCLUSIONS 

The results presented here  indicate that cationic biodegradable dextran microgels can be produced 

through emulsion polymerization and that they can be subsequently loaded with siRNA. The uptake 

of siRNA by the microgels is mainly based on electrostatic interaction. This enables the ‘post‐loading’ 

of siRNA  in preformed cationic gels, which offers several advantages:  (1)  the siRNA  integrity  is not 

affected by the presence of free radicals during the emulsion polymerization, (2) depending on the 

number of cationic groups incorporated in the gel network, a high siRNA encapsulation efficiency can 

be achieved and (3) loosely crosslinked gels can be loaded with siRNA, without unwanted leakage of 

siRNA  due  to  diffusion.  Irrespective  of  the  electrostatic  nature  of  the  siRNA  incorporation  in  the 

microgel network, the siRNA release  is still governed by the degradation of the crosslinks  in the gel 

network. Using a Huh‐7 cell line that stably expresses the EGFP gene, we were able to demonstrate 

the biological  functionality of the siRNA  loaded microgels. We would  like to remark that the siRNA 

microgels show promise to investigate the influence of siRNA release kinetics on both the magnitude 

and duration of gene knockdown, which has not been studied so far. 

ACKNOWLEDGMENTS 

Financial  support  from  IWT  (Institute  for  the  Promotion  of  Innovation  through  Science  and 

Technology  in Flanders) and FWO‐Flanders  (Fund  for Scientific Research‐Flanders)  is acknowledged 

with  gratitude.  Prof.  Dr.  K.  Braeckmans  is  thanked  for  his  help  with  the  size  distribution 

measurements. Olivier  Janssens and Karel Lambert are acknowledged  for conducting  the SEM and 

AFM measurements respectively. The EU (FP6) is acknowledged for financially supporting MediTrans, 

an Integrated Project on Targeted Delivery of Nanomedicines. 

   

105  

CHAPTER 3 | dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA 

 

REFERENCE LIST 

1.   Fire A., Xu S.Q., Montgomery M.K., Kostas S.A. et al., Potent and specific genetic  interference by double‐stranded RNA in Caenorhabditis elegans, Nature 1998, 391: 806‐811. 

2.   Elbashir  S.M., Harborth  J.,  Lendeckel W., Yalcin A. et  al., Duplexes of 21‐nucleotide RNAs mediate RNA interference in cultured mammalian cells, Nature 2001, 411: 494‐498. 

3.   Bumcrot D., Manoharan M., Koteliansky V., and Sah D.W.Y., RNAi  therapeutics: a potential new class of pharmaceutical drugs, Nature Chemical Biology 2006, 2: 711‐719. 

4.   Kim D.H. and Rossi  J.J., Strategies  for  silencing human disease using RNA  interference, Nat. Rev. Genet. 2007, 8: 173‐184. 

5.   Bertrand J.R., Pottier M., Vekris A., Opolon P. et al., Comparison of antisense oligonucleotides and siRNAs in cell culture and in vivo, Biochemical and Biophysical Research Communications 2002, 296: 1000‐1004. 

6.   Corey D.R., RNA learns from antisense, Nature Chemical Biology 2007, 3: 8‐11. 7.   de Fougerolles A., Vornlocher H.P., Maraganore J., and Lieberman J.,  Interfering with disease: a progress 

report on siRNA‐based therapeutics, Nature Reviews Drug Discovery 2007, 6: 443‐453. 8.   Behlke M.A., Progress towards in vivo use of siRNAs, Molecular Therapy 2006, 13: 644‐670. 9.   De  Paula D., Bentley M.V.,  and Mahato  R.I., Hydrophobization  and  bioconjugation  for  enhanced  siRNA 

delivery and targeting, RNA 2007, 13: 431‐456. 10.  Dykxhoorn D.M. and Lieberman J., Knocking down disease with siRNAs, Cell 2006, 126: 231‐235. 11.  Oliveira  S.,  Storm  G.,  and  Schiffelers  R.M.,  Targeted  delivery  of  siRNA,  Journal  of  Biomedicine  and 

Biotechnology 2006,  12.  Bartlett D.W. and Davis M.E., Insights into the kinetics of siRNA‐mediated gene silencing from live‐cell and 

live‐animal bioluminescent imaging, Nucleic Acids Research 2006, 34: 322‐333. 13.  Bartlett D.W. and Davis M.E., Effect of siRNA nuclease stability on the in vitro and in vivo kinetics of siRNA‐

mediated gene silencing, Biotechnol. Bioeng. 2007, 97: 909‐921. 14.  Kunisawa  J., Masuda  T.,  Katayama  K.,  Yoshikawa  T.  et  al.,  Fusogenic  liposome  delivers  encapsulated 

nanoparticles for cytosolic controlled gene release, Journal of controlled release 2005, 105: 344‐353. 15.  Jeong J.H., Christensen L.V., Yockman J.W., Zhong Z.Y. et al., Reducible poly(amido ethylenimine) directed 

to enhance RNA interference, Biomaterials 2007, 28: 1912‐1917. 16.  Kakizawa  Y.,  Furukawa  S.,  and  Kataoka  K.,  Block  copolymer‐coated  calcium  phosphate  nanoparticles 

sensing  intracellular  environment  for  oligodeoxynucleotide  and  siRNA  delivery,  Journal  of  controlled release 2004, 97: 345‐356. 

17.  Read M.L.,  Singh  S.,  Ahmed  Z.,  Stevenson M.  et  al.,  A  versatile  reducible  polycation‐based  system  for efficient delivery of a broad range of nucleic acids, Nucleic Acids Research 2005, 33: e86. 

18.  Peppas N.A., Bures P., Leobandung W., and Ichikawa H., Hydrogels in pharmaceutical formulations, Eur. J. Pharm. Biopharm. 2000, 50: 27‐46. 

19.  Peppas  N.A.,  Hilt  J.Z.,  Khademhosseini  A.,  and  Langer  R.,  Hydrogels  in  biology  and  medicine:  From molecular principles to bionanotechnology, Advanced Materials 2006, 18: 1345‐1360. 

20.  Coviello T., Matricardi P., Marianecci C., and Alhaique F., Polysaccharide hydrogels  for modified  release formulations, Journal of controlled release 2007, 119: 5‐24. 

21.  Lin C.C. and Metters A.T., Hydrogels in controlled release formulations: Network design and mathematical modeling, Advanced Drug Delivery Reviews 2006, 58: 1379‐1408. 

22.  Van  Tomme  S.R.  and Hennink W.E.,  Biodegradable  dextran  hydrogels  for  protein  delivery  applications, Expert Review of Medical Devices 2007, 4: 147‐164. 

23.  van  Dijk‐Wolthuis W.N.E.,  Tsang  S.K.Y.,  Kettenes‐vandenBosch  J.J.,  and  Hennink W.E.,  A  new  class  of polymerizable dextrans with hydrolyzable groups: hydroxyethyl methacrylated dextran with and without oligolactate spacer, Polymer 1997, 38: 6235‐6242. 

24.  van  Dijk‐Wolthuis  W.N.E.,  van  Steenbergen  M.J.,  Underberg  W.J.M.,  and  Hennink  W.E.,  Degradation kinetics of methacrylated dextrans in aqueous solution, Journal of Pharmaceutical Sciences 1997, 86: 413‐417. 

25.  van Dijk‐Wolthuis W.N.E., Hoogeboom J.A.M., van Steenbergen M.J., Tsang S.K.Y. et al., Degradation and release behavior of dextran‐based hydrogels, Macromolecules 1997, 30: 4639‐4645. 

26.  Stubbe  B.G.,  Horkay  F.,  Amsden  B.,  Hennink W.E.  et  al.,  Tailoring  the  swelling  pressure  of  degrading dextran hydroxyethyl methacrylate hydrogels, Biomacromolecules 2003, 4: 691‐695. 

27.  De Geest B.G., Dejugnat C., Verhoeven E.,  Sukhorukov G.B.  et  al.,  Layer‐by‐layer  coating of degradable microgels for pulsed drug delivery, Journal of controlled release 2006, 116: 159‐169. 

106  

dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA | CHAPTER 3 

28.  Van Tomme S.R., van Steenbergen M.J., De Smedt S.C., van Nostrum C.F. et al., Self‐gelling hydrogels based on oppositely charged dextran microspheres, Biomaterials 2005, 26: 2129‐2135. 

29.  Cadee J.A., de Groot C.J., Jiskoot W., den Otter W. et al., Release of recombinant human interleukin‐2 from dextran‐based hydrogels, Journal of controlled release 2002, 78: 1‐13. 

30.  Vlugt‐Wensink K.D.F., Vlugt T.J.H.,  Jiskoot W., Crommelin D.J.A. et al., Modeling  the  release of proteins from  degrading  crosslinked  dextran  microspheres  using  kinetic  Monte  Carlo  simulations,  Journal  of controlled release 2006, 111: 117‐127. 

31.  Franssen O.,  Vandervennet  L.,  Roders  P.,  and  Hennink W.E.,  Degradable  dextran  hydrogels:  controlled release of a model protein from cylinders and microspheres, Journal of controlled release 1999, 60: 211‐221. 

32.  De  Geest  B.G.,  Vandenbroucke  R.E.,  Guenther  A.M.,  Sukhorukov  G.B.  et  al.,  Intracellularly  degradable polyelectrolyte microcapsules, Advanced Materials 2006, 18: 1005. 

33.  Javier  A.M.,  Kreft  O.,  Alberola  A.P.,  Kirchner  C.  et  al.,  Combined  atomic  force microscopy  and  optical microscopy measurements as a method to investigate particle uptake by cells, Small 2006, 2: 394‐400. 

34.  Sanchez‐Martin R.M., Muzerelle M., Chitkul N., How S.E. et al., Bead‐based cellular analysis, sorting and multiplexing, Chembiochem 2005, 6: 1341‐1345. 

35.  Skirtach A.G., Javier A.M., Kreft O., Kohler K. et al., Laser‐induced release of encapsulated materials inside living cells, Angewandte Chemie‐International Edition 2006, 45: 4612‐4617. 

36.  Sukhorukov  G.B.,  Rogach  A.L.,  Zebli  B.,  Liedl  T.  et  al.,  Nanoengineered  polymer  capsules:  Tools  for detection, controlled delivery, and site‐specific manipulation, Small 2005, 1: 194‐200. 

37.  von Gersdorff K., Sanders N.N., Vandenbroucke R., De Smedt S.C. et al., The internalization route resulting in  successful  gene expression depends on polyethylenimine both  cell  line  and polyplex  type, Molecular Therapy 2006, 14: 745‐753. 

     

107  

CHAPTER 3 | dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA 

 

108  

 

advanced nanogel engineering for drug delivery | CHAPTER 4 

109  

  CHAPTER 4 | Advanced nanogel engineering for drug delivery 

     

Parts of this chapter are published: 

 

Koen Raemdonck, Joseph Demeester and Stefaan C. De Smedt, Soft Matter 2009, 5: 707‐715 

 

1Laboratory of General Biochemistry and Physical Pharmacy, Department of Pharmaceutics, Faculty of Pharmaceutical 

Sciences, Ghent University, Harelbekestraat 72, B‐9000 Ghent, Belgium. 

CHAPTER 4 | advanced nanogel engineering for drug delivery  

 

110  

ABSTRACT 

Nanosized hydrogels  (nanogels) have  attracted  considerable attention as multifunctional polymer‐

based drug delivery systems. Their versatility  is demonstrated both  in drug encapsulation and drug 

release.  Nanogels  can  be  designed  to  facilitate  the  encapsulation  of  diverse  classes  of  bioactive 

compounds. With optimization of  their molecular composition, size and morphology, nanogels can 

be  tailor‐made  to  sense  and  respond  to  environmental  changes  in  order  to  ensure  spatial  and 

stimuli‐controlled  drug  release  in  vivo.  This  chapter  aims  to  highlight  recent  advances  on  the 

interface  between  biology  and  nanomedicine  with  the  emphasis  on  nanogels  as  carriers  for 

controlled drug delivery. 

advanced nanogel engineering for drug delivery | CHAPTER 4 

 

4 OVERVIEW CHAPTER CONTENTS 

Chapter 4 provides: 

• information  on  the  design  of  nanogels  and  highlights  on  recent  advanced  preparation 

protocols 

• details  on  how  nanogels  can  be  used  for  the  encapsulation  and  subsequent  controlled 

release  of  different  classes  of  therapeutics,  with  the  emphasis  on  the  intracellular 

environment 

• insights  in  the  possible  applications  of  nanogels  as  drug  delivery  carriers  and  their  ‘fine‐

tuning’ for in vivo delivery purposes 

Key terms: 

Crosslinking – hydrogel – dextran – stimuli‐responsive – PEGylation – controlled release  

INTRODUCTION 

In  the past decade  the quest  for  intelligent biomaterials  in pharmaceutical applications has moved 

into  second  gear. More  than  ever,  the  design  of  efficient  drug  delivery  carriers  has  evolved  as  a 

multidisciplinary effort where the interplay between material science, medicine and biology provides 

innovative  biofunctional materials.[1]  Amongst  the  available  biomaterials  already  described  in  the 

literature, hydrogels have already proved  their value  in diverse biomedical applications. Hydrogels 

are  described  as  hydrophilic  three‐dimensional  polymer  networks  that  are  able  to  take  up  large 

amounts of water or physiological fluid, while maintaining their internal network structure.[2,3] Their 

high water  content  and  low  surface  tension  contribute  to  their  biocompatibility.  Some  hydrogels 

encompass a high loading capacity for bioactive compounds and are able to release their therapeutic 

111  

CHAPTER 4 | advanced nanogel engineering for drug delivery  

 

payload in a controlled fashion. These unique features explain their widespread application in tissue 

engineering, drug delivery and diagnostics.[4] 

Although research has mainly focused on macroscopic hydrogels, there is now an increasing interest 

in  hydrogels  confined  to  micro‐  and  especially  nanoscopic  dimensions  (termed  micro‐  and 

nanogels).[5,6] This is easily proven by a simple literature search on ‘nanogels’ and ‘drug delivery’ that 

reveals an exponential growth in the number of publications during the last 10 years (Figure 4.1).  

Colloidally stable nanogel particles have properties similar to those of their macrogel counterparts, 

but they have the added value that e.g. upon intravenous injection, they can be deployed in areas of 

the body that are not easily accessed by macroscopic hydrogels and microgels.[7] As most nanogels 

are able  to be  taken up by cells  they are  ideal candidates  for  intracellular drug delivery. This  is of 

particular  interest for therapeutic agents that need to be safely delivered  into the cytoplasm of the 

target  cell,  such as antisense oligonucleotides,  siRNAs, peptides and various  low molecular weight 

chemotherapeutics. In addition, nanogel dispersions have a large surface area that can function as a 

template  for multivalent conjugations which  is  important  to optimize  the particles  towards  in vivo 

applications.  Moreover,  their  nanoscaled  dimensions  ensure  that  they  respond  very  rapidly  to 

environmental  stimuli, which  is attractive when aiming  for  triggered drug delivery. Hydrogels, and 

nanogels  in  particular,  hold  all  the  cards  to  be  versatile  drug  delivery  carriers  for  exploitation  in 

biomedicine, as already discussed  in many  review articles.[2‐6,8,9]  In  this paper, we especially aim  to 

highlight some of the most recent advances made  in this emerging field of nanomaterials, with the 

emphasis on nanogel design towards efficient application for drug delivery purposes. 

DESIGNING NANOSIZED HYDROGELS 

Hydrogel  structures  can  be  formed  by  introducing  chemical  or  physical  crosslinks  between 

hydrophilic natural or synthetic polymers.[10] These crosslinks are essential for the structural stability 

of the hydrogel as they prevent dissolution of the polymer chains in the aqueous environment.  

Chemical  crosslinking  involves  the  formation  of  covalent  bonds,  leading  to  an  insoluble  polymer 

network. To obtain nanogels instead of macro‐ or microgels by chemical crosslinking, mostly (inverse) 

emulsion polymerization[11] and precipitation polymerization[12] methods are applied. Alternatively, 

also physical  interactions between polymer chains  (e.g. hydrogen bonds, chain entanglements, Van 

der Waals  forces, electrostatic  interactions,…) can result  in stable hydrogels. Physical self‐assembly 

implies the controlled formation of nanosized aggregates as a function of polymer concentration[13‐15] 

or environmental parameters such as temperature and pH.[9,16] 

112  

advanced nanogel engineering for drug delivery | CHAPTER 4 

 

 

FIGURE  4.1  |  Number  of  publications  on  ‘nanogels’  in  the  field  of  ‘drug  delivery’  during  the  last  decade. Literature search was performed in Web of Science. (*) Data of 2009 are extrapolated based on the number of publications during the first trimester of that year. 

We  illustrate  these  different  modes  of  crosslinking  taking  dextran  biopolymer  hydrogels  as  an 

example.[17] Dextran chains  (dex, Figure 4.2a) can be derivatized with different moieties such as 2‐

hydroxyethyl  methacrylate  (dex‐HEMA,  Figure  4.2b),  lactate‐2‐hydroxyethyl  methacrylate  (dex‐

lactate‐HEMA, Figure 4.2d) or allyl isocyanate (dex‐AI, Figure 4.2c) for radical polymerization to form 

chemically  crosslinked  hydrogel  particles.[17‐19]  Alternatively,  dextran  nanogels were  also  obtained 

through respectively stereocomplexation of dextran grafted with poly(L‐lactide) and poly(D‐lactide) 

(Figure  4.2e)[15]  and  inclusion  complexation  of  lauryl‐modified  dextran  (Figure  4.2f)  with  β‐

cyclodextrin  polymers.[20]  Jean  Fréchet’s  group  recently  reported  on  acid‐degradable  dextran 

nanogels based on  acetalated dextran  (Ac‐dextran,  Figure 4.2g) which  are  formed using  a double 

emulsion  (w/o/w) evaporation method  in CH2Cl2.[21] A plethora of different protocols  for colloidally 

stable micro‐and nanogels can be found in the literature and many examples hereof are detailed by 

Oh et al.  in a  recent  review article[6] and  in Yallapu et al.[9] Liu et al. published a  review article on 

polysaccharide based nanoparticles applied as drug delivery vehicles.[22] 

Recently,  new  technologies  have  arisen  for  the  preparation  of  nanogels  with  a  better  defined 

molecular  architecture,  which  is  important  to  optimize  them  towards  in  vivo  drug  delivery 

applications. 

113  

CHAPTER 4 | advanced nanogel engineering for drug delivery  

 

 

FIGURE 4.2 | Chemical structure of various monomers for dextran‐based hydrogel particles, (a) dextran, (b) dex‐HEMA: dextran hydroxyethyl methacrylate, (c) dex‐AI: dextran allyl isocyanate, (d) dex‐lactate‐HEMA, (e) dex‐g‐PLA: dextran poly(lactic  acid),  (f)  lauryl modified dextran – R = H or CH3‐(CH2)10‐CO‐,  (g) Ac‐DEX:  acetalated dextran 

One example is the application of liposomes as nanosized reactors where hydrogel formation occurs 

in  the  aqueous  lumen  of  the  lipid  vesicles.  In  this way,  one  can  achieve  better  control  over  the 

particle size since the dimensions of the ‘naked’ nanogels, obtained after lipid removal, closely match 

the size of the liposomal template (Figure 4.3).[23‐28]  

Secondly, controlled radical polymerization (CRP) techniques, which offer great opportunities for the 

synthesis  of  (co)polymers  and  bioconjugates  with  controlled  molecular  weight  and  low 

polydispersity[29],  have  recently  been  explored  for  the  synthesis  of  crosslinked  nanogels.[30] 

Matyjaszewski’s  group  prepared  well‐defined  and  uniformly  crosslinked  biodegradable  nanogels 

from oligo(ethylene glycol) monomethyl ether methacrylate (OEOMA) with a disulfide functionalized 

114  

advanced nanogel engineering for drug delivery | CHAPTER 4 

 

crosslinker  using  inverse  mini‐emulsion  atom  transfer  radical  polymerization  (ATRP).[31]  These 

nanogels showed potential as drug delivery carriers in their studies.[32,33] Another interesting example 

is  the  photolithographic  fabrication  of  sub‐micrometer  particles  using  a  technique  called  PRINT 

(Particle  Replication  in  Nonwetting  Templates).  PRINT  applies  photocurable  perfluoropolyether 

molds  for  imprint  lithography  to  form  uniform  nanoparticles  of  well‐controlled  size,  shape  and 

composition.[34‐36]  Gratton  and  coworkers  used  PRINT  nano‐  and  microgels  to  investigate  the 

influence  of  particle  size,  shape  and  surface  chemistry  on  their  cellular  internalization.  The 

experimental  data  point  out  that  cationic  rod‐shaped  particles  are  internalized  at  higher  rates, 

underlining  the  importance  of  particle  design  when  intracellular  targets  are  envisioned.[37]  An 

alternative nanoimprint photo‐lithographic approach (Step and Flash Imprint Lithography or S‐FIL) for 

the preparation of crosslinked peptide nanogels was recently presented by Glangchai et al.  (Figure 

4.4).[38] 

 

FIGURE 4.3 | Synthesis of nanogels using a  liposomal template. Liposomes are prepared  in the presence of a polymer  solution.  Non‐encapsulated  polymer  is  removed  or  diluted  below  the  critical  polymerization concentration.  Crosslinking  of  the  polymers  inside  the  lipid  vesicles  leads  to  the  formation  of  lipid  coated nanogels. Removal of the lipid coat by e.g. the addition of a detergent, finally results in naked nanogels with a size comparable to that of the liposomal template. 

Rigorous  control  over  the  size  of  nanocolloids  is  essential  for  their  in  vivo  biodistribution. While 

microgels are often designed to release their payload in the extracellular space or in the cytoplasm of 

dendritic cells  following subcutaneous or  intramuscular  injection, nanogels may also be applied  for 

intravenous  administration where  they  need  to  extravasate  through  the  capillary  endothelium  to 

reach  the  target  tissue.  The morphology  of  the  capillary wall will  set  the  size  limits  for  particle 

extravasation  into  the  surrounding  tissue. Discontinuous  or  sinusoidal  capillaries  can  be  found  in 

liver,  spleen and bone marrow. This  ‘leaky’ vasculature  is also observed  in  inflammation  sites and 

tumours which allows extravasation of particles even up  to 400 nm  in diameter.[1,39] Since size  is a 

critical determinant for nanogels to reach the intended target following intravenous administration, 

115  

CHAPTER 4 | advanced nanogel engineering for drug delivery  

 

new nanofabrication methods with good control over particle dimensions may be promising  for  in 

vivo applications of drug loaded nanogels. 

 

FIGURE 4.4 | (Top) Schematic representation of the Step and Flash Imprint Lithography (S‐FIL) method. Details can be  found  in Glangchai et al.[38],  (Bottom) Scanning electron micrographs of S‐FIL  imprinted poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) nanogels. Reprinted from reference [38]. 

Gao et al. recently published on ultrafine polyacrylamide‐based hydrogels with an average size ~2 nm 

for  the  encapsulation  of  tetra(m‐hydroxyphenyl)chlorin  (mTHPC)  as  a  photosensitizer  in 

photodynamic therapy.[40] The authors state that owing to their small size, these hydrophilic particles 

will  evade  the  reticulo‐endothelial  system  (RES). Moreover,  risk  of  accumulation  of  the mTHPC 

loaded nanogels  is  also  reduced  since  these non‐degradable particles  should be  cleared  from  the 

bloodstream by renal filtration.[40] 

NANOGELS AS VERSATILE DRUG DELIVERY VEHICLES 

Drug encapsulation 

Many  drug molecules  suffer  severely  from  several  impediments  such  as  low  solubility,  off‐target 

toxicity,  instability or  inefficient transfer across biological barriers, all of which significantly hamper 

their  in  vivo  use. Nanogels may  offer  a  solution  to many  of  these  drug  delivery  issues,  involving 

various  types of bioactive  compounds. Both hydrophilic and  lipophilic  low molecular weight drugs 

(e.g. certain chemotherapeutics[41]) and macromolecular  therapeutics  (DNA[42], siRNA[43‐45], peptides 

and proteins[46]) may become incorporated in the nanogel network. The loading is generally based on 

(a)  physical  entrapment  and/or  (b)  non‐covalent  interactions.  The  sterical  entrapment  of 

116  

advanced nanogel engineering for drug delivery | CHAPTER 4 

 

therapeutics inside a hydrogel network implies in most cases that the compounds are present in the 

polymer  solution during  the  gelation process. However,  it  is  conceivable  that polymerization may 

occur  under  conditions  that  are  possibly  detrimental  for  the  therapeutic  cargo.  Therefore  this 

encapsulation technique obviously requires rigorous control over the gelation process to ensure drug 

stability.[38,42,47] When the dimensions of the encapsulated therapeutics exceed the mesh size of the 

hydrogel  network,  their  diffusional  leaching  can  be  prevented.  This  encapsulation  method  is 

therefore  most  feasible  for  macromolecular  therapeutics,[38,42,43,48,49]  especially  when  loosely 

crosslinked or porous hydrogels are formed.  

In contrast, non‐covalent  interactions between the biological agent and the polymer matrix are the 

basis  of  the  research  of  Akiyoshi  and  co‐workers who  focus  on  amphiphilic  cholesterol‐modified 

pullulan (CHP) nanogels of typically 20‐50 nm in diameter, mainly for the encapsulation of different 

proteins.[50]  Already  in  1993,  Akiyoshi  disclosed  that  polysaccharides  partially  modified  with 

hydrophobic  moieties  could  form  nanoparticles  through  a  self‐assembly  process  in  an  aqueous 

environment.[51]  The  main  driving  force  for  protein  encapsulation  is  the  hydrophobic  attraction 

between  the cholesteryl moieties  in  the nanogels and hydrophobic nanodomains  in  the protein of 

interest. Recently, phase I clinical trials were conducted with CHP nanogels encapsulating truncated 

HER2 protein for cancer vaccination. Patients received repetitive subcutaneous injections of the CHP‐

HER2  vaccine  and  results  showed  HER2  specific  antibody  and  T‐cell  immune  responses.[52,53]  A 

drawback of this nanogel platform  is their  limitation for  intravenous administration since abundant 

serum proteins, like albumin, can destabilize the nanogel complex.[50] Especially when an intracellular 

drug target is envisioned, the stability of drug delivery systems in the extracellular matrix should be 

routinely  tested to avoid premature drug release before the  target cells have been reached.[54] For 

the  intracellular  delivery  of  membrane‐impermeable  compounds,  amino‐functionalized  CHP 

nanogels were proposed  to  improve  the efficiency of  interactions with  the cellular membrane and 

their subsequent internalization. Once the cellular barrier is overcome, the authors assume that the 

aforementioned protein exchange mechanism is also partially responsible for the intracellular release 

of the encapsulated therapeutic protein.[46] 

An alternative non‐covalent approach  for  the  incorporation of  therapeutics  in charged nanogels  is 

based on electrostatic interactions between the biological agent and the ionized polymer matrix. This 

approach has proved valuable for e.g. the complexation of low molecular weight anionic compounds 

like  nucleoside  analog  5’‐triphosphates  (NTPs)  in  crosslinked  poly(ethylene  glycol)‐poly(ethylene 

imine)  (PEG‐g‐PEI)  nanogels  (Figure  4.5)[55]  Electrostatic  complexation  can  also  be  exploited  for 

encapsulation of polynucleotides in cationic nanogels if the pore size of the nanogels is large enough 

to allow penetration of the polynucleotides into the interior of the gel particle. In this way, antisense 

117  

CHAPTER 4 | advanced nanogel engineering for drug delivery  

 

oligonucleotides[56‐58]  and  short  interfering  RNA  (siRNA)[18,57]  can  be  loaded  in  preformed  cationic 

hydrogel networks. On  the other hand, Hu  et al.  reported on nanogels  for  the  surface binding of 

proteins,  inactivated  influenza  virions  (for  the  purpose  of  antigen  delivery  to  dendritic  cells)  and 

siRNA duplexes (for gene silencing activity). These (predominantly) anionic cargos are adsorbed onto 

preformed core‐shell particles, based on electrostatic  interactions with the positively charged outer 

layer.[45] 

 

FIGURE  4.5  |  Schematic  representation  of  PEG‐g‐PEI  nanogels,  electrostatically  loaded  with  5’‐  nucleoside triphosphate  anticancer  agents  (5’‐NTPs).  The  nanogels  consist  of  a  PEI  core  for  5’‐NTP  binding  and  a  PEG envelope, containing targeting ligands (●). Reprinted and modified from Vinogradov et al. [55]. 

Exceptionally,  bioactive  compounds  are  incorporated  into  the  nanogel  interior  through  covalent 

conjugation. One example  is given by Standley and co‐workers who  linked a methacrylate‐modified 

CpG  oligonucleotide  ligand  into  acid‐degradable  nanogels  prepared  through  an  inverse  emulsion 

radical polymerization technique.[49] In addition to the oligonucleotide strand, also ovalbumin (OVA) 

as an antigen model was encapsulated. The incorporation of CpG oligonucleotides resulted in a more 

potent production of  interleukin‐12 and enhanced OVA‐specific CD8 T‐cell  immunity  in vivo due  to 

activation of Toll‐like receptor 9 (TLR‐9). However, covalent attachment is not feasible for every type 

of drug or application as it may also alter the drug’s effectiveness. 

Triggered drug release 

Hydrogels  tend  to swell when  they are brought  into a polymer compatible medium due  to solvent 

penetration  into  free  spaces  between  the  macromolecular  chains.  The  resulting  volumetric 

118  

advanced nanogel engineering for drug delivery | CHAPTER 4 

 

expansion  of  the  hydrogel  network  is  governed  by  the  balance  between  the  internal  osmotic 

pressure  and  its  elastic  deformability.[59]  An  attractive  feature  of  hydrogels  is  that  their  swelling 

behaviour can be influenced by a diversity of external triggers, such as changes in environmental pH, 

ionic  strength  or  temperature  and  the  application  of  light  or  a magnetic  or  electric  field.[2,5,60]  A 

plethora  of  stimuli‐responsive  nanocarriers  is  described  in  the  literature,  e.g.  polymer‐drug 

conjugates, liposomes and micelles, which all have their strengths and weaknesses.[61] The latter two 

examples are of particular interest in drug delivery, but they suffer from drawbacks such as a lack of 

controlled  loadability,  limitations  in material composition,  limitations  in the type of biological cargo 

that  can  be  loaded/released  and/or  physical  instability.[7,9,35]  For  these  reasons,  many  nanogel 

platforms are often regarded as a better alternative. The responsiveness of ‘intelligent’ hydrogels  is 

largely dependent on  the  type of polymer used  in making  the  gel.[62,63] Control over  the  swelling‐

deswelling transitions or other physical changes on a nanoscopic scale are especially of  interest for 

intracellular controlled drug delivery.  

Among  the class of  ‘intelligent nanogels’,  those  responding  to changes  in  temperature and pH are 

most extensively  investigated. Nanogels constructed from polymers bearing pendant basic or acidic 

groups  (ionic nanogels) are generally regarded as pH responsive.[62] When  they are dispersed  in an 

aqueous medium of appropriate pH and ionic strength, ionization of pendant groups occurs, thereby 

introducing  fixed  charges  in  the  polymer  network.  By  electrostatic  repulsion  the  pores  in  the 

nanogels enlarge, allowing excessive solvent influx, which eventually leads to their swelling. Cationic 

nanogels swell at a pH below the pKa of the polymer network, while anionic nanogels are ionized at 

higher  pH.  Small  changes  in  the  external  pH  may  have  a  significant  influence  on  the  swelling 

behaviour.[2]  Na  and  Bae  reported  on  self‐assembled  pH‐sensitive  nanogels,  composed  of  a 

sulphonamide‐pullulan  acetate  conjugate[64]  and  hydrophobized  pullulan‐Na‐Boc‐L‐histidine[65]  for 

the tumor specific release of doxorubicin. Most solid tumours elicit a lower extracellular pH (pH ~6.8) 

when compared with  the pH  in other  tissues or  the blood circulation  (pH 7.4).[61,66,67] The particles 

proposed by Na and Bae were stable at pH 7.4. However, at pH 6.8  the sulphonamide  (SA)  tagged 

nanogels shrank and aggregated due to SA deionization while the histidine tagged nanogels swelled 

as a  result of  imidazole protonation  in  the histidine moieties.  In both  cases drug  release occurred 

faster  in response to these physical changes resulting  into a more specific deposition of the drug  in 

the tumour microenvironment.  

In  the  intracellular microenvironment,  such pH  responsive  carriers may  also prove beneficial.  It  is 

known that nanocarriers are internalized mostly through an endocytotic mechanism upon interaction 

with the cellular membrane. Endocytosis eventually confines the particles  in an acidic environment 

as  the pH  in  the  late endosomal  and  lysosomal  lumen  gradually  lowers  from neutral  to ~pH 5.[68] 

119  

CHAPTER 4 | advanced nanogel engineering for drug delivery  

 

Indeed, pH sensitive nanogels that undergo structural changes upon endocytosis could enhance the 

intracellular bioavailability of the encapsulated drug. Chitosan nanogels around 180 nm  in diameter 

were described by Zhang and colleagues for the encapsulation of the anticancer agent methotrexate 

disodium  (MTX).[69]  The  nanogels  originated  from  the  ionic  crosslinking  of  N‐[2‐hydroxy‐3‐

(trimethylammonium)propyl]  chitosan  chloride  (HTCC)  with  sodium  tripolyphosphate  (TPP) 

counterions. MTX  is negatively charged and could be  incorporated  in the cationic HTCC nanogels at 

physiological  pH  through  electrostatic  binding.  Following  efficient  cellular  internalization,  these 

nanogels showed a 2.2 fold  increase  in hydrodynamic diameter at endolysosomal pH due to higher 

protonation  of  primary  and  secondary  amines  in HTCC  and  stronger  electrostatic  repulsion.  As  a 

result,  a  faster  diffusion  driven  release  of MTX  was  achieved.[69]  Shen  et  al.  prepared  chitosan 

nanogels  ~70‐80  nm  through  the  crosslinking  of  chitosan  with  ethylenediamine  tetraacetic  acid 

(EDTA). These nanogels exhibit a reversible change in surface charge and surface structure depending 

on the environmental pH. The authors attempted to exploit this behaviour for the encapsulation and 

release of the water‐insoluble anticancer drug camptothecin.[70] Similarly, Nagasaki’s lab showed pH‐

triggered  release of doxorubicin due  to protonation  and  subsequent  swelling of  ionic PEG‐poly[2‐

(N,N‐(diethylamino)ethyl  methacrylate)  nanogels  at  endolysosomal  pH.[71,72]  In  particular  for 

biomacromolecules like protein antigens, pDNA and siRNA, an efficient transfer from the endosomal 

compartment  into  the  cytosol  is  crucial  since otherwise  they become degraded by endolysosomal 

proteases  and  nucleases.  Employing  pH‐sensitive  nanogels  could  enhance  this  endosomal  escape 

significantly.  Indeed,  it  is  thought  that when nanogels  are  constructed  from  polyelectrolytes with 

endosomal buffering capacity, they can disrupt endosomes via an osmotic pressure buildup (proton 

sponge hypothesis).  In addition,  the  swelling of  the particles, due  to endosomal protonation, may 

facilitate endosomal destabilization.[45,73,74]  

The  pharmaceutical  relevance  of  thermosensitive  nanogels may  lie within  the  treatment  of  local 

infections  (with  elevated  environmental  temperature),  tumour  hyperthermia  or  by  artificially 

increasing temperature in the affected tissue to tailor local drug delivery.[7,61] Accumulation of a drug 

loaded nanoparticle at  the disease  site,  followed by a  local  temperature  increase  can  trigger drug 

release due  to  thermally  triggered  volume  transitions. Poly(N‐isopropylacrylamide) or PNIPAAm  is 

the most widely  investigated  thermoresponsive  polymer  for  biomedical  applications.[63]  PNIPAAm 

nanogels can exhibit significant volume change  in response to thermal fluctuations.[75‐78] In aqueous 

solution the polymer has a lower critical solution temperature (LCST) around 32°C.[44] Below the LCST, 

the polymer network is hydrated by hydrogen bonding of water to the amide side groups. When the 

temperature  increases  towards or above  the  LCST,  the polymer‐polymer hydrophobic  interactions 

become more dominant. As  the hydrogen bonds  are weakened, phase  separation occurs  and  the 

120  

advanced nanogel engineering for drug delivery | CHAPTER 4 

 

polymer  chains  collapse.  The  resulting  expulsion  of  water  and  nanogel  aggregation  can  be 

accompanied  with  the  release  of  both  hydrophilic  and  hydrophobic  drugs  in  the  surrounding 

medium.[79] A  slightly different  therapeutic concept, but also based on  thermally  triggered volume 

transition, was recently proposed by Lee et al.. The authors prepared complex degradable nanogels 

that exhibit a size increase from nano‐ to microscale when lowering the environmental temperature 

from 37°C  to 15°C. These nanogels are  subsequently employed as  ‘nanobombs’  to  induce necrotic 

cell death after cold‐shock treatment of cells that had internalized the nanogels in deswollen state.[80] 

Modification  of  NIPAAm  with  different  comonomers  or  post‐polymerization  modifications  on 

PNIPAAm nanogels may significantly alter the hydrogel characteristics and shift the LCST. This feature 

enables  the  application  of  PNIPAAm  nanogels  over  a wide  temperature  range.[76] As  an  example, 

incorporation of  ionic  and hydrophilic  comonomers,  such  as  acrylic  acid  (AAc) or methacrylic  acid 

(MAAc), increases the LCST and makes the nanogels sensitive both to changes in temperature as well 

as changes in pH.[74,81‐86] A plethora of reports, describing different modifications of NIPAAm, can be 

found  in  the  literature.[5,6,63,83,86,87] A particularly  interesting example of nanogel engineering  is  the 

development  of  amphoteric,  glucose‐responsive  PNIPAAm  based  nanogels  for  triggered  insulin 

release.[88]  Grafting  of  phenylboronic  acid  (PBA)  to  cationic‐anionic  nanogels  introduces  glucose‐

responsiveness  in the nanogels. The swelling‐deswelling behaviour of the nanogels as a function of 

physiological  glucose  concentrations  can  be  fine‐tuned  by  varying  the  relative  amount  of  PBA, 

cationic  and  anionic  groups  in  the  PNIPAAm  hydrogel  particles.[88]  Besides  pH  and  temperature 

sensitive nanogels, also nanogels which are sensitive simultaneously to multiple triggers have already 

been  prepared.  For  instance,  Bhattacharya  et  al.  engineered  hybrid  nanogels  that  contain 

ferromagnetic  nanoparticles  and  which  are  responsive  to  both  temperature,  pH  and  magnetic 

fields.[89]  

Depending on  the elastic properties of  the polymer network,  the deformation of hydrogels can be 

reversible.  In  this way, hydrogels can  regain  their original  shape and  structure when  the  stimulus, 

triggering  the  swelling  or  shrinking,  is  removed.  This  ‘shape  memory  effect’  can  also  have  its 

implications on drug delivery as recently disclosed by You Han Bae’s group. They prepared nanogels 

consisting of a pH‐sensitive hydrophobic core of poly(L‐histidine‐co‐phenylalanine), held together by 

a  double  hydrophilic  shell.[90]  These  nanogels  are  colloidally  stable  at  neutral  pH,  but  swell 

substantially  at  endosomal  pH  (<  pH  6.8)  explaining  the  faster  release  rate  of  encapsulated 

doxorubicin at  lower pH values. After endocytosis,  the  swelling of  the nanogels  together with  the 

buffering  effect  of  poly(L‐histidine)  is  considered  to  disrupt  the  endosomal membranes,  thereby 

facilitating  the  transfer of  the nanogels and  the  released doxorubicin  to  the  cytoplasm. There  the 

nanogels shrink again to their original size, imparting further release of doxorubicin. The doxorubicin 

121  

CHAPTER 4 | advanced nanogel engineering for drug delivery  

 

released intracellularly induces apoptosis that allows the nanogels, still containing sufficient amounts 

of doxorubicin, to be taken up by neighbouring cells.  In this way, doxorubicin  loaded nanogels may 

‘infect’  several  cells  and  release  the  anticancer  agent  in  a  pH  triggered  pulsatile  fashion  (Figure 

4.6).[90]  

Different  types  of  degradable  nanogels  are  currently  explored  with  the  aim  of  enhancing  the 

intracellular  delivery  of  encapsulated  drugs.  Moreover,  degradability  of  the  nanogel  carrier  is 

essential  in  drug  delivery  to  lower  toxicity  and  avoid  accumulation  in  the  body  upon  repeated 

administration. Labile bonds can be incorporated in the polymer backbone or in the crosslinks of the 

hydrogel  network.  This  class  of  nanogels  releases  its  payload  upon  degradation  in  response  to 

specific  intracellular stimuli such as pH[47], reducing agents or enzymatic activity. As a first example, 

the  Fréchet  group  reported  on DNA  and  protein  antigen  encapsulation  into  acrylamide  nanogels 

copolymerized with  an  acid  cleavable  bisacrylamide  acetal  crosslinker.[42,48,49]  These  nanogels  are 

designed to degrade under the acidic conditions found in the phagolysosomes of Antigen Presenting 

Cell’s  (APCs). Upon  lysosomal degradation of  the nanogels,  the encapsulated DNA can be  released 

and interact with TLR‐9 for enhanced cytokine production.[42,49] 

Moreover,  the  accumulation  of  degradation  fragments  in  the  lysosomal  lumen  induces  a  rise  in 

osmotic pressure which is believed to destabilize the endosomal membrane and enables the transfer 

of  the  encapsulated  antigen  to  the  cytoplasm  for MHC  class  I  processing.[48,49]  Second,  disulfide 

crosslinked  nanogels  employ  the  intracellular  reductive  potential  to  deliver  their  therapeutic 

payload.[91] It is known that disulfide linkages can be selectively cleaved inside the target cell by the 

reductive  environment  in  the  endo/lysosomes  and  by  cytoplasmic  glutathione.[92]  Lee  et  al. 

succeeded  in  the  fabrication of hyaluronic acid  (HA) based nanogels around 200‐500 nm  in size.[43] 

For this purpose, thiol modified HA was crosslinked by ultrasonic treatment through the formation of 

disulfide bonds in an inverse water‐in‐oil emulsification process. SiRNA was added to the HA solution 

during  the  emulsification  process  which  led  to  their  physical  entrapment  inside  the  resulting 

nanogels. Upon cellular internalisation, disulfide reduction disassembled the nanogels which resulted 

in  siRNA  release.  In  a  comparable  approach,  cationic  PEI‐cl‐PEG/Pluronic  nanogels[93] were made 

degradable by the use of branched PEI polycations in which the 2 kDa PEI segments were linked via 

disulfide  bridges.[92]  Very  recently, Morimoto  et  al.  reported  on  the  self‐assembly  of  PNIPAAm‐g‐

pullulan  chains  carrying  thiol  end  groups,  resulting  in  nanogels  responding  to  changes  in 

environmental  temperature  and  redox  potential.  Below  the  LCST,  only  disulfide  bridges  secure 

nanogel  stability, while  above  the  LCST  the  hydrophobic  interactions  between  the  PNIPAAm  side 

chains introduce additional physical crosslinks in the hydrogel network.[94] 

122  

advanced nanogel engineering for drug delivery | CHAPTER 4 

 

 

FIGURE 4.6 | (Top) Protonation of histidine moieties in poly(L‐histidine‐co‐phenylalanine) nanogels at lower pH results  in  significant  swelling  of  the  nanogel  core  triggering  doxorubicin  (DOX)  release,  (Bottom)  Pulsatile release  pattern  of  doxorubicin  from  poly(L‐histidine‐co‐phenylalanine)  nanogels  as  a  result  of swelling/deswelling transitions in response to a change in environmental pH. Reprinted and modified from Lee et al. [90]. 

Third,  intracellular  release can also be  triggered by enzymatic degradation of  the nanogels. Mostly 

macro‐ and microscopic enzyme‐responsive hydrogels have been  investigated so far.[95‐97] However, 

Glangchai  et  al.  recently  demonstrated  the  lithographic  preparation  of  enzymatically‐triggered 

nanogels.[38] The authors designed sub 100 nm sized PEG diacrylate nanogels that are copolymerized 

123  

CHAPTER 4 | advanced nanogel engineering for drug delivery  

 

with an acrylated GFLGK peptide crosslinker. Enzymatic cleavage of the crosslinker by thiol proteases, 

e.g. cathepsin B, releases the therapeutic payload which was shown for antibodies and pDNA. As this 

class of enzymes  is mainly  located  in the extracellular matrix of tumours and  inside  lysosomes, the 

drug will be mainly released locally in these confined compartments. 

Optimizing nanogel architecture for in vivo application 

Ideally, drug delivery vehicles have  to  safely guide  their  therapeutic payload  to  the desired  target 

tissue. However,  to  reach  the  target  tissue,  several  extracellular  barriers  need  to  be  overcome.[1] 

Shielding  of  the  nanoparticle  surface  with  inert,  hydrophilic  polymers  and  introducing  targeting 

ligands  may  significantly  improve  in  vivo  delivery  and  therapeutic  efficacy  (Figure  4.7).  The 

hydrophilic  modification  of  nanoparticles  can  (a)  prevent  particle  uptake  by  the  mononuclear 

phagocytic  system,  (b)  decrease  the  recognition  by  the  immune  system  and  (c)  enhance  their 

circulation time in the bloodstream. Indeed, the presence of a hydrophilic surface is known to reduce 

non‐specific  interactions with  serum proteins  and  thereby  also  lowers  the  risk of phagocytosis by 

immune cells as opsonisation is prevented.[98] Longer circulation times offer nanogels a better chance 

of targeting the site of interest and may increase passive accumulation of drug loaded nanogels into 

distant tumours due to the enhanced permeability and retention (EPR) effect. It has been described 

that  the  leaky  discontinuous  vasculature  often  found  in  tumour  tissue,  together with  the  slower 

efflux, can result in high local deposition of nanoparticles.[61,99,100] In addition, targeting of cell‐surface 

receptors is a very attractive concept to achieve cell specific binding and subsequent internalization. 

In  this  way,  the  fraction  of  the  administered  dose  that  accumulates  at  the  target  site  can  be 

enhanced  thereby  also  minimizing  the  risk  of  adverse  effects.  Many  recent  investigations  have 

evaluated both strategies for drug loaded nanogels. 

With  regard  to  the  shielding of nanogels, most  research  is  focused on PEG based nanogels or  the 

surface modification  of  nanogels  with  a  hydrophilic  PEG  shell  (also  termed  PEGylation).  Several 

groups constructed stimuli‐responsive core‐crosslinked polymeric micelles with a PEG corona.[101‐104] 

However, some controversy exists on whether or not  this  type of nanocarriers can be  regarded as 

nanogels. Nagasaki  and  co‐workers  copolymerized PEG,  carrying  a  vinylbenzyl  group, with 2‐(N,N‐

diethylamino)ethyl methacrylate to obtain cationic nanogels with a hydrophilic PEG shell.[71,72,105] Lee 

et al. fabricated a double hydrophilic shell, consisting of PEG and bovine serum albumin (BSA), at the 

surface  of  polypeptide  nanogels.[90]  Besides  PEG,  also  other  hydrophilic  polymers  have  been 

investigated for their ‘stealth’ properties, such as various polysaccharides.[106‐109] 

124  

advanced nanogel engineering for drug delivery | CHAPTER 4 

 

 

FIGURE 4.7 | Biofunctionalization of stimuli‐responsive nanogels through the introduction of a hydrophilic shell and the coupling of targeting ligands may result in nanogel carriers that are of interest for clinical applications. 

With regard to the active targeting of nanoparticles, the iron transporting plasma protein transferrin 

is frequently used as a targeting  ligand for tumour targeting since the expression of the transferrin 

receptor  is often upregulated  in  fast‐dividing  tissues.[110] Chitosan[69], poly(NIPAAm) based[82,87] and 

PEG‐cl‐PEI  nanogels[93]  were  modified  with  transferrin  to  improve  their  cellular  uptake  and 

intracellular drug delivery. The  folate  receptor  is also overexpressed  in many  tumours[111], making 

folic acid a prime candidate  for active  targeting of nanogels.[55,74,75,90,112] Other valuable approaches 

include incorporating ligands for the asialoglycoprotein receptor, used in hepatocyte targeting[81,113], 

or  the  conjugation  of  monoclonal  antibodies  for  specific  cell‐surface  markers.[57,114]  A  recent 

approach by  the group of Andrew  Lyon  involves  the  coupling of a peptide  shell  to PNIPAAm  core 

nanogels  for  receptor  mediated  siRNA  targeting  towards  carcinoma  cells  overexpressing  the 

erythropoietin producing hepatocellular A2 receptor (EphA2).[44] 

CONCLUSIONS AND FUTURE PERSPECTIVES 

Owing to our  increasing knowledge on the biological barriers that nanomaterials encounter  in vivo, 

research  in  the  field  of  drug  delivery  has  gradually  evolved  to  a  top‐to‐bottom  approach.[1]  This 

125  

CHAPTER 4 | advanced nanogel engineering for drug delivery  

 

approach  implies  that  scientists  now  aim  to  design  nanoparticles with  appropriate  drug  delivery 

properties  in  relation  to  the  envisioned  biological  target.  Nanogels  fit  extremely  well  into  this 

strategy, since they offer the possibility for stimuli‐controlled release of therapeutic agents. Several 

proof‐of‐concept studies have highlighted the potential of such ‘intelligent’ nanogels that are able to 

sense and respond to environmental changes. In this way, drug release can be controlled in a spatial 

and  temporal  fashion. Especially attractive so  far has been  the design of nanogels  that retain  their 

therapeutic  payload  in  the  extracellular  environment  but  release  it  once  they  are  internalized  by 

target cells, in response to an intracellular trigger. However, like for all types of nanoparticles under 

investigation for drug delivery, the in vivo biodistribution of nanogels is mainly governed by their size 

and surface properties which should also be  taken  into careful consideration  in  the engineering of 

nanogels for clinical applications. 

Despite the progress made  in this field of nanomaterials there still  is a  long way to go before drug 

loaded  nanogels  will  reach  the  clinic.  More  than  a  decade  of  intensive  research  provided  the 

technological  basis  for  the  development  of  ‘intelligent’  soft  nanomaterials.  Nonetheless,  new 

developments  both  in  engineering  stimuli‐responsive  materials,  bioconjugation  methods  as  in 

controlled  colloid  synthesis  are  key  considerations  to  further  improve  the  design  of  advanced 

hydrogel nanomaterials. Moreover,  it must be emphasized  that  there  is an urgent need  for  in vivo 

data  from  nanogels  in  preclinical  development.  To  translate  the  nanogel  concept  into  a  viable 

therapeutic approach, it will indeed become increasingly important to study toxicity, immunogenicity 

and pharmacokinetics together with drug effects in validated in vivo models. 

Amongst  the  different  classes  of  polymeric  materials  in  drug  delivery,  polysaccharides  are  very 

frequently used to prepare nanoparticles and nanogels. As abundant natural biomaterials, they can 

be regarded as safe, biocompatible and they usually have a low processing cost.[22] Chapter 3 already 

mentioned  the  use  of  methacrylate  functionalized  dextran  (dex‐HEMA)  for  the  production  of 

hydrogels and microgels. In the next chapter, this material will be investigated for the preparation of 

nanosized hydrogels that are to be deployed as carriers of small interfering RNA (siRNA). 

ACKNOWLEDGMENTS 

Koen  Raemdonck  is  a  doctoral  fellow  of  the  Institute  for  the  Promotion  of  Innovation  through 

Science and Technology in Flanders (IWT‐Vlaanderen). The authors would like to acknowledge the EU 

(FP6) for funding of MediTrans, an integrated project on nanomedicines. 

   

126  

advanced nanogel engineering for drug delivery | CHAPTER 4 

 

REFERENCE LIST 

1.   Remaut K.,  Sanders N.N., De Geest B.G., Braeckmans  K.  et  al., Nucleic  acid delivery: Where material sciences and bio‐sciences meet, Materials Science & Engineering R‐Reports 2007, 58: 117‐161. 

2.   Gupta P., Vermani K., and Garg S., Hydrogels:  from controlled  release  to pH‐responsive drug delivery, Drug Discovery Today 2002, 7: 569‐579. 

3.   Peppas  N.A.,  Bures  P.,  Leobandung W.,  and  Ichikawa  H.,  Hydrogels  in  pharmaceutical  formulations, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 2000, 50: 27‐46. 

4.   Peppas  N.A.,  Hilt  J.Z.,  Khademhosseini  A.,  and  Langer  R.,  Hydrogels  in  biology  and medicine:  From molecular principles to bionanotechnology, Advanced Materials 2006, 18: 1345‐1360. 

5.   Nayak S. and Lyon L.A., Soft nanotechnology with soft nanoparticles, Angewandte Chemie‐International Edition 2005, 44: 7686‐7708. 

6.   Oh J.K., Drumright R., Siegwart D.J., and Matyjaszewski K., The development of microgels/nanogels for drug delivery applications, Progress in Polymer Science 2008, 33: 448‐477. 

7.   Malmsten M., Soft drug delivery systems, Soft Matter 2006, 2: 760‐769. 8.   Ulanski P. and Rosiak J.M., polymeric nano/microgels, encyclopedia of nanoscience and nanotechnology 

2008, 8: 845‐871. 9.   Yallapu  M.M.,  Reddy  M.K.,  and  Labhasetwar  V.,  Nanogels:  chemistry  to  drug  delivery,  Biomedical 

applications of nanotechnology 2008, 131‐171. 10.   Hennink W.E. and van Nostrum C.F., Novel  crosslinking methods  to design hydrogels, Advanced Drug 

Delivery Reviews 2002, 54: 13‐36. 11.   Landfester  K.,  Synthesis  of  colloidal  particles  in miniemulsions, Annual  Review  of Materials  Research 

2006, 36: 231‐279. 12.   Pelton R., Temperature‐sensitive aqueous microgels, Advances in Colloid and Interface Science 2000, 85: 

1‐33. 13.   Akiyama E., Morimoto N., Kujawa P., Ozawa Y. et al., Self‐assembled nanogels of cholesteryl‐modified 

polysaccharides: Effect of the polysaccharide structure on their association characteristics  in the dilute and semidilute regimes, Biomacromolecules 2007, 8: 2366‐2373. 

14.   Kuroda  K.,  Fujimoto  K.,  Sunamoto  J.,  and  Akiyoshi  K.,  Hierarchical  self‐assembly  of  hydrophobically modified pullulan in water: Gelation by networks of nanoparticles, Langmuir 2002, 18: 3780‐3786. 

15.   Nagahama K., Mori Y., Ohya Y., and Ouchi T., Biodegradable nanogel  formation of polylactide‐grafted dextran copolymer  in dilute aqueous solution and enhancement of  its stability by stereocomplexation, Biomacromolecules 2007, 8: 2135‐2141. 

16.   Yu S.Y., Hu  J.H., Pan X.Y., Yao P. et al., Stable and pH‐sensitive nanogels prepared by self‐assembly of chitosan and ovalbumin, Langmuir 2006, 22: 2754‐2759. 

17.   Van Tomme S.R. and Hennink W.E., Biodegradable dextran hydrogels  for protein delivery applications, Expert Review of Medical Devices 2007, 4: 147‐164. 

18.   Raemdonck K., Van Thienen T.G., Vandenbroucke R.E., Sanders N.N. et al., Dextran microgels for time‐controlled delivery of siRNA, Advanced Functional Materials 2008, 18: 993‐1001. 

19.   Huang X., Misra G.P., Vaish A., Flanagan  J.M. et al., Novel Nanogels with Both Thermoresponsive and Hydrolytically Degradable Properties, Macromolecules 2008, 41: 8339‐8345. 

20.   Daoud‐Mahammed  S.,  Ringard‐Lefebvre  C.,  Razzouq N.,  Rosilio  V.  et  al.,  Spontaneous  association  of hydrophobized  dextran  and  poly‐[beta]‐cyclodextrin  into  nanoassemblies.:  Formation  and  interaction with a hydrophobic drug, Journal of Colloid and Interface Science 2007, 307: 83‐93. 

21.   Broaders K.E., Cohen J.A., Beaudette T.T., Bachelder E.M. et al., Acetalated dextran  is a chemically and biologically  tunable material  for particulate  immunotherapy, Proc. Natl. Acad.  Sci. U.  S. A 2009, 106: 5497‐5502. 

22.   Liu  Z.H.,  Jiao  Y.P., Wang  Y.F.,  Zhou  C.R.  et  al.,  Polysaccharides‐based  nanoparticles  as  drug  delivery systems, Advanced Drug Delivery Reviews 2008, 60: 1650‐1662. 

23.   Hong  J.S., Vreeland W.N., Paoli  Lacerda S.H.,  Locascio  L.E. et al.,  Liposome‐templated  supramolecular assembly of responsive alginate nanogels, Langmuir 2008, 24: 4092‐4096. 

24.   Kazakov  S.,  Kaholek  M.,  Teraoka  I.,  and  Levon  K.,  UV‐induced  gelation  on  nanometer  scale  using liposome reactor, Macromolecules 2002, 35: 1911‐1920. 

25.   Van Thienen T.G., Lucas B., Flesch F.M., van Nostrum C.F. et al., On the synthesis and characterization of biodegradable dextran nanogels with tunable degradation properties, Macromolecules 2005, 38: 8503‐8511. 

127  

CHAPTER 4 | advanced nanogel engineering for drug delivery  

 

26.   Van Thienen T.G., Raemdonck K., Demeester J., and De Smedt S.C., Protein release from biodegradable dextran nanogels, Langmuir 2007, 23: 9794‐9801. 

27.   Van Thienen T.G., Demeester J., and De Smedt S.C., Screening poly(ethyleneglycol) micro‐ and nanogels for drug delivery purposes, International Journal of Pharmaceutics 2008, 351: 174‐185. 

28.   An  S.Y.,  Bui  M.P.,  Nam  Y.J.,  Han  K.N.  et  al.,  Preparation  of  monodisperse  and  size‐controlled poly(ethylene glycol) hydrogel nanoparticles using liposome templates, J. Colloid Interface Sci. 2009, 331: 98‐103. 

29.   Braunecker  W.A.  and  Matyjaszewski  K.,  Controlled/living  radical  polymerization:  Features, developments, and perspectives, Progress in Polymer Science 2007, 32: 93‐146. 

30.   Kim  K.H.,  Kim  J.,  and  Jo  W.H.,  Preparation  of  hydrogel  nanoparticles  by  atom  transfer  radical polymerization of N‐isopropylacrylamide in aqueous media using PEG macro‐initiator, Polymer 2005, 46: 2836‐2840. 

31.   Oh  J.K.,  Tang  C.B.,  Gao  H.F.,  Tsarevsky  N.V.  et  al.,  Inverse miniemulsion  ATRP:  A  new method  for synthesis and functionalization of well‐defined water‐soluble/cross‐linked polymeric particles, Journal of the American Chemical Society 2006, 128: 5578‐5584. 

32.   Oh  J.K., Siegwart D.J., Lee H.I., Sherwood G. et al., Biodegradable nanogels prepared by atom  transfer radical polymerization as potential drug delivery carriers: Synthesis, biodegradation, in vitro release, and bioconjugation, Journal of the American Chemical Society 2007, 129: 5939‐5945. 

33.   Oh  J.K.,  Siegwart  D.J.,  and Matyjaszewski  K.,  Synthesis  and  biodegradation  of  nanogels  as  delivery carriers for carbohydrate drugs, Biomacromolecules 2007, 8: 3326‐3331. 

34.   Euliss L.E., Dupont J.A., Gratton S., and DeSimone J.,  Imparting size, shape, and composition control of materials for nanomedicine, Chemical Society Reviews 2006, 35: 1095‐1104. 

35.   Napier M.E. and Desimone  J.M., Nanoparticle drug delivery platform, Polymer Reviews 2007, 47: 321‐327. 

36.   Rolland  J.P.,  Maynor  B.W.,  Euliss  L.E.,  Exner  A.E.  et  al.,  Direct  fabrication  and  harvesting  of monodisperse,  shape‐specific  nanobiomaterials,  Journal  of  the American  Chemical  Society  2005,  127: 10096‐10100. 

37.   Gratton  S.E.A.,  Ropp  P.A.,  Pohlhaus  P.D.,  Luft  J.C.  et  al.,  The  effect  of  particle  design  on  cellular internalization  pathways,  Proceedings  of  the  National  Academy  of  Sciences  of  the  United  States  of America 2008, 105: 11613‐11618. 

38.   Glangchai  L.C., Caldorera‐Moore M.,  Shi  L.,  and Roy K., Nanoimprint  lithography based  fabrication of shape‐specific,  enzymatically‐triggered  smart  nanoparticles,  Journal  of  Controlled  Release  2008,  125: 263‐272. 

39.   Brown  J.M. and Giaccia A.J., The unique physiology of solid  tumors: Opportunities  (and problems)  for cancer therapy, Cancer Research 1998, 58: 1408‐1416. 

40.   Gao D., Xu H., Philbert M.A., and Kopelman R., Ultrafine hydrogel nanoparticles: Synthetic approach and therapeutic application in living cells, Angewandte Chemie‐International Edition 2007, 46: 2224‐2227. 

41.   Missirlis D., Kawamura R., Tirelli N., and Hubbell J.A., Doxorubicin encapsulation and diffusional release from stable, polymeric, hydrogel nanoparticles, European Journal of Pharmaceutical Sciences 2006, 29: 120‐129. 

42.   Goh S.L., Murthy N., Xu M.C., and Frechet J.M.J., Cross‐linked microparticles as carriers for the delivery of plasmid DNA for vaccine development, Bioconjugate Chemistry 2004, 15: 467‐474. 

43.   Lee H., Mok H.,  Lee  S., Oh  Y.K.  et  al.,  Target‐specific  intracellular delivery of  siRNA using degradable hyaluronic acid nanogels, Journal of Controlled Release 2007, 119: 245‐252. 

44.   Blackburn W.H., Dickerson E.B., Smith M.H., McDonald  J.F. et al., Peptide‐Functionalized Nanogels  for Targeted siRNA Delivery, Bioconjug. Chem. 2009, 286: 563‐569. 

45.   Hu Y., Atukorale P.U., Lu J.J., Moon J.J. et al., Cytosolic delivery mediated via electrostatic surface binding of protein, virus, or siRNA cargos to pH‐responsive core‐shell gel particles, Biomacromolecules 2009, 10: 756‐765. 

46.   Ayame  H., Morimoto  N.,  and  Akiyoshi  K.,  Self‐assembled  cationic  nanogels  for  intracellular  protein delivery, Bioconjugate Chemistry 2008, 19: 882‐890. 

47.   Shi L.J., Khondee S., Linz T.H., and Berkland C., Poly(N‐vinylformamide) nanogels capable of pH‐sensitive protein release, Macromolecules 2008, 41: 6546‐6554. 

48.   Kwon  Y.J.,  Standley  S.M.,  Goh  S.L.,  and  Fréchet  J.M.J.,  Enhanced  antigen  presentation  and immunostimulation of dendritic cells using acid‐degradable cationic nanoparticles, Journal of Controlled Release 2005, 105: 199‐212. 

128  

advanced nanogel engineering for drug delivery | CHAPTER 4 

 

49.   Standley  S.M., Mende  I., Goh  S.L.,  Kwon  Y.J.  et  al.,  Incorporation  of  CpG  oligonucleotide  ligand  into protein‐loaded particle vaccines promotes antigen‐specific CD8 T‐cell immunity, Bioconjugate Chemistry 2007, 18: 77‐83. 

50.   Shimizu T., Kishida T., Hasegawa U., Ueda Y. et al., Nanogel DDS enables sustained release of  IL‐12 for tumor immunotherapy, Biochemical and Biophysical Research Communications 2008, 367: 330‐335. 

51.   Akiyoshi  K.,  Deguchi  S.,  Moriguchi  N.,  Yamaguchi  S.  et  al.,  Self‐Aggregates  of  Hydrophobized Polysaccharides  in Water  ‐ Formation and Characteristics of Nanoparticles, Macromolecules 1993, 26: 3062‐3068. 

52.   Kageyama S., Kitano S., Hirayama M., Nagata Y. et al., Humoral immune responses in patients vaccinated with 1‐146 HER2 protein complexed with cholesteryl pullulan nanogel, Cancer Science 2008, 99: 601‐607. 

53.   Kitano S., Kageyama S., Nagata Y., Miyahara Y. et al., HER2‐specificT‐cell  immune responses  in patients vaccinated with truncated HER2 protein complexed with nanogels of cholesteryl pullulan, Clinical Cancer Research 2006, 12: 7397‐7405. 

54.   Buyens K., Lucas B., Raemdonck K., Braeckmans K. et al., A fast and sensitive method for measuring the integrity of siRNA‐carrier complexes in full human serum, Journal of Controlled Release 2008, 126: 67‐76. 

55.   Vinogradov S.V., Zeman A.D., Batrakova E.V., and Kabanov A.V., Polyplex Nanogel formulations for drug delivery of cytotoxic nucleoside analogs, Journal of Controlled Release 2005, 107: 143‐157. 

56.   McAllister  K.,  Sazani  P.,  Adam  M.,  Cho  M.J.  et  al.,  Polymeric  nanogels  produced  via  inverse microemulsion polymerization as potential gene and antisense delivery agents, Journal of the American Chemical Society 2002, 124: 15198‐15207. 

57.   Vinogradov S.V., Colloidal microgels  in drug delivery applications, Current Pharmaceutical Design 2006, 12: 4703‐4712. 

58.   Vinogradov  S.,  Batrakova  E.,  and  Kabanov  A.,  Poly(ethylene  glycol)‐polyethyleneimine  NanoGel(TM) particles:  novel  drug  delivery  systems  for  antisense  oligonucleotides,  Colloids  and  Surfaces  B: Biointerfaces 1999, 16: 291‐304. 

59.   Eichenbaum G.M., Kiser P.F.,  Simon  S.A.,  and Needham D., pH  and  ion‐triggered  volume  response of anionic hydrogel microspheres, Macromolecules 1998, 31: 5084‐5093. 

60.   Ahn  S.K., Kasi R.M., Kim  S.C.,  Sharma N. et  al.,  Stimuli‐responsive polymer  gels,  Soft Matter 2008, 4: 1151‐1157. 

61.   Ganta S., Devalapally H., Shahiwala A., and Amiji M., A review of stimuli‐responsive nanocarriers for drug and gene delivery, Journal of Controlled Release 2008, 126: 187‐204. 

62.   Dai  S.,  Ravi  P.,  and  Tam  K.C.,  pH‐Responsive  polymers:  synthesis,  properties  and  applications,  Soft Matter 2008, 4: 435‐449. 

63.   Rzaev  Z.M.O.,  Dincer  S.,  and  Piskin  E.,  Functional  copolymers  of  N‐isopropylacrylamide  for bioengineering applications, Progress in Polymer Science 2007, 32: 534‐595. 

64.   Na K. and Bae Y.H., Self‐assembled hydrogel nanoparticles  responsive  to  tumor extracellular pH  from pullulan  derivative/sulfonamide  conjugate:  Characterization,  aggregation,  and  adriamycin  release  in vitro, Pharmaceutical Research 2002, 19: 681‐688. 

65.   Na  K.,  Lee  E.S.,  and  Bae  Y.H.,  Self‐organized  nanogels  responding  to  tumor  extracellular  pH:  pH‐dependent drug release and  in vitro cytotoxicity against MCF‐7 cells, Bioconjugate Chemistry 2007, 18: 1568‐1574. 

66.   Gerweck  L.E.  and  Seetharaman  K.,  Cellular  pH  gradient  in  tumor  versus  normal  tissue:  Potential exploitation for the treatment of cancer, Cancer Research 1996, 56: 1194‐1198. 

67.   Stubbs M., McSheehy  P.M.J.,  Griffiths  J.R.,  and  Bashford  C.L.,  Causes  and  consequences  of  tumour acidity and implications for treatment, Molecular Medicine Today 2000, 6: 15‐19. 

68.   Van Dyke R.W., Acidification of lysosomes and endosomes, Subcell. Biochem. 1996, 27: 331‐360. 69.   Zhang H., Mardyani S., Chan W.C.W., and Kumacheva E., Design of biocompatible chitosan microgels for 

targeted pH‐mediated  intracellular  release of  cancer  therapeutics, Biomacromolecules  2006, 7: 1568‐1572. 

70.   Shen  X.C.,  Zhang  L.Y.,  Jiang  X.Q.,  Hu  Y.  et  al.,  Reversible  surface  switching  of  nanogel  triggered  by external stimuli, Angewandte Chemie‐International Edition 2007, 46: 7104‐7107. 

71.   Hayashi H., Iijima M., Kataoka K., and Nagasaki Y., pH‐sensitive nanogel possessing reactive PEG tethered chains on the surface, Macromolecules 2004, 37: 5389‐5396. 

72.   Oishi M., Hayashi H., Michihiro  I.D.,  and Nagasaki  Y.,  Endosomal  release  and  intracellular delivery of anticancer drugs using pH‐sensitive PEGylated nanogels, Journal of Materials Chemistry 2007, 17: 3720‐3725. 

129  

CHAPTER 4 | advanced nanogel engineering for drug delivery  

 

73.   Hu Y., Litwin T., Nagaraja A.R., Kwong B. et al., Cytosolic delivery of membrane‐impermeable molecules in dendritic cells using pH‐Responsive core‐shell nanoparticles, Nano Letters 2007, 7: 3056‐3064. 

74.   Soppimath  K.S.,  Liu  L.H.,  Seow  W.Y.,  Liu  S.Q.  et  al.,  Multifunctional  core/shell  nanoparticles  self‐assembled  from  pH‐induced  thermosensitive  polymers  for  targeted  intracellular  anticancer  drug delivery, Advanced Functional Materials 2007, 17: 355‐362. 

75.   Blackburn W.H. and Lyon L.A., Size‐controlled synthesis of monodisperse core/shell nanogels, Colloid and Polymer Science 2008, 286: 563‐569. 

76.   Debord  J.D. and  Lyon  L.A., Synthesis and  characterization of pH‐responsive  copolymer microgels with tunable volume phase transition temperatures, Langmuir 2003, 19: 7662‐7664. 

77.   Gan D.J.  and  Lyon  L.A.,  Tunable  swelling  kinetics  in  core‐shell  hydrogel  nanoparticles,  Journal  of  the American Chemical Society 2001, 123: 7511‐7517. 

78.   Kuckling D., Vo C.D., Adler H.J.P., Volkel A. et al., Preparation and characterization of photo‐cross‐linked thermosensitive PNIPAAm nanogels, Macromolecules 2006, 39: 1585‐1591. 

79.   Shin Y.S., Chang J.H., Liu J., Williford R. et al., Hybrid nanogels for sustainable positive thermosensitive drug release, Journal of Controlled Release 2001, 73: 1‐6. 

80.   Lee Y., Park S.Y., Kim C., and Park T.G., Thermally triggered  intracellular explosion of volume transition nanogels for necrotic cell death, J. Control Release 2009, 135: 89‐95. 

81.   Choi S.H., Yoon J.J., and Park T.G., Galactosylated poly(N‐isopropylacrylamide) hydrogel submicrometer particles  for specific cellular uptake within hepatocytes,  Journal of Colloid and  Interface Science 2002, 251: 57‐63. 

82.   Das M., Mardyani S., Chan W.C.W., and Kumacheva E., Biofunctionalized pH‐responsive microgels  for cancer cell targeting: Rational design, Advanced Materials 2006, 18: 80‐83. 

83.   Soppimath  K.S.,  Tan  D.C.W.,  and  Yang  Y.Y.,  pH‐triggered  thermally  responsive  polymer  core‐shell nanoparticles for drug delivery, Advanced Materials 2005, 17: 318. 

84.   Teng D.Y., Hou  J.L.,  Zhang  X.G., Wang  X.  et  al., Glucosamine‐carrying  temperature‐  and  pH‐sensitive microgels:  Preparation,  characterization,  and  in  vitro  drug  release  studies,  Journal  of  Colloid  and Interface Science 2008, 322: 333‐341. 

85.   Tian P., Wu Q.L., and Lian K., Preparation of temperature‐ and pH‐sensitive, stimuli‐responsive poly(N‐isopropylacrylamide‐co‐methacrylic acid) nanoparticles,  Journal of Applied Polymer Science 2008, 108: 2226‐2232. 

86.   Zhang  L.Y., Guo R., Yang M.,  Jiang X.Q. et al., Thermo and pH dual‐responsive nanoparticles  for anti‐cancer drug delivery, Advanced Materials 2007, 19: 2988‐+. 

87.   Quan C.Y., Sun Y.X., Cheng H., Cheng S.X. et al., Thermosensitive P(NIPAAm‐co‐PAAc‐co‐HEMA) nanogels conjugated with transferrin for tumor cell targeting delivery, Nanotechnology 2008, 19.  

88.   Hoare T. and Pelton R., Charge‐switching, amphoteric glucose‐responsive microgels with physiological swelling activity, Biomacromolecules 2008, 9: 733‐740. 

89.   Bhattacharya S., Eckert F., Boyko V., and Pich A., Temperature‐, pH‐, and magnetic‐field‐sensitive hybrid microgels, Small 2007, 3: 650‐657. 

90.   Lee  E.S.,  Kim  D.,  Youn  Y.S.,  Oh  K.T.  et  al.,  A  virus‐mimetic  nanogel  vehicle,  Angewandte  Chemie‐International Edition 2008, 47: 2418‐2421. 

91.   Bae  K.H., Mok  H.,  and  Park  T.G.,  Synthesis,  characterization,  and  intracellular  delivery  of  reducible heparin nanogels for apoptotic cell death, Biomaterials 2008, 29: 3376‐3383. 

92.   Kohli  E., Han H.Y.,  Zeman A.D.,  and Vinogradov  S.V.,  Formulations of biodegradable Nanogel  carriers with  5'‐triphosphates  of  nucleoside  analogs  that  display  a  reduced  cytotoxicity  and  enhanced  drug activity, Journal of Controlled Release 2007, 121: 19‐27. 

93.   Vinogradov S.V., Kohli E., and Zeman A.D., Comparison of nanogel drug carriers and their formulations with nucleoside 5 '‐triphosphates, Pharmaceutical Research 2006, 23: 920‐930. 

94.   Morinloto N., Qiu X.P., Winnik F.M., and Akiyoshi K., Dual stimuli‐responsive nanogels by self‐assembly of  polysaccharides  lightly  grafted  with  thiol‐terminated  poly(N‐isopropylacrylamide)  chains, Macromolecules 2008, 41: 5985‐5987. 

95.   Thornton P.D., Mart R.J., and Ulijn R.V., Enzyme‐responsive polymer hydrogel particles  for  controlled release, Advanced Materials 2007, 19: 1252.. 

96.   Thornton  P.D.,  Mart  R.J.,  Webb  S.J.,  and  Ulijn  R.V.,  Enzyme‐responsive  hydrogel  particles  for  the controlled release of proteins: designing peptide actuators to match payload, Soft Matter 2008, 4: 821‐827. 

97.   Ulijn  R.V.,  Enzyme‐responsive  materials:  a  new  class  of  smart  biomaterials,  Journal  of  Materials Chemistry 2006, 16: 2217‐2225. 

130  

advanced nanogel engineering for drug delivery | CHAPTER 4 

 

98.   Owens  D.E.  and  Peppas  N.A.,  Opsonization,  biodistribution,  and  pharmacokinetics  of  polymeric nanoparticles, International Journal of Pharmaceutics 2006, 307: 93‐102. 

99.   Cho K.J., Wang X., Nie S.M., Chen Z. et al., Therapeutic nanoparticles for drug delivery in cancer, Clinical Cancer Research 2008, 14: 1310‐1316. 

100.   Maeda H., The enhanced permeability and retention (EPR) effect  in tumor vasculature: The key role of tumor‐selective macromolecular drug targeting, 2001, 189‐207. 

101.   Bontha S., Kabanov A.V., and Bronich T.K., Polymer micelles with cross‐linked ionic cores for delivery of anticancer drugs, Journal of Controlled Release 2006, 114: 163‐174. 

102.   Rijcken  C.J.,  Snel  C.J.,  Schiffelers  R.M.,  van  Nostrum  C.F.  et  al.,  Hydrolysable  core‐crosslinked thermosensitive polymeric micelles: Synthesis, characterisation and  in vivo studies, Biomaterials 2007, 28: 5581‐5593. 

103.   Tamura A., Oishi M., and Nagasaki Y., Enhanced Cytoplasmic Delivery of siRNA Using a Stabilized Polyion Complex  Based  on  PEGylated Nanogels with  a  Cross‐Linked  Polyamine  Structure,  Biomacromolecules 2009, doi: 10.1021/bm900252d. 

104.   Yusa S., Sugahara M., Endo T., and Morishima Y., Preparation and characterization of a pH‐responsive nanogel based on a photo‐cross‐linked micelle formed from block copolymers with controlled structure, Langmuir 2009, 25: 5258‐5265. 

105.   Oishi M.  and Nagasaki  Y.,  Synthesis,  characterization,  and  biomedical  applications  of  core‐shell‐type stimuli‐responsive nanogels  ‐ Nanogel composed of poly[2‐(N,N‐diethylamino)ethyl methacrylate] core and PEG tethered chains, Reactive & Functional Polymers 2007, 67: 1311‐1329. 

106.   Lemarchand C., Gref R., and Couvreur P., Polysaccharide‐decorated nanoparticles, European  Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 2004, 58: 327‐341. 

107.   Lemarchand  C.,  Gref  R.,  Passirani  C.,  Garcion  E.  et  al.,  Influence  of  polysaccharide  coating  on  the interactions of nanoparticles with biological systems, Biomaterials 2006, 27: 108‐118. 

108.   Li J., Yu S.Y., Yao P., and Jiang M., Lysozyme‐dextran core‐shell nanogels prepared via a green process, Langmuir 2008, 24: 3486‐3492. 

109.   Labarre  D.,  Vauthier  C.,  Chauvierre  C.,  Petri  B.  et  al.,  Interactions  of  blood  proteins  with poly(isobutylcyanoacrylate) nanoparticles decorated with a polysaccharidic brush, Biomaterials 2005, 26: 5075‐5084. 

110.   Ogris M. and Wagner E., Targeting tumors with non‐viral gene delivery systems, Drug Discovery Today 2002, 7: 479‐485. 

111.   Leamon C.P. and Low P.S., Folate‐mediated targeting: from diagnostics to drug and gene delivery, Drug Discovery Today 2001, 6: 44‐51. 

112.   Nayak  S.,  Lee H., Chmielewski  J.,  and  Lyon  L.A.,  Folate‐mediated  cell  targeting  and  cytotoxicity using thermoresponsive microgels, Journal of the American Chemical Society 2004, 126: 10258‐10259. 

113.   Na K., Park K.H., Kim S.W., and Bae Y.H., Self‐assembled hydrogel nanoparticles from curdlan derivatives: characterization, anti‐cancer drug release and interaction with a hepatoma cell line (HepG2), Journal of Controlled Release 2000, 69: 225‐236. 

114.   Kwon Y.J.,  James E., Shastri N., and Frechet  J.M.J.,  In vivo  targeting of dendritic cells  for activation of cellular  immunity  using  vaccine  carriers  based  on  pH‐responsive  microparticles,  Proceedings  of  the National Academy of Sciences of the United States of America 2005, 102: 18264‐18268. 

     

131  

CHAPTER 4 | advanced nanogel engineering for drug delivery  

 

132  

 

biodegradable dextran nanogels for RNAi  | CHAPTER 5 

 

 CHAPTER 5 | Biodegradable dextran nanogels for RNAi: focusing on endosomal escape and intracellular 

siRNA delivery     

Parts of this chapter are published: 

 

Koen Raemdonck1, Broes Naeye1, Kevin Buyens1, Roosmarijn E. Vandenbroucke1, Anders Høgset2, 

Joseph Demeester1 and Stefaan C. De Smedt1, Advanced Functional Materials 2009, 19: 1406‐1415. 

 

1Laboratory of General Biochemistry and Physical Pharmacy, Department of Pharmaceutics, Faculty of Pharmaceutical 

Sciences, Ghent University, Harelbekestraat 72, B‐9000 Ghent, Belgium. 

2PCI Biotech, Hoffsveien 48, N‐0377, Oslo, Norway 

133  

CHAPTER 5 | biodegradable dextran nanogels for RNAi 

134  

ABSTRACT 

The  successful  therapeutic  application  of  small  interfering  RNA  (siRNA)  largely  relies  on  the 

development of safe and effective delivery systems that are able to guide the siRNA therapeutics to 

the  cytoplasm  of  the  target  cell.  In  this  report,  biodegradable  cationic  dextran  nanogels  are 

engineered  by  inverse  emulsion  photopolymerization  and  their  potential  as  siRNA  carriers  is 

evaluated. The nanogels are able to entrap siRNA with a high loading capacity, based on electrostatic 

interaction. Once  inside  the  cells,  the  degradation  of  the  nanogel  core  by  ester  hydrolysis  again 

releases  the  siRNA  cargo.  Confocal  microscopy  and  flow  cytometry  analysis  revealed  that  high 

amounts  of  siRNA  loaded  nanogels  can  be  internalized  by Huh‐7  human  hepatoma  cells, without 

significant cytotoxicity. Following  their endocytic uptake,  it  is  found  that  they are mainly  trafficked 

towards the endolysosomes. Since endosomal confinement of siRNA carrying nanoparticles is known 

to be one of the most important intracellular barriers for efficient gene silencing, we investigated the 

influence of two different strategies to enhance endosomal escape on the extent of gene silencing. 

We  found  that  both  the  application  of  photochemical  internalization  (PCI)  and  the  use  of  an 

influenza‐derived  fusogenic peptide  (diINF‐7), could significantly  improve  the silencing efficiency of 

our  siRNA  loaded nanogels.  Furthermore,  it  is  shown  that  an efficient  gene  silencing  requires  the 

degradation of the nanogels. As the degradation kinetics of the nanogels can easily be tailored, these 

particles show potential for intracellular controlled release of small interfering RNA. 

biodegradable dextran nanogels for RNAi  | CHAPTER 5 

 

5 OVERVIEW CHAPTER CONTENTS 

Chapter 5 provides: 

• a protocol  for  the production of nanosized dextran hydrogel particles  (nanogels) and  their 

subsequent loading with siRNA 

• an evaluation of their cellular internalization and the subsequent intracellular siRNA release  

• details regarding the improvement of intracellular siRNA delivery by application of validated 

endosomolytic tools 

Key terms: 

Nanogel – siRNA – cationic – flow cytometry – PCI – fusogenic peptide ‐ luciferase 

 

INTRODUCTION 

RNAi is now generally regarded as a promising strategy to modulate aberrant expression of disease‐

causing genes in the treatment of among others, cancer, viral infections, inflammatory diseases, and 

hypercholesterolemia.[1‐3] One approach to evoking RNAi is by the intracellular delivery of chemically 

synthesized siRNAs. However, the relatively large size of siRNA duplexes (approximately 14 kDa; 1 Da 

equals 1.66 x 10‐27 kg) and their negative charge (~40 ionized phosphate groups at physiological pH) 

do  not  allow  them  to  spontaneously  cross  cellular  membranes.  As  a  consequence,  clinical 

applications  of  siRNA  therapeutics  require  the  development  of  delivery  strategies  that  can  guide 

intact siRNA  into  the cytoplasm of  the  target cell, where  the RNAi machinery resides.[4,5] Both viral 

and non‐viral carriers have been used for the intracellular delivery of RNAi molecules. Although viral 

carriers are beyond doubt the most efficient delivery systems for nucleic acids, they still suffer from 

135  

CHAPTER 5 | biodegradable dextran nanogels for RNAi 

 

important disadvantages, such as the risk of insertional mutagenesis [6], undesired immunogenicity [7] 

and challenging and expensive large‐scale production. For these reasons, many research groups now 

focus  on  non‐viral  siRNA  delivery.  The  use  of  non‐viral  carriers  is  often  based  on  electrostatic 

complexation of the negatively charged siRNA with cationic lipids [8] (to form lipoplexes) or polymers 

(to form polyplexes).[9‐11] 

We  previously  reported  cationic  microgels  (mean  diameter  ~2‐3  µm)  that  consist  of  dextran 

hydroxyethyl  methacrylate  (dex‐HEMA,  Figure  5.1a),  which  was  copolymerized  with  cationic 

methacrylate monomers. The functionalization of dextran with methacrylate moieties, as discussed 

in  Chapter  3,  makes  it  feasible  to  incorporate  different  functionalities  in  the  dextran  hydrogel 

network by copolymerization with varying methacrylate monomers. In this way, the physicochemical 

properties of the hydrogel and its behaviour in a biological system may be adjusted according to the 

final needs.   HEMA  is coupled to the dextran backbone through a carbonate ester that  is subject to 

hydrolysis  under  physiological  conditions,  which  makes  the  cationic  hydrogel  network 

biodegradable.[12,13] We showed  in Chapter 3  that  the micron‐sized dex‐HEMA gel particles allow a 

slow release of encapsulated siRNA over several days.[14] In the present chapter, we aim to translate 

this  concept  to  the nanoscale by designing  cationic dex‐HEMA nanogels  in order  to achieve  time‐

controlled siRNA delivery  in an  intracellular environment. Cationic biodegradable dextran nanogels 

were  synthesized and  their ability  to  complex and  subsequently  release  the entrapped  siRNA was 

evaluated. Data on  cellular  internalization and  intracellular  trafficking were  linked  to  the eventual 

biological  RNAi  effect  in  a  human  hepatoma  cell  line.  Since  cationic  nanogels  are  most  likely 

internalized through endocytosis, the effect of validated endosomolytic tools on the extent of gene 

silencing was evaluated. Finally, to gain more insight into the exact mechanism of intracellular siRNA 

delivery,  we  conducted  control  experiments  with  non‐degradable  cationic  dextran  methacrylate 

nanogels (dex‐MA, Figure 5.1a).  

EXPERIMENTAL SECTION 

Preparation of cationic dextran nanogels 

For  the preparation of positively  charged dextran nanogels, a mini‐emulsion photo‐polymerization 

method was  applied  (Figure  5.1b).  Briefly,  100 mg  dextran  hydroxyethyl methacrylate  or  dextran 

methacrylate (dex‐HEMA or dex‐MA, Figure 5.1a) was dissolved  in 20 mM HEPES buffer pH 7.4 and 

supplemented with a known amount of  the  cationic methacrylate monomer  [2‐(methacryloyloxy)‐

ethyl] trimethylammonium chloride (TMAEMA, Figure 5.1a, Sigma) to a final volume of 340 µL. 

136  

biodegradable dextran nanogels for RNAi  | CHAPTER 5 

 

 

FIGURE 5.1 |  (a) Chemical structure of dextran hydroxyethyl methacrylate  (dex‐HEMA),  [2‐(methacryloyloxy)‐ethyl]trimethylammonium  chloride  (TMAEMA)  and  dextran methacrylate  (dex‐MA). Dex‐HEMA  and  dex‐MA were synthesized and characterized as previously reported  [12].  (b) Dex‐HEMA, supplemented with a water‐soluble photoinitiator (irgacure 2959) and TMAEMA, is emulsified in mineral oil/ABIL EM 90 by ultrasonication to  obtain  a W/O  emulsion.  UV  irradiation  initiates  the  polymerization  of  dex‐HEMA  and  TMAEMA  in  the nanodroplets. The  image on  the  right  represents an atomic  force microscopy  (AFM)  image of dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels (DS 21). The scale bar equals 1 µm. 

Subsequently,  60  µL  of  the  photoinitiator  irgacure  2959  (1% w/v  in HEPES  buffer,  Ciba  Specialty 

Chemicals), was added. This dextran phase was emulsified  in 4 mL mineral oil (low viscosity, Sigma) 

containing 10% v/v ABIL EM 90 surfactant  (Degussa Goldschmidt) through ultrasonication  (Branson 

Tip Sonifier, 25 cycles, pulse on/off 1.0 s, and amplitude 10%). Immediately after ultrasonication the 

formed nanodroplets were crosslinked by UV  irradiation (900 s, Bluepoint 2.1 UV source, Hönle UV 

technology). To remove the continuous phase, the emulsion was diluted 1:10 with a chilled mixture 

of  acetone/hexane  (1:1  volume  ratio).  The  precipitated  nanogels  were  pelleted  down  by 

centrifugation  (3000 g, 5 min) and  the supernatant was discarded. The nanogel pellet was washed 

three  times with  the acetone/hexane mixture before being dispersed  in 5 mL distilled water  (4°C). 

Traces of organic solvent were removed by vacuum evaporation at ambient temperature. Finally, the 

nanogels were lyophilized and stored at ‐20°C. When needed for experiments, a weighed amount of 

137  

CHAPTER 5 | biodegradable dextran nanogels for RNAi 

 

the  lyophilized  nanogels was  dispersed  in  a  known  volume  of  buffer.  Throughout  this  paper  the 

concentration of the nanogel suspensions is denoted as µg nanogel per mL buffer.  

Atomic Force Microscopy (AFM) 

AFM images were acquired on a PicoPlus instrument (Molecular Imaging) operating in tapping mode 

(open air, ambient temperature). For sample preparation, a drop of nanogel dispersion was dried on 

a  silica  slide overnight before  imaging. Height  images were  flattened using WSxM Scanning Probe 

Microscopy software (Nanotec electronica). 

Dynamic Light Scattering (DLS) 

Nanogel  sizes,  size  distributions  and  surface  charge were  determined  by  dynamic  light  scattering 

(DLS)  and  zeta‐potential  measurements  respectively,  using  a  Zetasizer  Nano  ZS  (Malvern, 

Worcestershire,  UK),  equipped  with  Dispersion  Technology  Software  (DTS).  The  samples  were 

equilibrated  at 25°C prior  to measurement and measurement  settings were put on automatic. To 

screen  the  degradation  of  the  nanogels,  nanogel  suspensions  (500  µg  mL‐1)  were  prepared  in 

respectively 20 mM HEPES buffer (pH 7.4 or pH 6.0) and 20 mM sodium acetate buffer (pH 5.0) in a 

low volume cuvette that was subsequently sealed with parafilm. The nanogel suspensions were kept 

at 37°C and the  intensity of the scattered  light was measured every 5 minutes. Each measurement 

time point consisted of 6 runs, with 5 s per run. 

Small Interfering RNA (siRNA) 

Two 21 mer siRNA duplexes from different providers, targeting the pGL3 firefly luciferase, were used 

in our experiments: anti‐luc siRNA‐1 from Dharmacon (Lafayette, CO, USA) and pGL3 luciferase siRNA 

from  Eurogentec  (Seraing,  Belgium),  respectively  denoted  as  siLUCD  and  siLUCE.  Alexa  fluor  488 

(AF488)  labelled  pGL3  luciferase  siRNA  and  a  non‐targeting  negative  control  siRNA  duplex 

(siCONTROL)  were  also  purchased  from  Eurogentec  and  siGLO®  green  fluorescent  Transfection 

Indicator was from Dharmacon (Lafayette, CO). 

Preparation and characterization of siRNA loaded nanogels 

In a  first step, a nanogel suspension  (1 mg mL‐1) was prepared by dispersing a weighed amount of 

lyophilized particles  in RNase  free water or buffer,  followed by  short  sonication  (Branson  sonifier, 

30”‐10% amplitude). From  this 1 mg mL‐1  stock  solution, dilutions were prepared according  to  the 

138  

biodegradable dextran nanogels for RNAi  | CHAPTER 5 

 

experimental needs. Nanogels were loaded with siRNA by mixing equal volumes of a diluted nanogel 

dispersion and a siRNA solution at room temperature. The mixture was incubated for at least 15 min 

at ambient temperature before initiating further experiments. The average size and zeta‐potential of 

the nanogels before  and  after  siRNA  impregnation were measured by dynamic  light  scattering  as 

described above. 

Fluorescence Fluctuation Spectroscopy (FFS) 

A  fluorescence  fluctuation  spectroscopy  instrument  was  used  as  described  previously.[15]  FFS 

monitors  fluorescence  intensity  fluctuations  in  the excitation volume of a confocal microscope and 

can be used  to evaluate  the  complexation of  fluorescently  labelled molecules  to  cationic  lipids or 

polymers.[16‐19] The fluorescence fluctuations originate from the movement of (poorly concentrated) 

fluorescent molecules in and out the fixed confocal excitation volume. In this study the 488 nm laser 

line of a Krypton‐Argon ion laser (BioRad, Cheshire, UK) was used to excite the samples that contain 

AF488‐siRNA. Typically, for FFS experiments, 50 µL of a nanogel dispersion was mixed with 50 µL of 

an AF488‐siRNA solution (200 pmol mL‐1) in RNase free eppendorf tubes. After 20 min incubation, the 

sample was  transferred  to  the wells of  a  glass‐bottomed  96‐well plate  (Greiner Bio‐one,  certified 

DNase/RNase free). Subsequently, the focal volume of the microscope was positioned 50 µm above 

the bottom of the wells and the fluorescence fluctuations were recorded during a 30 s time interval. 

All  samples  were  prepared  in  triplicate  and  fluorescence  measurements  on  every  well  were 

performed in duplicate. The average fluorescence intensity of freely diffusing and complexed AF488‐

siRNA in the fluorescence fluctuation profile was determined as described previously.[16,20] 

Cell lines and culture conditions 

All cell experiments  in this study were conducted on a human hepatoma cell  line (Huh‐7). The wild 

type cells are denoted as Huh‐7_wt. For luciferase gene silencing experiments, Huh‐7_eGFPLuc_rLuc 

cells,  stably expressing both  the  firefly and  renilla  luciferase  (hereafter abbreviated as Huh‐7_LUC 

cells), were generated by  stably  transfecting Huh‐7_eGFPLuc  cells  (gift  from E. Wagner, Munchen) 

with  the  pGL4.76_CMV  plasmid.  The  pGL4.76_CMV  plasmid  was  generated  by  ligating  the  PCR 

amplified  (forward  primer  AATAGTCGACTAGTTATTAATAGTAATCAA  and  reversed  primer 

AATAGGATCCGATCTGACG‐GTTCACTAAAC) and SalI/BamHI double digested CMV promotor  into  the 

XhoI/BglII  double  digested  pGL4.76  plasmid  (Promega).  The  resulting  pGL4.76_CMV  plasmid was 

linearized with the BamHI restriction enzyme and transfected using linear polyethylenimine (PEI) 22 

kDa. Transfected cells were incubated in fresh medium for 48 h and then selected with 250 µg mL‐1 

139  

CHAPTER 5 | biodegradable dextran nanogels for RNAi 

 

hygromycin.  After  two  weeks,  clones  were  isolated  and  expanded.  Subsequently,  the  generated 

clones were analyzed and a firefly and renilla luciferase positive clone was selected. Huh‐7_LUC cells 

are  grown  in DMEM:F12,  supplemented with  2 mM  glutamine,  10% heat‐inactivated  fetal bovine 

serum (FBS) and 100 U mL‐1 P/S at 37°C in a humidified atmosphere containing 5% CO2. 

Cytotoxicity assay 

The influence of the nanogels on cell viability was analyzed using the CellTiter‐Glo® Assay (Promega). 

Huh‐7_LUC cells (7 x 104 cells per cm2) were seeded in 24‐well plates and allowed to adhere. After 48 

h, the cell culture medium was removed and 200 µL of a nanogel dispersion in OptiMEM was brought 

onto the cells. Following 4 h of incubation (37°C, 5% CO2), nanogels that were not internalized were 

removed from the cells and replaced with 200 µL of preheated culture medium. The 24‐well plates 

were incubated for another 24 h at 37°C before cell viability was analyzed. Therefore, the cell plates 

were incubated at room temperature during 30 min and 200 µL CellTiter‐Glo® reagent was added to 

each  well.  After  shaking  the  plate  for  2 min  (to  lyse  the  cells)  and  10 min  incubation  at  room 

temperature  (to stabilize the  luminescence signal), 100 µL of each well was transferred to a white‐

opaque  96‐well  plate.  Luminescence  was  measured  on  a  GloMax™  96  luminometer  with  0.6  s 

integration  time.  Cells  treated with OptiMEM  only  and  cells  incubated with  phenol  (10 mg mL‐1) 

served as negative and positive controls. 

Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) 

Huh‐7_LUC cells were seeded in sterile glass‐bottomed culture dishes (MatTek Corporation, Ashland, 

MA)  at  a density of 7  x 104  cells per  cm2  and  allowed  to  attach overnight. Nanogels  loaded with 

AF488‐siRNA  were  incubated  with  the  cells  in  200  µL  OptiMEM  during  4h  (37°C,  5%  CO2). 

Subsequently,  the  cells were washed with phosphate buffered  saline  (PBS)  and preheated  culture 

medium was added. The  intracellular  fluorescence distribution was visualized with a Nikon EZC1‐si 

confocal  scanning module  installed  on  a motorized  Nikon  TE2000‐E  inverted microscope  (Nikon 

Benelux,  Brussels,  Belgium).  For  lysosomal  staining,  cells  were  incubated  for  20 min  with  1:104 

diluted Lysotracker Red® (Molecular Probes). Prior to image recording, the cells were fixed with a 4% 

paraformaldehyde solution in PBS for 20 minutes at room temperature. After fixation, the cells were 

washed twice with PBS and mounted with VectaShield® Mounting Medium  (Vector Labs). Confocal 

images  were  captured  with  a  Nikon  Plan  Apochromat  60x  oil  immersion  objective  (numerical 

aperture  1.4)  using  a  488  nm  and  561  nm  laser  line  for  the  excitation  of  AF488‐siRNA  and 

Lysotracker Red® respectively. A non‐confocal diascopic DIC (differential interference contrast) image 

140  

biodegradable dextran nanogels for RNAi  | CHAPTER 5 

 

was  collected  simultaneously. An object based  co‐localization  algorithm was  used  to quantify  the 

number  of  nanogel  particles  that  are  located  inside  acidified  endosomes.  First,  the  AF488‐siRNA 

loaded  nanogels  were  identified  in  the  green  image  by  intensity  thresholding.  Only  “objects” 

consisting of at least 8 pixels were retained as nanogels. The thresholded image was then binarized in 

order  to  generate  a  mask  for  superposition  on  the  corresponding  red  image  (containing  the 

Lysotracker Red®  stained endosomes). This allows  to calculate  the  red  (endosomal)  intensity R  for 

each gel particle. Next, the background intensity (mean value BG and standard deviation S) of the cell 

in the image was determined within a rectangular area not containing any endosomes. Finally, a gel 

particle is decided to be co‐localized with an acidified endosome if its red intensity R > BG+S. 

Flow cytometry 

Huh‐7_LUC cells were plated  in 6‐well plates (7 x 104 cells per cm2) and treated two days  later with 

AF488‐siRNA loaded nanogels (200 pmol mL‐1 AF488‐siRNA), prepared as described above. After the 

incubation period, the cells were washed twice with PBS, trypsinized (750 µL trypsin/EDTA  0.25% per 

well) and diluted with 7 mL cell culture medium. Following centrifugation  (7 min, 1200 rpm – 4°C), 

the  cell pellet was  resuspended  in 400 µL  flow buffer  (PBS  supplemented with 1% BSA  and 0.1% 

sodium azide) and placed on ice until flow analysis. The cells were analyzed using a Beckman Coulter 

Cytomics™  FC500  flow  cytometer.  Generally,  a  minimum  of  ~104  cells  was  analyzed  in  each 

measurement. Dead cells were discriminated  from viable cells by  the addition of propidium  iodide 

(Sigma). The data were analyzed using Beckman Coulter CXP analysis software.  

Luciferase silencing in human hepatoma cells 

For gene silencing experiments, Huh‐7_LUC cells were seeded in 24‐well plates at a density of 7 x 104 

cells per cm2 and allowed to attach during 48 h. Two hundred microliter of a siRNA  loaded nanogel 

dispersion  (in OptiMEM) was added  to  the cells  in each well  (50 pmol of siRNA per well). After 4h 

incubation (37°C), the nanogels were removed from the cells and replaced with 400 µL prewarmed 

cell  culture medium.  Forty  eight  hours  later,  the  cells were  lysed with  85  µL  passive  lysis  buffer 

(Promega, Leiden, The Netherlands). Firefly and Renilla luciferase activities were determined with the 

Promega  Dual‐Luciferase®  Reporter  Assay  according  to  the  manufacturer’s  instructions.  For 

luciferase  analysis we  used  a GloMax™  96  luminometer with  two  injectors.  Briefly,  10  µL  of  cell 

lysate was mixed with 50 µL firefly  luciferase substrate and after a 2 sec delay, firefly  luminescence 

(relative  light  units,  RLU)  was  integrated  during  10  s.  Subsequently,  50  µL  of  renilla  luciferase 

substrate  in Stop & Glo Buffer (Promega), was added and again after 2 s renilla  luminescence (RLU) 

141  

CHAPTER 5 | biodegradable dextran nanogels for RNAi 

 

was measured during a 10  s  interval.  For each  sample,  the  ratio of  firefly  luminescence  to  renilla 

luminescence was calculated. The ratios obtained with siLUC nanogels were compared to the ratios 

obtained  with  siCONTROL  nanogels  and  expressed  as  remaining  luciferase  expression  (%).  As  a 

positive  control,  siRNA  complexes  based  on  Lipofectamine™RNAiMAX  (Invitrogen) were  used  and 

prepared  according  to  the  manufacturer’s  instructions.  The  time‐dependent  gene  silencing 

experiment was conducted as described above albeit that 5 x 104 cells per cm2 were plated and the 

transfection  was  performed  in  5‐fold.  Every  day  one  24‐well  plate  was  analyzed  for  luciferase 

expression. 

Fusogenic peptide diINF‐7 

The  influenza‐derived  fusogenic  peptide  diINF‐7  [21,22]  was  a  kind  gift  from  S.  Oliveira  (Utrecht 

University). For luciferase gene silencing, Huh‐7_LUC cells were plated in 24‐well plates (7 x 104 cells 

per cm2). After 48 h, a dispersion of siRNA  loaded nanogels was prepared as described above (with 

15 min incubation) and subsequently mixed with the fusogenic peptide (15 µg mL‐1). The mixture was 

left at room temperature for an additional 15 minutes before  incubation with the cells (200 µL per 

well). After 4h incubation (37°C), the nanogels were removed from the cells and replaced with 400 µL 

prewarmed  cell  culture  medium.  Luciferase  silencing  was  analyzed  two  days  later  as  described 

above. 

Photochemical internalization (PCI) 

The photosensitizer  (PS) meso‐tetraphenylporphine disulfonate  (TPPS2a) was kindly provided by Dr. 

A. Høgset (PCI Biotech, Oslo, Norway). The PS was protected from  light and stored at 4°C until use. 

Huh‐7_LUC cells were seeded  in 24‐well plates at a density of 7 x 104 cells per cm2. One day after 

seeding,  the  cells were  incubated  overnight with  250 µL  PS  (0.4 µg mL‐1  in  complete  cell  culture 

medium) at 37°C and protected from light. The next day, the cells were washed with PBS and 200 µL 

siRNA  loaded nanogels was added to the cells. Following 4 h of  incubation, the nanogel complexes 

were replaced with 400 µL fresh cell culture medium and the cells were exposed to blue  light (375 

nm – 450 nm) emitted by LumiSource® (Osram 18W/67, 13 mW per cm2, PCI Biotech, Oslo, Norway). 

Cells  were  incubated  for  another  48  h  in  the  dark  before  luciferase  activity  was  quantified  as 

described above. 

Fluorescence microscopy before and after PCI, was evaluated by seeding 12.5 x 104 Huh‐7_wt cells in 

Lab‐Tek™  II  chambered  coverglasses  (Nalge  Nunc  International,  Rochester,  NY),  two  days  before 

transfection. One day pre‐transfection, PS was added to half of the wells (0.4 µg mL‐1). At the day of 

142  

biodegradable dextran nanogels for RNAi  | CHAPTER 5 

 

transfection,  the  PS was  removed  and  the  cells were washed with  PBS.  Cationic  nanogels were 

loaded with  fluorescent siGLO®  in HEPES buffer as  indicated earlier and  incubated with  the cells  in 

400 µl OptiMEM. The final concentration of nanogels and siGLO® was 25 µg mL‐1 and 200 pmol mL‐1 

respectively.  After  3  h  incubation,  the  remaining  complexes  were  removed  and  replaced  with 

complete  cell  culture medium  (37°C).  One  hour  of  incubation  later,  the  culture  chambers  were 

illuminated with LumiSource® (45s). The cells were placed at 37°C for another 36 h, protected from 

light. Afterwards, the cell‐bound siGLO® fluorescence was quenched by treatment with 0.4% trypan 

blue (8 min) and after washing with PBS the cells were fixed with 4% paraformaldehyde (20 min, RT). 

Following  3  washing  steps  with  PBS,  the  cells  were mounted  with  Vectashield®  DAPI Mounting 

Medium (Vector Labs, UK) and kept at 4°C (dark) until fluorescence imaging. 

RESULTS AND DISCUSSION 

Preparation of cationic nanogels 

Several methods  for the engineering of nanogels are described  in the  literature.[23] We synthesized 

dextran nanogels by using an  inverse mini‐emulsion photopolymerization method, as schematically 

depicted  (Figure 5.1b).  In  this process,  the  internal aqueous dex‐HEMA phase,  supplemented with 

TMAEMA (Figure 5.1a) and photoinitiator,  is dispersed  in the continuous mineral oil phase with the 

aid of an oil‐soluble surfactant  (ABIL EM 90, HLB value ~5). Sonification provides the energy that  is 

necessary  to  form nanoscopic droplets.[23] Exposure  to UV  light  initiates  the  radical polymerization 

process  within  the  dex‐HEMA  droplets,  yielding  stable  crosslinked  dextran  nanogels.  Using  this 

procedure,  we  obtained  dextran  nanogels  with  a  hydrodynamic  diameter  ~200‐300  nm  with  an 

acceptable polydispersity index (Table 5.1).  

We also visualized the nanogels by atomic force microscopy (Figure 5.1b, scale bar = 1 µm) showing 

particles with a size  in good agreement with  the values obtained  through dynamic  light scattering. 

Following  polymerization,  the  particles  were  purified  through  centrifugation/washing  steps  with 

organic solvent. Finally, the obtained aqueous dispersion of nanogels was  lyophilized. We observed 

that lyophilization had no significant influence on nanogel size and surface charge (data not shown). 

Adding TMAEMA to the aqueous dex‐HEMA solution before emulsification enables copolymerization 

of this methacrylate monomer with dex‐HEMA  in the emulsion droplets,  leading to nanogels with a 

cationic  surface  charge,  as  revealed  from  zeta‐potential measurements  (Table 5.1).  Increasing  the 

amount of TMAEMA  increased  the  surface  charge of  the nanogels,  indicating  that more TMAEMA 

units get incorporated in the nanogel network. 

143  

CHAPTER 5 | biodegradable dextran nanogels for RNAi 

 

TABLE  5.1  |  Size,  polydispersity  and  surface  charge  of  dex‐HEMA‐co‐TMAEMA  nanogels, with  a  degree  of substitution (DS) of 3.2 and variable amounts of TMAEMA. The nanogels were dispersed  in HEPES buffer (pH 7.4, 20 mM). Mean values with corresponding standard deviations on the measurement are shown (n=5). 

dextran sample  TMAEMA (µmol)  dh (nm)a  PDIb  ζ‐potential (mV) 

dex‐HEMA DS 3.2  0  259 ± 3  0.163 ± 0.023  ‐0.9 ± 0.3 

dex‐HEMA DS 3.2  100  197 ± 1  0.193 ± 0.010  13.2 ± 0.6 

dex‐HEMA DS 3.2  300  200 ± 2  0.185 ± 0.025  21.4 ± 0.5 

dex‐HEMA DS 3.2  500  267 ± 8  0.274 ± 0.026  27.9 ± 0.9 

dex‐MA DS 5.4  500  180 ± 5  0.142 ± 0.012  29.5 ± 0.3 

a hydrodynamic diameter, b polydispersity index 

In our further experiments we focused on dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels prepared as described in 

the  experimental  section  using  500  µmol  TMAEMA.The  cationic  dextran  microgels  described  in 

chapter  3,  contain  2‐(dimethylamino)ethyl methacrylate  (DMAEMA)  in  their  crosslinks  instead  of 

TMAEMA. The only difference between both methacrylate monomers  is the extra methyl group on 

the nitrogen, which provides TMAEMA with a quaternary amine function (Figure 5.1b).  In this way, 

dex‐HEMA‐co‐TMAEMA  nanogels  carry  a  fixed  positive  charge  independent  of  environmental  pH, 

whereas the charge density of dex‐HEMA‐co‐DMAEMA nanogels increases when the pH drops below 

7.4, due  to  additional protonation of  the  tertiary  amines  (data not  shown).  It  is  indeed  shown  in 

literature that the pKa of pDMAEMA is < 8, depending on the molecular weight of the polymer, so we 

can  expect  that  not  all  the  DMAEMA  units  in  the  hydrogels will  be  protonated  at  physiological 

pH.[24,25]  Since  the  eventual  charge  density  of  the  hydrogel  network  could  also  influence  the 

degradation rate of the dex‐HEMA carbonate esters, we chose to use TMAEMA for copolymerization, 

thereby excluding any influence of pH on the hydrogel network characteristics. 

Evaluation of the nanogel degradation kinetics as a function of pH 

To  assess  the  (bio)degradation  of  the  nanogels,  through  hydrolysis  of  the  hydrogel  network, we 

measured the decrease in turbidity of the nanogel dispersion as a function of time. The experiment 

was  performed  at  37°C  and  at  different  pH  values,  mimicking  the  micro‐environment  that  the 

nanogels may encounter upon cellular  internalization through an endocytotic process. As expected, 

dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels show a pH‐dependent degradation, with slower hydrolysis at acidic 

pH when compared to physiological pH (Figure 5.2). 

144  

biodegradable dextran nanogels for RNAi  | CHAPTER 5 

 

 

FIGURE 5.2 | Degradation kinetics at 37°C of dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels (DS 3.2, 500 µmol TMAEMA) as a function of pH as measured by dynamic light scattering. Data are normalized to value 1 to allow comparison. As a  control, non‐degradable dex‐MA‐co‐TMAEMA nanogels  (DS 3.4, 500 µmol TMAEMA) were analyzed under identical conditions. 

This  observation  is  in  agreement  with  the  pH‐dependent  kinetics  of  dex‐HEMA  hydrolysis  as 

published  earlier.[12,26] As  a  control, we  repeated  the  experiment  at  pH  7.4 with  cationic  dextran 

methacrylate nanogels, with a comparable crosslinking density  (dex‐MA‐co‐TMAEMA, DS 3.4, Table 

5.1). Note  that  the  lack  of  a  carbonate  ester  between  the methacrylate moiety  and  the  dextran 

backbone (Figure 5.1a) makes dex‐MA stable at physiological conditions.[26] As is shown in Figure 5.2, 

the  light  scattered  by  a  dex‐MA  nanogel  dispersion  at  pH  7.4  only  slightly  decreases  over  time 

(~10%), possibly due  to  some non‐specific  adsorption of  the nanogels  to  the  sides of  the  sample 

cuvette. 

In our  earlier  studies on  cationic dex‐HEMA microgels, we  showed  that network degradation  and 

siRNA  release  are  governed  by  hydrolysis  of  the  carbonate  ester  linking  the HEMA  group  to  the 

dextran backbone.[14] Microgels with a higher crosslink density degrade slower and therefore showed 

a slower siRNA release profile. Dex‐MA microgels are undegradable and thus did not release any of 

the electrostatically  incorporated siRNA.[14]  In vitro, we can expect  the same behaviour  for cationic 

dex‐HEMA and dex‐MA nanogels. 

 

145  

CHAPTER 5 | biodegradable dextran nanogels for RNAi 

 

Quantification of siRNA complexation to cationic dextran nanogels 

The data in chapter 3 demonstrated that cationic dextran microgels could be loaded with siRNA after 

microgel formation, based on electrostatic interactions.[14] This ‘post‐loading’ step has the advantage 

that  the  siRNA  molecules  are  not  exposed  to  free  radicals  and  UV  light  during  the 

photopolymerization  process,  thereby  avoiding  potential  interference with  the  siRNA  integrity.[14] 

Similarly,  cationic dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels  could be post‐loaded with  siRNA by dispersing 

the nanogels in an siRNA solution. 

We quantified the amount of siRNA that can be complexed by dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels by 

fluorescence  fluctuation spectroscopy  (see experimental section), as described earlier by Buyens et 

al.[16] In a solution of free (thus non‐complexed) AF488 labelled siRNA, the fluorescence signal in the 

confocal excitation volume of the microscope fluctuates around an average value that is proportional 

to  the  AF488‐siRNA  concentration  (Figure  5.3a).  Upon  complexation  of  the  siRNA  to  cationic 

nanogels, the fluorescence  intensity of the  ‘baseline’, which  is representative for the concentration 

of free siRNA, lowers and peaks of high fluorescence appear (Figure 5.3b). The  latter originate from 

the  movement  of  highly  fluorescent  nanogel  particles  that  complex  many  fluorescent  siRNA 

molecules,  through  the  excitation  volume.  By  determination  of  the  free  siRNA  concentration, 

through analysis of the average fluorescence  intensity of the baseline, the percentage of siRNA  in a 

complexed  state  can  be  quantified.[16]  Figure  5.3c  shows  the  degree  of  siRNA  complexation  to 

different concentrations of dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels, dispersed in respectively HEPES buffer 

and  OptiMEM.  In  every  FFS  experiment,  the  final  siRNA  concentration  was  100  pmol mL‐1. We 

estimated the maximal siRNA loading for the nanogels to be between 50 and 100 pmol siRNA per µg 

nanogel  in HEPES buffer which corresponds to >60 wt%  loading. A closer  look to Figure 5.2c shows 

that  in OptiMEM the maximal siRNA  loading of the nanogels  is slightly  lower than  in HEPES buffer, 

probably due to partial screening of the cationic charges on the nanogels by the higher ionic strength 

of OptiMEM. 

Influence of siRNA complexation on nanogel size and surface charge 

Besides  information  on  the  degree  of  siRNA  complexation,  it  is  equally  important  to  evaluate 

whether  the  loading of  the nanogels with  siRNA  influences  their  size  and  surface  charge.  Indeed, 

many studies have reported that these physicochemical parameters significantly influence the extent 

and method  of  cellular  internalization  of  nanoparticulate matter.[9,27,28]  Negatively  charged  siRNA 

duplexes will bind electrostatically  to  the  charged ammonium groups  incorporated  in  the nanogel 

network. 

146  

biodegradable dextran nanogels for RNAi  | CHAPTER 5 

 

 

FIGURE  5.3  |  Analysis  of AF488‐siRNA  complexation  by  dex‐HEMA‐co‐TMAEMA  nanogels  (DS  3.2,  500 µmol TMAEMA) with  fluorescence  fluctuation spectroscopy  (FFS).  (a) Fluorescence  fluctuation profiles obtained on freely  diffusing  AF488‐siRNA  (left  graph)  and  complexed  AF488‐siRNA  (right  graph,  3  µg mL‐1  nanogels)  in OptiMEM. The concentration of fluorescent siRNA equaled 100 pmol mL‐1 in both samples. (b) Quantification of AF488‐siRNA  complexation  by  dex‐HEMA‐co‐TMAEMA  nanogels  in  HEPES  buffer  (gray  line)  and  OptiMEM (black line). Line graphs represent a sigmoidal fit (Origin 5.0). The concentration of fluorescent siRNA equaled 100 pmol mL‐1 in all the samples. 

Figure 5.4 displays  the change  in  size and zeta‐potential of dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels upon 

the addition of siRNA. In this experiment the nanogel concentration was kept constant (20 µg mL‐1) 

but increasing amounts of siRNA were added. The addition of siRNA to a nanogel dispersion causes a 

gradual drop of  the nanogels’ zeta‐potential as more and more  siRNA molecules will  reside at  the 

particle surface. At an siRNA concentration of 0.5 µM in Figure 5.4 (which corresponds to a loading of 

25  pmol  siRNA  per  µg  nanogels)  charge  neutralization  occured  in  HEPES  buffer,  resulting  in  the 

147  

CHAPTER 5 | biodegradable dextran nanogels for RNAi 

 

formation of  large aggregates. Further  increasing  the amount of  siRNA  reversed  the charge of  the 

particles, which again  stabilizes  the dispersion. Since we observed  the maximal  loading  to be > 50 

pmol siRNA per µg nanogels  (Figure 5.3) and as charge neutralization already occurred at 25 pmol 

siRNA per µg nanogels  (Figure  5.4), our data  indicate  that  the binding of  siRNA molecules  to  the 

nanogels is not completely restricted to the surface of the nanogels. Either siRNA molecules have the 

ability to penetrate deeper into the nanogel core, or some duplexes may only be partially adsorbed 

onto the surface. Our previous data on cationic microgels seem to confirm the former hypothesis.[14]  

 

FIGURE 5.4 | Size and zeta‐potential of dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels (20 µg mL‐1) after titration with siRNA. (■) normalized size in HEPES buffer 20 mM, pH 7.4 (□) size in OptiMEM, relative to values measured in HEPES. 

(○) ζ‐potential measured  in HEPES buffer. The nanogels were prepared with dex‐HEMA DS 3.2 and 500 µmol TMAEMA. 

Size data obtained on nanogels  in OptiMEM  revealed  that upon  addition of  siRNA  to  the  cationic 

nanogels, also aggregation can occur, but apparently  to a much  lesser extent  than  in HEPES buffer 

(Figure 5.4). It  is  important to emphasize that Figure 5.4 also reveals that under appropriate mixing 

conditions, siRNA loaded nanogels can be obtained which roughly have the same hydrodynamic size 

as  the nanogels before  loading with siRNA. This  is often not  the case  for polyplex nanoparticles of 

which the size can be highly unpredictable and strongly dependent on the ratio of siRNA to cationic 

polymer. 

 

 

148  

biodegradable dextran nanogels for RNAi  | CHAPTER 5 

 

Cytotoxicity of cationic dextran nanogels 

Before  performing  gene  silencing  experiments, we  assessed  the  acute  cytotoxicity  of  the  dextran 

nanogels  on  Huh‐7_LUC  hepatoma  cells,  by  quantifying  the  intracellular  ATP  levels  24  h  after 

transfection. The ATP concentration is regarded as a more sensitive marker for cell viability than the 

commonly  used  MTT‐test.[29]  In  the  concentration  range  tested,  we  found  that  dex‐HEMA‐co‐

TMAEMA  nanogels  only  slightly  reduce  cell  viability  with  a  cytotoxicity  of  12%  and  27%  when 

respectively a 25 µg mL‐1 and 50 µg mL‐1 nanogel dispersion was applied on the cells (Figure 5.5).  

 

Figure  5.5  |  Cell  viability  of Huh‐7_LUC  hepatoma  cells,  incubated  during  4  h with  dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels  (DS 3.2, 500 µmol TMAEMA). The  intracellular ATP‐levels were determined 24 h after the nanogels were  removed  from  the  cells.  The metabolic  activity of non‐treated  cells was  set  at 100%  and  all data  are shown as mean ± SD (n=4). 

Note that the data in Figure 5.5 are based on ‘empty’ nanogels, i.e. not loaded with siRNA molecules. 

Complexation with siRNA can influence surface charge and particle size (Figure 5.4), which are known 

to govern cellular binding and uptake, and may therefore also influence the outcome of a cytotoxicity 

assay. 

Cellular binding and internalization of siRNA loaded nanogels by Huh‐7 hepatoma cells 

To be effective in the silencing of a pathogenic gene, siRNA therapeutics need to be delivered in the 

cell cytoplasm to enable  interaction with the RNAi machinery. To study the binding of the nanogels 

to  the  cellular  membrane  and  the  subsequent  cellular  uptake,  we  applied  flow  cytometry  and 

confocal laser scanning microscopy.  

149  

CHAPTER 5 | biodegradable dextran nanogels for RNAi 

 

Figure 5.6a shows the histograms as obtained by flow cytometry on Huh‐7_LUC cells after they were 

incubated during 4 h with respectively free and complexed AF488‐siRNA. Both  lipofectamine based 

siRNA  lipoplexes  (LPXs)  and  siRNA  loaded  dex‐HEMA‐co‐TMAEMA  nanogels  resulted  in  a  highly 

increased mean  fluorescence of  the Huh‐7_LUC  cells  (Table  5.2  and  Figure  5.6a) when  compared 

with naked (i.e. non‐complexed) siRNA.  

 

FIGURE 5.6 | (a) Flow cytometry histograms obtained on Huh‐7_LUC cells, treated with respectively free AF488‐siRNA  and  dex‐HEMA‐co‐TMAEMA  nanogels  (DS  3.2,  500  µmol  TMAEMA)  loaded  with  AF488‐siRNA. Lipofectamine™RNAiMAX:siRNA lipoplexes (LPXs) were also included as a control. The siRNA concentration was 200 pmol mL‐1 in all samples. (b) Non‐confocal DIC image (left) and CLSM image (right) of Huh‐7_LUC cells after 4 h incubation with 7.5 µg mL‐1 nanogels. The AF488‐siRNA concentration was fixed to 100 pmol mL‐1. The scale bar corresponds with 20 µm. 

Even a  low nanogel concentration of 5 µg mL‐1, already  led to 95% positive cells. However,  further 

increasing the concentration of nanogels applied on the cells, also significantly further enhanced the 

150  

biodegradable dextran nanogels for RNAi  | CHAPTER 5 

 

mean  fluorescence  values  (Table  5.2). We  found  that quenching of  the  extracellular  fluorescence 

with 0.2% trypan blue did not significantly lower the mean fluorescence intensity, indicating that the 

siRNA loaded nanogels were effectively internalized by the hepatoma cells (data not shown).  

TABLE 5.2 | Flow cytometry data on Huh‐7_LUC cells, treated with respectively free AF488‐siRNA and AF488‐siRNA  complexed  to  lipofectamine™RNAiMAX  and  dex‐HEMA‐co‐TMAEMA  nanogels  (DS  3.2,  500  µmol TMAEMA). The final siRNA concentration was 200 pmol mL‐1. 

sample name  AF488 positive cells (%)  mean AF488 fluorescence (a.u.) 

mock control (OptiMEM)  1  0.502 

uncomplexed AF488‐siRNA  1.1  0.536 

lipofectamine™RNAiMAX  79.9  11.3 

nanogels (5 µg mL‐1)  95.0  35.6 

nanogels (10 µg mL‐1)  97.4  54.2 

nanogels (20 µg mL‐1)  99.0  104 

 

Non‐phagocytic cells are generally  thought  to  internalize cationic nanoparticles preferably  through 

endocytosis.[9]  A  recent  report  revealed  that  cationic  groups  on  lipoplexes  and  polyplexes  can 

interact  with  negatively  charged  heparan  sulphate  proteoglycans  on  the  cell  surface,  thereby 

triggering a  clathrin‐ and  caveolin‐independent  cellular uptake process.[30] This eventually  confines 

the  particles  in  late  endosomes,  with  a  luminal  pH  of  5.0.[31]  The  latter  can  further  fuse  with 

prelysosomal  vesicles,  containing  hydrolyzing  enzymes,  eventually  forming  mature  degrading 

endolysosomes. On the other hand, macropinocytosis may also be involved in the cellular uptake of 

these types of particles. The predominant type of cellular  internalization and therefore subsequent 

intracellular  trafficking  is highly cell  type dependent and rigorous  labour‐intensive experiments are 

required to gain  insight  in this matter  (D. Vercauteren and R.E. Vandenbroucke, unpublished data). 

Nonetheless,  it  is  generally  assumed  that  the  intracellular  confinement  of  nucleic  acid  carriers  in 

membrane‐sealed vesicles is a main bottleneck in achieving efficient delivery into the cytosol.  

To  visualize  the  cellular  entry  of  the  siRNA  loaded  nanogels, we  applied  confocal  laser  scanning 

microscopy (CLSM). Figure 5.6b shows a typical CLSM image as obtained after a 4 hours incubation of 

Huh‐7_LUC  cells  with  AF488‐siRNA  loaded  nanogels.  One  can  observe  a  punctuated  non‐

homogeneous  fluorescence  pattern,  indicating  the  sequestration  of  the  nanogels  in  endocytic 

vesicles.  Confocal  z‐stack  imaging  revealed  that  after  4  hours  of  incubation  the majority  of  the 

151  

CHAPTER 5 | biodegradable dextran nanogels for RNAi 

 

nanogels are effectively  internalized by  the  cells and almost no particles are  remaining at  the  cell 

surface  (data  not  shown).  To  evaluate  the  intracellular  fate  of  the  nanogels  we  performed  co‐

localization experiments with Lysotracker Red®, a fluorescent marker for acidified vesicles. The data 

are shown in Figure 5.7. There is a clear co‐localization of the green (Figure 5.7b, AF488‐siRNA) and 

red  (Figure 5.7c,  Lysotracker Red®)  fluorescent  signal, which  confirms  the endocytic uptake of  the 

siRNA loaded nanogels (yellow fluorescence in Figure 5.7d).  

 

FIGURE 5.7 | Confocal  images of  the  intracellular distribution of AF488‐siRNA  loaded dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels in Huh‐7_LUC hepatoma cells. (A) Non‐confocal DIC image, (B) AF488‐siRNA nanogels, (C) Lysotracker 

Red® labelled endolysosomes, (D) overlay image of green and red fluorescence. AF488‐siRNA nanogels (10 µg mL‐1, 100 pmol mL‐1 siRNA) were incubated during 2 h, followed by a 2 h chase with cell culture medium before fixation. The scale bar represents 5 µm. 

We  also  performed  a more  detailed  co‐localization  analysis  using  appropriate  image  processing 

software  (see  experimental  section). We  found  that  approximately  85%  of  the  analyzed  siRNA‐

nanogels  can  be  detected  to  co‐localize  with  labelled  endolysosomes  (data  not  shown,  >2500 

particles  were  included  in  the  analysis).  As mentioned  above,  the  endosomal  localization  is  not 

expected to lead to efficient gene silencing as the siRNA released during nanogel degradation will be 

likely destroyed by endolysosomal nucleases. Since the RNAi machinery resides predominantly in the 

152  

biodegradable dextran nanogels for RNAi  | CHAPTER 5 

 

cytosol, the siRNA or siRNA  loaded nanogels will have to escape from the endosomal compartment 

(see further). 

Luciferase gene silencing in Huh‐7_LUC hepatoma cells 

The RNAi gene  silencing potential of  siRNA  loaded dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels was  tested  in 

human  hepatoma  cells  (Huh‐7)  that  stably  express  both  firefly  and  renilla  luciferase  (Huh‐7_LUC 

cells). Targeting a stably expressed gene can be regarded as the better model for oncogene silencing 

in  tumour  cells  in  comparison with  the  targeting of a  transient  gene  that  is not  integrated  in  the 

genome.[32,33]  As  demonstrated  in  Figure  5.8  (gray  bars),  the  extent  of  luciferase  gene  silencing 

depends  on  the  amount  of  nanogels  that  is  incubated  with  the  hepatoma  cells.  Increasing  the 

nanogel  concentration more  strongly  suppresses  gene  expression, most probably due  to  a higher 

cellular  binding  and  subsequent  internalization  as  can  be  deduced  from  the mean  fluorescence 

values  in Table 5.2. The  latter will  lead  to a better  intracellular bioavailability of  functional  siRNA, 

thus resulting in a stronger luciferase silencing.  

 

FIGURE 5.8 | Luciferase gene silencing by siRNA  loaded (siLUCE) dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels (DS 3.2, 500 µmol TMAEMA) without (black bars) and with (grey bars) the aid of PCI. Different concentrations of dex‐HEMA‐

co‐TMAEMA  nanogels were  applied  (4  h  incubation)  and  Lipofectamine™RNAiMAX was  used  as  a  positive control. The amount of siRNA per well was fixed to 50 pmol  in all samples. The  luciferase expression of cells, treated with siCONTROL loaded nanogels either with or without PCI, was set at 100%.  

So, although a clear endosomal accumulation was observed in Figure 5.7, it seems that still a fraction 

of the internalized siRNA is able to reach the cytosol. However, even at a nanogel concentration of 50 

µg mL‐1 we observed a rather moderate gene silencing with siLUCE (~55%) which  is still significantly 

153  

CHAPTER 5 | biodegradable dextran nanogels for RNAi 

 

lower  than  that  achieved with  the  positive  control  (lipofectamine  based  siRNA  complexes) which 

show ~75% silencing. Moreover, at a nanogel concentration of 50 µg mL‐1, cytotoxicity concerns arise 

(Figure 5.5) and therefore  it is imperative that appropriate measures are taken to achieve sufficient 

gene silencing without interfering too much with cell viability. 

Since  the data on cellular uptake, presented  in Figure 5.7, suggest  that  the nanogels are  trafficked 

toward  the endolysosomes,  it  is  likely  that  this  intracellular  fate poses a major barrier  for efficient 

RNAi.  For  this  reason,  we  investigated  the  influence  of  photochemical  internalization  (PCI),  a 

technique known to enhance endosomal escape, on the luciferase gene silencing efficiency achieved 

with dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels. PCI involves the use of amphiphilic photosensitizers (PS) that 

accumulate  in  the membranes  of  endocytic  vesicles.[34,35]  In  this  study, meso‐tetraphenylporphine 

carrying two sulfonate groups on adjacent phenyl rings (TPPS2a) was used. Upon  illumination with a 

specific  light  source  (blue  light  in  our  experiments),  excitation  of  the  PS  compound  induces  the 

formation  of  reactive  oxygen  species  (ROS),  primarily  singlet  oxygen.  This  highly  reactive 

intermediate  can  damage  cellular  components,  but  this  effect  is  mainly  confined  to  the  local 

production  site  owing  to  its  short  range  of  action  and  short  life‐time.[34]  This  localized  effect will 

therefore selectively disrupt the endosomal membranes, releasing the entrapped macromolecules or 

nanoparticles  into the cytosol (Figure 5.9). Since  its discovery  in 1999  [36], PCI has been successfully 

applied  to  stimulate  the  cytosolic delivery of  several  types of macromolecules  (peptides, proteins, 

nucleic acids), incorporated in non‐viral carrier systems.[34,35,37‐39] 

PCI experiments were  conducted under  conditions  that  induce moderate  cytotoxicity on adherent 

cells,  i.e. 0.4 µg mL‐1 PS and 50s  illumination time (data not shown and reference  [37]). The effect of 

PCI on gene  silencing  is  shown  in Figure 5.8  (white bars). Upon application of PCI a 60% and 78% 

knockdown  of  luciferase  expression  was  achieved,  with  10  µg  mL‐1  and  25  µg  mL‐1  nanogels 

respectively,  in comparison with a 10% and 40% knockdown when  the cells were not  treated with 

PCI. This large difference in gene silencing is a strong indication that the endosomal accumulation of 

the siRNA loaded nanogels is a significant barrier for RNAi gene silencing. PCI had almost no influence 

on the gene silencing by Lipofectamine™ RNAiMAX:siRNA complexes, suggesting that this carrier  is 

able to overcome the endosomal barrier by itself. Comparable results for Lipofectamine™2000 were 

described by Bøe et al.[40]  

To  visually  confirm  the  improvement  in  intracellular  siRNA  delivery  after  PCI  treatment,  we 

conducted fluorescence microscopy experiments in which our cationic dextran nanogels were loaded 

with siGLO® green transfection indicator. 

154  

biodegradable dextran nanogels for RNAi  | CHAPTER 5 

 

 

FIGURE  5.9  |  Schematic  overview  of  photochemical  internalization  (PCI).  In  a  typical  PCI  experiment,  the amphiphilic photosensitizer TPPS2a accumulates in the endosomal membranes of the target cells (I). Excitation with blue  light  induces the  local production of mainly singlet oxygen, that disrupts the endocytic vesicles (II). This rupture of the endosomal barrier allows internalized nanosized matter to be released into the cytoplasm (III). 

This  green  fluorescent  (FAM‐labelled)  siRNA  duplex  is  chemically  modified  to  accumulate 

predominantly in the cell nucleus following successful delivery in the cell cytoplasm. Figure 5.10 (top 

row)  shows  fluorescence micrographs of Huh‐7_wt  cells  that have  internalized a  large   amount of 

siGLO‐nanogels  before  PCI  treatment.  However,  the  punctuated  fluorescence  pattern  suggest 

vesicular  confinement,  as  already  pointed  out  above,  and  as  a  result  none  of  the  cells  show 

fluorescent nuclei. In contrast, applying PCI on this cell population leads to a detectable fluorescence 

in  the  cytoplasm  and nuclei of  a  fraction of  cells which  are  signs of  successful endosomal escape 

(Figure 5.10, bottom row, indicated by the white arrows). Contrast enhancement further accentuates 

the difference in cytoplasmic and nuclear siGLO fluorescence between the control cells and the cells 

treated with PCI. Clearly, PCI promotes the delivery of siRNA to the cytoplasm of the cell and hence 

this observation further supports the enhancement of the RNAi effect we observed in Figure 5.8. 

To additionally validate the conclusions drawn from the PCI data, we also tested a different approach 

to enhance the endosomal escape, i.e. by adding a fusogenic peptide to the siRNA loaded dex‐HEMA‐

co‐TMAEMA nanogel dispersion. We used a dimeric influenza‐derived peptide (diINF‐7) [22], which has 

previously been  shown  to enhance  the oncogene  silencing by non‐viral  siRNA complexes.[21] Other 

investigators also successfully applied the INF‐7 peptide or  its dimeric form to enhance  intracellular 

gene delivery and gene expression by  improving  the endosomal escape of polyplexes or  liposomal 

gene carriers.[41‐43] 

155  

CHAPTER 5 | biodegradable dextran nanogels for RNAi 

 

 

FIGURE  5.10  |  Intracellular  distribution  of  siGLO®  green  transfection  indicator  in  dex‐HEMA‐co‐TMAEMA transfected Huh‐7_wt  cells,  before  and  after  the  application  of  PCI.  The  images  on  the  right  are  obtained through contrast enhancement by histogram stretching in Nikon EZC1 freeviewer software. 

INF‐7  resembles  the  NH2‐terminal  domain  of  the  HA‐2  haemagglutinin  subunit  and  becomes 

fusogenic  at  endosomal  pH  (~pH  5).[22]  The  peptide  is  attached  to  the  nanogels  through  simple 

electrostatic attraction. Addition of the peptide to a dispersion of siRNA loaded nanogels (25 µg mL‐1 

and 40 µg mL‐1) markedly  improved the silencing efficiency from 56% to 77% and from 69% to 81% 

respectively, as shown in Figure 5.11. Note that in this experiment, a different siRNA duplex (siLUCD) 

was used than in Figure 5.8, which tends to give better silencing compared to siLUCE. Taken together 

with  the  results  from  the  PCI  experiment,  one  can  conclude  that  the  endosomal  barrier  is  a 

significant barrier for gene silencing by siRNA loaded dextran nanogels.  

We  sought  to  delineate  the  intracellular  siRNA  release mechanism  in more  detail  by  performing 

control experiments with non‐degradable dex‐MA‐co‐TMAEMA nanogels. A comparative experiment 

between  degradable  and  non‐degradable  nanogels  under  identical  conditions  revealed  that 

significant  gene  silencing  can  only  be  achieved  when  siRNA  is  loaded  into  nanogels  with  a 

hydrolysable dextran backbone (Figure 5.12a).  

We hypothesize that the accumulation of nanogel degradation products  in the endosomal  lumen  is 

able to disrupt the vesicular membrane, possibly through an osmotic effect, thereby releasing active 

siRNA into the cytosol. However, the exact mechanism explaining how the siRNA eventually reaches 

the cytoplasm  is still unclear and remains a subject of future  investigation. Figure 5.12b shows that 

by  applying  PCI  on  the  nanogels  in  the  same  concentration  range,  both  degradable  and  non‐

degradable dextran nanogels are able to silence luciferase expression for up to 90%. 

156  

biodegradable dextran nanogels for RNAi  | CHAPTER 5 

 

 

FIGURE 5.11 | Influence of the fusogenic peptide diINF‐7 on luciferase gene silencing by dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels  (DS 3.2, 500 µmol TMAEMA). Every well contained 50 pmol siCONTROL  (black bars) or siLUCD  (gray bars).  The  addition  of  diINF‐7  to  the mixture  significantly  improves  the  extent  of  luciferase  gene  silencing (white bars). 

This  result  excludes  insufficient  cellular  internalization of  siRNA mediated by dex‐MA nanogels  as 

potential  explanation  for  the  measured  difference  in  luciferase  silencing  in  Figure  5.12a.  This 

observation could eventually be explained on the assumption that intact dex‐MA nanogels can reach 

the  cell  cytoplasm  after  endosomal  burst where  charged  proteins  can  interact with  and  displace 

siRNA  from  the  nanogel  surface  to make  it  available  for  the  RNAi machinery.  In  vitro  tests with 

dynamic light scattering showed that applying PCI does not influence neither the size nor the surface 

charge of the nanogels and this observation makes us believe that PCI mainly affects the integrity of 

the endosomal vesicular membranes and leaves the nanogel particles in the endosomal lumen intact 

(data not shown). 

In a  final experiment, we assayed  the  luciferase gene  silencing as a  function of  time  for a  chosen 

concentration of dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels (30 µg mL‐1 and 40 µg mL‐1) and a fixed amount of 

siRNA. The results of this experiment are shown  in Figure 5.13. We already observed a strong gene 

silencing  after 24 h of  incubation,  albeit  that  the maximal  gene  silencing  for  this nanogel  sample 

occurred two days after transfection. This maximal silencing is maintained for ~48 h after which the 

gene  silencing  effect  gradually  decreases.    Five  days  following  transfection  we  still  obtain  50% 

downregulation of the luciferase expression, relative to siCONTROL loaded nanogels. The RNAi gene 

silencing  kinetics  for  different  dextran  nanogel  samples  is  studied  in more  detail  in  the  following 

chapter. 

157  

CHAPTER 5 | biodegradable dextran nanogels for RNAi 

 

 

FIGURE  5.12  |  Luciferase gene  silencing with biodegradable  cationic dex‐HEMA and non‐degradable dex‐MA nanogels (DS 3.2, 500 µmol TMAEMA), (a) without PCI and (b) with PCI. The amount of siCONTROL (black bars) and siLUCD (gray bars) per well equaled 50 pmol. 

CONCLUSIONS 

Inhibiting the overexpression of highly active genes via siRNA delivery  is an attractive approach for 

the  treatment of a wide variety of diseases. However,  the application of  siRNA  in  the  clinic  is  still 

limited since there is a lack of efficient and non‐toxic delivery systems. In this study, we report for the 

first time on the preparation of cationic dextran based nanogels that can silence the luciferase gene 

in hepatoma cells without  relevant cytotoxicity. Following cellular  internalization,  the nanogels are 

trafficked toward the endolysosomes. Our attempts to increase the effectiveness of the siRNA loaded 

158  

biodegradable dextran nanogels for RNAi  | CHAPTER 5 

 

nanogels by enhancing endosomal escape, were successful. Photochemical  internalization (PCI) and 

an  influenza‐derived  fusogenic  peptide  (diINF‐7)  could  both  significantly  improve  luciferase  gene 

silencing.  This  is  the  first  evidence  that  biodegradable  cationic  nanogels  are  suitable  for  siRNA 

delivery.  More  importantly,  we  showed  that  in  the  absence  of  endosomolytic  tools,  nanogel 

degradation is a prerequisite to obtain a meaningful RNAi effect. This observation can pave the way 

towards nanogel  carriers with  controllable degradation  kinetics  to  achieve  a prolonged  and  time‐

controlled RNAi gene silencing. 

 

FIGURE 5.13  | Luciferase gene silencing with degradable dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels  (DS 3.2, 500 µmol TMAEMA) as a function of time. In correspondence with previous experiments, the amount of siRNA was fixed to 50 pmol per well. 

ACKNOWLEDGMENTS 

Koen  Raemdonck  is  a  doctoral  fellow  of  the  Institute  for  the  Promotion  of  Innovation  through 

Science and Technology in Flanders (IWT‐Vlaanderen). The authors would like to acknowledge the EU 

(FP6) for funding of MediTrans, an  integrated project on nanomedicines. A. Høgset  is supported by 

the Norwegian  Research  Council.  Prof. Dr.  K.  Braeckmans  is  thanked  for  his  help with  the  image 

processing. The assistance of Magalie Ysebaert with the practical experiments  is much appreciated. 

The Huh‐7_eGFPluc cells were a kind gift  from Prof. Dr. E. Wagner  (LMU University, Munich). Prof. 

Dr. D. Deforce and Dr. Franki are acknowledged for the use of the flow cytometer.   

159  

CHAPTER 5 | biodegradable dextran nanogels for RNAi 

 

REFERENCE LIST 

1.   Aagaard L. and Rossi J.J., RNAi therapeutics: Principles, prospects and challenges, Advanced Drug Delivery Reviews 2007, 59: 75‐86. 

2.   Kim D.H.  and Rossi  J.J.,  Strategies  for  silencing human disease  using RNA  interference, Nature Reviews Genetics 2007, 8: 173‐184. 

3.   Grimm D. and Kay M.A., Therapeutic application of RNAi: is mRNA targeting finally ready for prime time?, J. Clin. Invest 2007, 117: 3633‐3641. 

4.   Novobrantseva T.I., Akinc A., Borodovsky A., and de Fougerolles A., Delivering silence: Advancements  in developing siRNA therapeutics, Current Opinion in Drug Discovery & Development 2008, 11: 217‐224. 

5.   de Fougerolles A., Vornlocher H.P., Maraganore J., and Lieberman J.,  Interfering with disease: a progress report on siRNA‐based therapeutics, Nature Reviews Drug Discovery 2007, 6: 443‐453. 

6.   Bohne  J. and Cathomen T., Genotoxicity  in gene  therapy: An account of vector  integration and designer nucleases, Current Opinion in Molecular Therapeutics 2008, 10: 214‐223. 

7.   Zaiss  A.K.  and  Muruve  D.A.,  Immunity  to  adeno‐associated  virus  vectors  in  animals  and  humans:  a continued challenge, Gene Therapy 2008, 15: 808‐816. 

8.   Akinc A., Zumbuehl A., Goldberg M., Leshchiner E.S. et al., A combinatorial library of lipid‐like materials for delivery of RNAi therapeutics, Nature Biotechnology 2008, 26: 561‐569. 

9.   Remaut  K.,  Sanders  N.N.,  De  Geest  B.G.,  Braeckmans  K.  et  al.,  Nucleic  acid  delivery: Where material sciences and bio‐sciences meet, Materials Science & Engineering R‐Reports 2007, 58: 117‐161. 

10.  Juliano R., Alam M.R., Dixit V., and Kang H., Mechanisms and strategies for effective delivery of antisense and siRNA oligonucleotides, Nucleic Acids Research 2008, 36: 4158‐4171. 

11.  Raemdonck K., Vandenbroucke R.E., Demeester J., Sanders N.N. et al., Maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi, Drug Discov. Today 2008, 13: 917‐931. 

12.  van  Dijk‐Wolthuis W.N.E.,  Tsang  S.K.Y.,  Kettenes‐vandenBosch  J.J.,  and  Hennink W.E.,  A  new  class  of polymerizable dextrans with hydrolyzable groups: hydroxyethyl methacrylated dextran with and without oligolactate spacer, Polymer 1997, 38: 6235‐6242. 

13.  Van  Tomme  S.R.  and Hennink W.E.,  Biodegradable  dextran  hydrogels  for  protein  delivery  applications, Expert Review of Medical Devices 2007, 4: 147‐164. 

14.  Raemdonck K., Van  Thienen  T.G., Vandenbroucke R.E.,  Sanders N.N. et  al., Dextran microgels  for  time‐controlled delivery of siRNA, Advanced Functional Materials 2008, 18: 993‐1001. 

15.  Raemdonck K., Remaut K., Lucas B., Sanders N.N. et al., In situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells, Biochemistry 2006, 45: 10614‐10623. 

16.  Buyens K., Lucas B., Raemdonck K., Braeckmans K. et al., A  fast and sensitive method  for measuring  the integrity of siRNA‐carrier complexes in full human serum, Journal of Controlled Release 2008, 126: 67‐76. 

17.  Remaut  K.,  Lucas  B.,  Raemdonck  K.,  Braeckmans  K.  et  al.,  Can we  better  understand  the  intracellular behavior of DNA nanoparticles by  fluorescence  correlation  spectroscopy?,  Journal of Controlled Release 2007, 121: 49‐63. 

18.  Lucas B., Remaut K., Braeckmans K., Haustraete J. et al., Studying pegylated DNA complexes by dual color fluorescence fluctuation spectroscopy, Macromolecules 2004, 37: 3832‐3840. 

19.  Lucas  B.,  Van  Rompaey  E.,  De  Smedt  S.C.,  Demeester  J.  et  al.,  Dual‐color  fluorescence  fluctuation spectroscopy to study the complexation between poly‐l‐lysine and oligonucleotides, Macromolecules 2002, 35: 8152‐8160. 

20.  Van Craenenbroeck E., Matthys G., Beirlant  J., and Engelborghs Y., A  statistical analysis of  fluorescence correlation data, Journal of Fluorescence 1999, 9: 325‐331. 

21.  Oliveira  S.,  van Rooy  I., Kranenburg O.,  Storm G. et al.,  Fusogenic peptides enhance endosomal escape improving siRNA‐induced silencing of oncogenes,  International  Journal of Pharmaceutics 2007, 331: 211‐214. 

22.  Mastrobattista  E.,  Koning  G.A.,  van  Bloois  L.,  Filipe  A.C.S.  et  al.,  Functional  characterization  of  an endosome‐disruptive  peptide  and  its  application  in  cytosolic  delivery  of  immunoliposome‐entrapped proteins, Journal of Biological Chemistry 2002, 277: 27135‐27143. 

23.  Oh  J.K., Drumright R.,  Siegwart D.J.,  and Matyjaszewski  K.,  The development of microgels/nanogels  for drug delivery applications, Progress in Polymer Science 2008, 33: 448‐477. 

24.  van de Wetering P.,  Zuidam N.J.,  van  Steenbergen M.J.,  van der Houwen O.A.G.J.  et  al., A mechanistic study of the hydrolytic stability of poly(2‐(dimethylamino)ethyl methacrylate), Macromolecules 1998, 31: 8063‐8068. 

160  

biodegradable dextran nanogels for RNAi  | CHAPTER 5 

 

25.  Van Tomme S.R., van Nostrum C.F., Dijkstra M., De Smedt S.C. et al., Effect of particle size and charge on the  network  properties  of  microsphere‐based  hydrogels,  European  Journal  of  Pharmaceutics  and Biopharmaceutics 2008, 70: 522‐530. 

26.  van Dijk‐Wolthuis W.N., van Steenbergen M.J., Underberg W.J., and Hennink W.E., Degradation kinetics of methacrylated dextrans in aqueous solution, J. Pharm. Sci. 1997, 86: 413‐417. 

27.  Rejman  J.,  Oberle  V.,  Zuhorn  I.S.,  and  Hoekstra  D.,  Size‐dependent  internalization  of  particles  via  the pathways of clathrin‐and caveolae‐mediated endocytosis, Biochemical Journal 2004, 377: 159‐169. 

28.  Gratton  S.E.A.,  Ropp  P.A.,  Pohlhaus  P.D.,  Luft  J.C.  et  al.,  The  effect  of  particle  design  on  cellular internalization pathways, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2008, 105: 11613‐11618. 

29.  Vandenbroucke R., De Geest B., Demeester  J., De Smedt S. et al., Prolonged gene silencing  in hepatoma cells and primary hepatocytes after siRNA delivery with biodegradable poly(alpha‐amino ester[s]), Human Gene Therapy 2007, 18: 1056‐1056. 

30.  Payne  C.K.,  Jones  S.A.,  Chen  C.,  and  Zhuang  X.W.,  Internalization  and  trafficking  of  cell  surface proteoglycans and proteoglycan‐binding ligands, Traffic 2007, 8: 389‐401. 

31.  Van Dyke R.W., Acidification of lysosomes and endosomes, Subcell. Biochem. 1996, 27: 331‐360. 32.  Vandenbroucke R.E., De Geest B.G., Bonne S., Vinken M. et al., Prolonged gene silencing in hepatoma cells 

and primary hepatocytes after small interfering RNA delivery with biodegradable poly(beta‐amino esters), J. Gene Med. 2008, 10: 783‐794. 

33.  Grayson  A.C.R., Ma  J.,  and  Putnam  D.,  Kinetic  and  efficacy  analysis  of  RNA  interference  in  stably  and transiently expressing cell lines, Molecular Pharmaceutics 2006, 3: 601‐613. 

34.  Berg K.,  Folini M., Prasmickaite  L.,  Selbo P.K.  et  al., Photochemical  internalization: A new  tool  for drug delivery, Current Pharmaceutical Biotechnology 2007, 8: 362‐372. 

35.  Fretz M.M., Hogset A., Koning G.A.,  Jiskoot W. et al., Cytosolic delivery of  liposomally  targeted proteins induced by photochemical internalization, Pharm. Res. 2007, 24: 2040‐2047. 

36.  Berg K., Selbo P.K., Prasmickaite L., Tjelle T.E. et al., Photochemical internalization: A novel technology for delivery of macromolecules into cytosol, Cancer Research 1999, 59: 1180‐1183. 

37.  Oliveira  S.,  Fretz M.M., Hogset A.,  Storm G.  et  al.,  Photochemical  internalization  enhances  silencing  of epidermal growth factor receptor through improved endosomal escape of siRNA, Biochimica et Biophysica Acta‐Biomembranes 2007, 1768: 1211‐1217. 

38.  Kloeckner  J., Prasmickaite  L., Hogset A., Berg K.  et  al., Photochemically  enhanced  gene delivery of  EGF receptor‐targeted DNA polyplexes, Journal of Drug Targeting 2004, 12: 205‐213. 

39.  Oliveira  S.,  Hogset  A.,  Storm  G.,  and  Schiffelers  R.M.,  Delivery  of  siRNA  to  the  target  cell  cytoplasm: photochemical internalization facilitates endosomal escape and improves silencing efficiency, in vitro and in vivo, Curr. Pharm. Des 2008, 14: 3686‐3697. 

40.  Boe  S.,  Longva  A.S.,  and Hovig  E.,  Photochemically  induced  gene  silencing  using  small  interfering  RNA molecules in combination with lipid carriers, Oligonucleotides 2007, 17: 166‐173. 

41.  El‐Sayed A., Masuda T., Khalil  I., Akita H. et  al., Enhanced  gene expression by  a novel  stearylated  INF7 peptide  derivative  through  fusion  independent  endosomal  escape,  J.  Control  Release  2009,  doi: 10.1016/j.jconrel.2009.05.18. 

42.  Moore  N.M.,  Sheppard  C.L.,  Barbour  T.R.,  and  Sakiyama‐Elbert  S.E.,  The  effect  of  endosomal  escape peptides on in vitro gene delivery of polyethylene glycol‐based vehicles, J. Gene Med. 2008, 10: 1134‐1149. 

43.  Jiang X., Lok M.C., and Hennink W.E., Degradable‐brushed pHEMA‐pDMAEMA  synthesized via ATRP and click chemistry for gene delivery, Bioconjug. Chem. 2007, 18: 2077‐2084. 

     

161  

CHAPTER 5 | biodegradable dextran nanogels for RNAi 

 

162  

 

evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels | CHAPTER 6 

CHAPTER 6 | Evaluation of gene silencing kinetics with 

siRNA loaded dextran nanogels 

    

Manuscript of this chapter is in preparation: 

 

Koen Raemdonck1, A. Høgset2, Joseph Demeester1 and Stefaan C. De Smedt1 

 

1Laboratory of General Biochemistry and Physical Pharmacy, Department of Pharmaceutics, Faculty of Pharmaceutical 

Sciences, Ghent University, Harelbekestraat 72, B‐9000 Ghent, Belgium. 

 2PCI Biotech, Hoffsveien 48, N‐0377, Oslo, Norway 

163  

CHAPTER 6 | evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels  

 

   

164  

evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels | CHAPTER 6 

6 OVERVIEW CHAPTER CONTENTS 

Chapter 6 provides: 

• preparation  and  characterization  of  cationic  dextran  nanogels  with  varying  gel  network 

density 

• dose response suppression of EGFP with cationic nanogels 

• the screening of RNAi knockdown kinetics with the aforementioned nanogels,  in hepatoma 

cells that stably express (1) firefly luciferase and (2) EGFP 

• influence of photochemical internalization on the RNAi kinetics outcome 

Key terms: 

RNAi kinetics – nanogels – siRNA – EGFP – luciferase – degradation – PCI 

 

INTRODUCTION 

Since the discovery of RNA interference (RNAi) at the end of the 20th century,[1] intensive research on 

RNAi  therapeutics and  their potential applications has  led  to an astonishing progress  in  just over a 

single  decade.  The  research  investments  resulted  in  a  fast  transition  of  promising  lead  siRNA 

therapeutics  from  in vitro  tests  to  clinical  trials.[2‐4] Advances are made, both  in  the area of  siRNA 

design[5‐9]  e.g.  aiming  for  improved  intrinsic  siRNA  activity  as  in  the  field  of  siRNA  delivery. New 

formulation strategies emerge, designed to overcome intra‐ and extracellular hurdles and to improve 

the fraction of the administered siRNA dose that eventually reaches the target cell cytoplasm.[3,10,11]   

165  

CHAPTER 6 | evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels  

 

In the majority of in vitro and in vivo assays to screen different siRNA delivery strategies, the maximal 

gene  suppression  for  a  given  siRNA  dose  is  regarded  as  the main  parameter  to  determine what 

strategies should be taken  into consideration. As already mentioned  in previous chapters, not only 

the maximal gene silencing effect at a fixed time‐point, but also and in our opinion more importantly, 

the  longevity  of  this  effect must  be  routinely  evaluated. While  the magnitude  of  target  gene  (or 

protein)  suppression,  relative  to  a  control  sample, may be  a  good  indicator  for  the  success of  an 

siRNA treatment, looking at the time‐window that the siRNA therapeutic intervention is able to keep 

the intracellular protein titers below a certain threshold, is perhaps a better parameter to decide on 

the efficacy of  the  treatment, even  in vitro, and may also be used  to compare different  treatment 

regimens and siRNA delivery strategies.[12] The duration of the silencing effect will eventually strongly 

determine  the  dosage  frequency  in  clinical  therapy.  Especially  when  long‐term  RNAi  activity  is 

necessary  to  obtain  a  desired  downstream  phenotype,[13]  it  should  be  common  practice  to  check 

upon the long‐term target gene suppression. 

In the present chapter, dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels were prepared with dex‐HEMA of varying 

methacrylate  substitution  and  therefore  also  different  nanogel  crosslink  densities.[14]  The  nanogel 

batches were carefully characterised with regard to size, surface charge and siRNA interaction. In the 

light of the comments made above, their gene silencing effect was analyzed as a function of time in 

both  luciferase and EGFP expressing human hepatoma cells. Finally, the  influence of photochemical 

internalization (PCI, see also chapter 5) on the gene silencing duration was assessed. 

EXPERIMENTAL SECTION 

Preparation of dextran nanogels and loading with siRNA 

Cationic dextran nanogels  (dex‐HEMA‐co‐TMAEMA) were prepared using  the UV  induced emulsion 

photopolymerization  as  described  in  chapter  5, with minor  adjustments. Dex‐HEMA  (65 mg) was 

dissolved  in  a  solution  containing  40 µL  irgacure  1%  (w/v),  80 µL  TMAEMA  (75% w/v)  and  80 µL 

HEPES buffer  (pH 7.4, 20 mM).   The obtained dextran  solution was emulsified  in 5 mL pre‐cooled 

mineral oil, supplemented with 5% (v/v) of ABIL EM 90 as emulsifier. Following sonification (Branson 

sonifier, 30 s ‐ 20%), the emulsion was exposed to UV light during 15 min under cooling (~4°C). The 

prepared  nanogels  were  obtained  in  pure  form  by  precipitation  with  acetone:hexane  (1:1)  and 

centrifugation. After washing,  the precipitate was redispersed  in 5 mL distilled water and traces of 

organic solvent were  removed by vacuum evaporation. To assure  long‐term  stability,  the nanogels 

were  lyophilized  and  stored  exsiccated.  To  load  the  nanogels  with  siRNA,  a  stock  dispersion  of 

166  

evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels | CHAPTER 6 

nanogels  (~2 mg mL‐1) was  prepared  in  ice‐cooled HEPES  buffer  and  sonicated  to  loosen  the  gel 

particles (20 s, 10%). From this stock dispersion, dilutions are prepared according to the experimental 

needs. Subsequently, equal volumes of nanogels and siRNA are mixed at room temperature and left 

to stand at RT for ≥ 15 min to allow complexation. 

Dynamic light scattering and zeta‐potential 

The  size and  surface charge of  the different nanogel dispersions,  listed  in Table 6.1, was analyzed 

with DLS and zeta‐potential measurements respectively, as described earlier in this thesis. For more 

details on the analysis of nanogel degradation, using the DLS  instrument, we would  like to refer to 

the experimental section of chapter 5. 

siRNA duplexes 

Twenty‐one  nt  siRNAs  targeting  the  pGL3  firefly  luciferase  gene  (siLUC),  the  enhanced  green 

fluorescent protein  (siEGFP) and a universal negative  control duplex  (siCONTROL) were purchased 

from Eurogentec and stored in 20 µM aliquots in DEPC treated water (‐20°C). For flow cytometry and 

fluorescence  microscopy  experiments,  a  green  fluorescent  siRNA  duplex  was  ordered  from 

Dharmacon (siGLO® green transfection indicator). 

Cell lines and culture conditions 

All cell experiments were performed on Huh‐7 hepatoma cells of which  the cell culture conditions 

can be found in previous chapters. Huh‐7_LUC cells are cells that stably express the firefly and renilla 

luciferase  gene  (see  also  chapter  5).  Huh‐7_EGFP  cells  stably  produce  the  enhanced  green 

fluorescent protein (see also chapter 3). 

Luciferase gene silencing kinetics 

Two days before transfection, Huh‐7_LUC cells were seeded in 96‐well plates (1 x 103 cells per well). 

For  transfection,  first  90  µL  of  pre‐heated  OptiMEM  (37°C)  was  pipetted  on  the  cells  and 

subsequently 10 µL of a siRNA loaded nanogel dispersion (in HEPES buffer) was added to the cells in 

each well (20 pmol of siRNA). After 4 h incubation (37°C), the nanogels were removed from the cells 

and replaced with 150 µL pre‐heated cell culture medium. This transfection protocol was performed 

in duplicate (plate 1 and plate 2 respectively) for every sample tested. Twenty‐four hours  later, the 

167  

CHAPTER 6 | evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels  

 

cells on plate 1 were lysed with 20 µL passive lysis buffer (Promega, Leiden, The Netherlands). Firefly 

and Renilla luciferase activities were determined with the Promega Dual‐Luciferase® Reporter Assay 

as explained in chapter 5. The cells on plate 2 were trypsinized with 100 µL trypsin/EDTA (0.25%) and 

replated  in 5 separate 96‐well plates. Four of these plates are analyzed for luciferase expression on 

day  2  till  day  5  following  transfection.  On  day  5,  the  trypsinization  step  was  repeated  on  the 

remaining 96‐well plate in order to avoid overgrowth of the cells and to maintain the cells in a state 

of active cell division. Luciferase expression was additionally analyzed at day 6 and day 7. 

Silencing EGFP with DS 2.5 cationic dextran nanogels 

Two days before transfection, 7.5 x 104 Huh‐7_EGFP cells were seeded in 12‐well plates. At the day of 

transfection,  the  culture medium was  replaced with  900  µL  pre‐heated OptiMEM. DS  2.5  siEGFP 

nanogel complexes were prepared  in HEPES buffer  (~20 min  incubation at room  temperature) and 

added to the wells to obtain a final volume of 1 mL. The nanogel and siEGFP concentration on the 

cells eventually equalled 60 µg mL‐1 and 75 pmol mL‐1 respectively. As controls, empty nanogels or 

nanogels loaded with siCONTROL and siLUC were included in the transfection experiment. After 5 h 

incubation  at  37°C,  the  transfection  medium  was  replaced  with  2  mL  of  complete  cell  culture 

medium.  Five  days  post‐transfection,  the  cells  were  washed  with  PBS  and  collected  for  flow 

cytometry by  trypsinization  (500 µL  trypsin/EDTA 0.25% per well,  followed by dilution  in 5 mL cell 

culture medium). After centrifugation  (1200 rpm, 7 min) the cell pellet was resuspended  in 300 µL 

flow buffer  and  kept on  ice until  flow  analysis.  The  cells were  analyzed using  a Beckman Coulter 

Cytomics™ FC500 flow cytometer. Dead cells were discriminated from viable cells by the addition of 

propidium iodide (Invitrogen). The data were analyzed using Beckman Coulter CXP analysis software. 

Silencing EGFP with DS 5.2 cationic dextran nanogels – fluorescence microscopy 

1.5  x  104  Huh‐7_EGFP  cells  were  grown  on  Lab‐Tek™  II  chambered  coverglasses  (Nalge  Nunc 

International,  Rochester,  NY)  two  days  pre‐transfection.  As  described  above,  the  siRNA‐nanogel 

complexes were prepared in HEPES buffer as a 10x stock dispersion. The transfection was performed 

by incubating the cells during 4 h with 50 µg mL‐1 DS 5.2 nanogels, loaded with 40 pmol siEGFP in a 

final  volume of 400 µL OptiMEM and  after  this  incubation period,  the  remaining  complexes were 

removed  and  400  µL  of  fresh  cell  culture medium  was  added  per  well.    The  same  controls  as 

indicated in the above paragraph were used. After 96 h, the cells were washed with PBS and fixed in 

4%  paraformaldehyde  solution  (20  min  incubation  at  RT).  Subsequently,  after  three  additional 

washing steps with PBS, the coverglasses were mounted with Vectashield® DAPI mounting medium 

168  

evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels | CHAPTER 6 

(Vector  Labs). EGFP expression was visualized with  fluorescence microscopy using a Nikon EZC1‐si 

confocal  scanning module  installed  on  a motorized  Nikon  TE2000‐E  inverted microscope  (Nikon 

Benelux, Brussels, Belgium ‐ see previous chapters) with open pinhole setting. 

Dose response EGFP silencing with DS 5.2 cationic nanogels  

Huh‐7_EGFP cells were seeded in 24‐well plates (3 x 104 cells per well). Two days after seeding, the 

cells were  transfected with 50 µg mL‐1 nanogels  (500 µL  in OptiMEM) during 4 h  after which  the 

medium was replaced with 500 µL of fresh complete cell culture medium. We verified for the DS 5.2 

nanogels that 4 h  incubation with the cells was the optimal  incubation time. Longer  incubation did 

not  improve  the  RNAi  activity  but  rather  induced more  cytotoxic  effects  (data  not  shown).  The 

amount of siEGFP per well was varied between 0.025 pmol and   125 pmol. Nanogels that complex 

siLUC are used as a control. At day 3 post‐transfection, the cells were prepared for flow cytometry by 

trypsinization (250 µL trypsin/EDTA 0.25% per well, followed by dilution in 1 mL cell culture medium). 

After centrifugation (1200 rpm, 7 min) the cell pellet was resuspended in 200 µL flow buffer and kept 

on ice until flow analysis as explained above. 

EGFP gene silencing kinetics 

Huh‐7_EGFP cells were seeded  in 24‐well plates at a density of 5 x 104 cells per well. Twenty‐four 

hours later, the cells were incubated during 4 h with DS 2.5, DS 5.2 and DS 8.9 nanogels (50 µg mL‐1), 

loaded  with  siEGFP  or  siLUC  (50  pmol  per  well)  in  a  final  volume  of  500  µL  (OptiMEM). 

Lipofectamine™RNAiMAX  complexes were  prepared  in OptiMEM  and  included  in  the  transfection 

experiment  (1.56 µL RNAiMAX  stock per well). For all  samples,  the  transfection was performed  in 

duplicate.  Subsequently,  the  transfection medium was  replaced with 500 µL  cell  culture medium. 

EGFP expression was quantified at different  time‐points post‐transfection. At every  time‐point,  the 

cells  in the duplicate transfection were again replated  in two new 24‐well plates (1/3 diluted) to be 

analysed at the next time‐point. 

Influence of photochemical internalization on EGFP gene silencing kinetics 

The effect of PCI on  the  silencing duration was evaluated  in  two distinct protocols where PCI was 

conducted at the day of transfection (PCI t0) or two days post‐transfection (PCI t2). More details on 

the protocol time‐scale can be found in Figure 6.8. For the transfection, 5 x 104 cells are seeded in 24‐

well plates and  left to grow for 48 h. Transfection of the cells (in 500 µL OptiMEM) was performed 

169  

CHAPTER 6 | evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels  

 

with DS 5.2 cationic nanogels at varying concentration. The amount of siRNA (siEGFP and siLUC) per 

well was 50 pmol. Reminiscent of previous transfections, an  incubation period of 4 h with the cells 

was respected. 

RESULTS AND DISCUSSION 

Preparation and characterization of cationic dextran nanogels with different DS values 

The main goal of this chapter is to evaluate the magnitude and duration of the RNAi effect of cationic 

dextran nanogels with different crosslink density. In order to unambiguously draw conclusions from 

the experiments performed,  it  is equally  important  to  rigorously  characterize  the nanogel batches 

used. Size and zeta‐potential values of the different batches can be found in Table 6.1.  

TABLE 6.1 | Overview data on size and surface charge of the dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogel dispersions used in this chapter. Analysis was performed in HEPES buffer (pH 7.4, 20 mM) with a final nanogel concentration of 0.2 mg mL‐1. Values are the average ± SD of 5 measurements on the same sample. 

dextran sample  dh (nm)a  PDIb  ζ‐potential (mV) 

dex‐HEMA DS 2.5  254 ± 5  0.081 ± 0.055  24.1 ± 0.7 

dex‐HEMA DS 5.2  212 ± 1  0.106 ± 0.029  24.8 ± 0.4 

dex‐HEMA DS 8.9  207 ± 2  0.137 ± 0.034  17.1 ± 0.7 

dex‐MA DS 3.4  219 ± 5  0.105 ± 0.012  30.2 ± 0.8 a hydrodynamic diameter, b polydispersity index 

This table shows that all the nanogels have a hydrodynamic diameter that slightly exceeds 200 nm 

and a zeta‐potential ~20‐30 mV, indicating successful copolymerization of dex‐HEMA with TMAEMA. 

The  chemical  structures  of  these  compounds  can  be  found  in  Figure  5.1a.  The  surface  charge 

measured  for  the  DS  8.9  sample  deviates  slightly  to  lower  values  in  comparison with  the  other 

nanogels.  

To verify the non‐degradable nature of the dex‐MA DS 3.4 nanogels, DLS degradation data (see also 

chapter 5) were compared between DS 3.4 (dex‐MA) and DS 5.2 (dex‐HEMA). Hydrogel degradation 

is typically accompanied by a volume increase due to increasing water influx as a function of crosslink 

cleavage. This swelling behaviour  is clearly observed for the hydrolysable dex‐HEMA DS 5.2 sample 

(Figure 6.1a), but is absent for the dex‐MA DS 3.4 sample. During swelling, a ~2.5 fold increase in size 

170  

evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels | CHAPTER 6 

is measured, corresponding with a ~15.5 fold increase in nanogel volume. As was expected based on 

the observations  in Figure 5.3,  the degradation of  the nanogels correlates with a  loss of scattering 

intensity although there is a clear increase in nanogel size. Apparently, the increase in transparency 

during dex‐HEMA hydrolysis has a larger impact on the resultant particle scattering than the swelling. 

Also  this  downwards  trend  in  light  scattering  intensity was  not  observed  for  the  non‐degradable 

nanogel dispersion (Figure 6.1b).  

 

FIGURE  6.1  | Evaluation of degradation behaviour of  cationic dex‐HEMA DS 5.2 nanogels  (white  circles) and non‐degradable cationic dex‐MA DS 3.4 nanogels (black circles). (a) Changes in the size of both nanogels during incubation. Measurements are performed on nanogels at a final concentration of 0.5 mg mL‐1, in HEPES buffer pH 7.4, 20 mM at a temperature of 37°C. (b) Scattering intensity as a function of incubation time.  

A prerequisite to successfully deliver siRNA across the plasma membrane and  into the cytosol,  is a 

good complexation of the negatively charged siRNA to the cationic dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels. 

Reminiscent of the data in Figure 5.3, we titrated the nanogel samples listed in Table 6.1 with siRNA 

to evaluate  if  there are  significant differences  in  their  siRNA  complexation behaviour. Apparently, 

these differences do exist when different nanogels batches are prepared (Figure 6.2). Nanogels with 

DS 5.2 (dex‐HEMA) and DS 3.4 (dex‐MA) display a decrease in zeta‐potential (onset of surface charge 

neutralization and charge  reversal) at substantially higher siRNA concentrations compared with DS 

2.5 and DS 8.9 (both dex‐HEMA). Since the nanogels have approximately the same dimensions, this 

observation  suggests  that  the  former  nanogels  are  able  to  load  more  siRNA  molecules  per  µg 

nanogel. Possible explanations are that (a) due to variability  in the production of the nanogels, the 

same weighed amount of nanogel  lyophilisate may contain a different absolute number of nanogel 

particles, (b) due to a smaller network pore size (DS 8.9) or substantial dex‐HEMA hydrolysis during 

nanogel  production  and  handling  (DS  2.5),  the  ability  to  complex  siRNA  decreases  significantly. 

Apparently, one has to be careful when  linking zeta‐potential data to siRNA complexation capacity, 

171  

CHAPTER 6 | evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels  

 

since other parameters need  to be considered  that may also  influence  the nanogels’ complexation 

behaviour. 

 

FIGURE 6.2 | Titration of nanogel dispersions with  increasing amounts of siRNA. From  left to right: DS 8.9 (up triangles) – DS 2.5  (down  triangles) – DS 5.2  (circles) – DS 3.4  (squares). Line graphs  represent a Boltzmann sigmoidal fit (Origin 5.0). DLS measurements are performed at 25°C in HEPES buffer 20 mM, pH 7.4. 

RNAi gene silencing kinetics in Huh‐7_LUC cells 

One of  the drawbacks of non‐viral carriers  for  synthetic  siRNA delivery, especially when  long‐term 

treatment is advised, is the transient nature of the gene silencing effect.[15] It has been stated in the 

literature  that  the  intracellular dilution of  siRNA below  a  critical  threshold, due  to  cell division,  is 

responsible for the fast recovery of gene expression in fast dividing cells.[12] On the other hand, major 

concerns are raised with regard to adverse effects of siRNA therapeutics, such as unwanted immune 

activation,  [16] off‐target silencing  [17] and saturation of  the RNAi machinery.[18] As  these effects are 

concentration‐dependent  it  is  obvious  that  delivery  of  siRNA  requires  rigorous  control  over  the 

intracellular siRNA concentrations.[15,19] As a consequence, non‐viral carriers that are able to control 

the amount of siRNA that  is released  in the cytoplasm as a function of time could be of  interest to 

obtain a prolonged gene silencing and/or to minimize side‐effects. In addition, the ability to control 

the duration of RNAi gene silencing could have many in vitro applications since a single transfection 

experiment  could  suffice  for  reliable  phenotypic  analysis  at  later  time‐points  post‐transfection. 

Evaluation of the RNAi kinetics  is not yet ‘standard operating procedure’, but  in our opinion should 

be routinely tested for every new type of siRNA carrier as a function of cell type and protein target. 

172  

evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels | CHAPTER 6 

Dependent on the degree of protein suppression that  is needed to observe the desired phenotype, 

these kinetic data could provide the basis for the outline of a clinical treatment schedule.  

In  this chapter we aimed  to  investigate  the kinetics of RNAi gene silencing  for our various nanogel 

dispersions, to identify possible variation in the RNAi outcome induced by differences in DS value and 

aiming  to  gather  more  information  to  further  optimize  our  concept  of  siRNA  delivery  through 

biodegradable nanogels. 

For every nanogel sample, first the expression of both firefly and renilla  luciferase was followed for 

the course of one week. To maintain  the cells  in a state of active cell division and prevent cellular 

overgrowth, we  replated  the  cells at day 1 and day 5 post‐transfection  (Figure 6.3). As a positive 

control, the RNAi gene silencing kinetics for lipofectamine™RNAiMAX was evaluated using exactly the 

same protocol. Since the cellular uptake of siRNA varies as a function of the nanogel concentration 

that is incubated with the cells, we screened different concentrations for every nanogel type, ranging 

from 10 µg mL‐1 to 70 or 80 µg mL‐ 1. 

Figure 6.3 shows  that none of  the siRNA carriers  investigated was able  to maintain sufficient gene 

silencing up to 7 days. Although the DS 2.5, DS 5.2 and Lipofectamine™RNAiMAX achieve a maximal 

gene silencing of > 75% two days post‐transfection, this level of gene suppression is only maintained 

for an additional 24 h at most. Five days post‐transfection, on average gene expression has recovered 

to  ~50%  compared  to  control  (reminiscent of  the  luciferase  silencing  kinetics presented  in  Figure 

5.13),  and  seven  days  post‐transfection,  in most  cases  little  gene  suppression  remains.  Another 

interesting observation is the lack of substantial gene silencing (< 50% knockdown) when performing 

experiments with slowly degrading nanogels (DS 8.9). DS 8.9 nanogels reach their maximal effect at a 

concentration of 60 µg mL‐1 after which no  further  improvement  is observed. Also non‐degradable 

nanogels  (DS  3.4,  dex‐MA) were  not  able  to  silence  the  luciferase  gene  to  an  appreciable  extent 

(Figure 6.4).  

 

173  

CHAPTER 6 | evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels  

 

 

FIGURE 6.3 | Overview experiments on time‐dependent gene silencing of dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels as a function of DS with  (a) DS 2.5,  (b) DS 5.2,  (c) DS 8.9,  (d)  lipofectamine™RNAiMAX. For comparison, data on nanogels  (30  µg  mL‐1  till  70  µg  mL‐1)  and  lipofectamine™RNAiMAX  (all  3  samples)  were  averaged  and summarized in (e). Transfection experiments were performed in a 96‐well plate format with a fixed amount of siRNA (20 pmol) per well. Data points represent average values ± SD (n=4). 

174  

evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels | CHAPTER 6 

 

FIGURE 6.4 | Luciferase expression quantified 48 h after  incubation  (4 h) of Huh‐7_LUC cells with 50 µg mL‐1 nanogels as indicated. The final amount of siRNA per well (with 1 x 104 seeded cells in 96‐well plates) equaled 20 pmol. Results were normalized to nanogels loaded with siCONTROL (100% luciferase expression). 

From  these  data  we  conclude  that  the  degree  of  substitution  (DS)  of  the  nanogel  dispersion 

apparently has an important effect on the extent of gene silencing that can be obtained, but that it 

has  little  to no  influence on  the  silencing duration.  It  seems  that an  low  initial nanogel density  is 

necessary to reach a satisfactory gene silencing outcome (DS 2.5 and DS 5.2), but that the difference 

in crosslink density of the nanogels does not affect the recovery to steady state protein expression 

levels. A plausible explanation to support these observations may be given by the pH‐dependency of 

the dex‐HEMA degradation (Figure 5.3 and literature reports)[20] and the lack of a buffering effect for 

the  incorporated  quaternary  TMAEMA  groups.  It  was  shown  in  the  previous  chapter  that  upon 

cellular  entry,  the  siRNA  loaded  nanogels  are  trafficked  towards  acidified  organelles  (presumable 

endolysosomes) where  the pH  value  can drop down  to  ~5.  Early data  in  the  literature  state  that 

hydrolysis of the dex‐HEMA carbonate ester linkage is minimal at this acidic pH and as a consequence 

a substantial fraction of the internalized nanogels will remain undegraded.[20] Upon endocytosis, the 

nanogels only have a  short  time‐window  in which  they are able  to degrade, which  is during  their 

presence in early endosomes, but transfer from early endosomes to late endosomes and lysosomes 

likely inhibits further hydrolysis of the dex‐HEMA carbonate ester. Since we demonstrated in chapter 

5, that nanogel degradation could improve siRNA release to the cell cytoplasm (also see Figure 6.4), 

we could assume  that a  too  slow degradation and/or a  fast  transition of  the nanogels  to acidified 

vesicles may significantly impede their gene silencing potential.  

Nevertheless,  additional  experimental  evidence  will  be  required  to  further  substantiate  this 

hypothesis. Moreover,  Table  6.1  and  Figure  6.2  attribute  a  significantly  lower  zeta‐potential  and 

175  

CHAPTER 6 | evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels  

 

siRNA complexation capacity to the DS 8.9 nanogels, which leads to decreased cellular internalization 

of  siRNA  in  this  concentration  range  in  comparison  with  the  other  nanogels  (flow  cytometry 

preliminary  observation,  data  not  shown).  Also  these  observations  will  obviously  have  their 

implications on  the measured gene silencing outcome and  therefore severely hamper a direct and 

conclusive comparison of the maximal gene silencing effect between the different nanogel batches.  

RNAi gene silencing kinetics in Huh‐7_EGFP cells 

Besides investigating the RNAi outcome in Huh‐7_LUC cells, several experiments were also repeated 

in Huh‐7_EGFP cells. Figure 6.5 proves that our siRNA loaded dextran nanogels (DS 2.5 and DS 5.2 are 

investigated) are also able to induce a significant reduction of EGFP expression.  

 

FIGURE 6.5 |  (a) EGFP silencing with dex‐HEMA DS 2.5 nanogels  (60 µg mL‐1), without siRNA addition  (empty nanogels) or  loaded with control siRNA  (siCONTROL, siLUC) and active siRNA  (siEGFP). The amount of siRNA added  per  well  was  75  pmol  per  7.5  x  104  seeded  cells  in  12‐well  format  and  the  EGFP  expression  was quantified 5 days post‐transfection. (b) The amount of siRNA was titrated with 50 µg mL‐1 DS 5.2 nanogels and the effect on the EGFP suppression is shown. Data are expressed as percentage EGFP expression relative to DS 5.2 nanogels loaded with siLUC. Expression of EGFP was quantified 72 h post‐transfection and transfection was performed in 24‐well plates with 3 x 104 seeded cells per well. (c) Visual control of EGFP silencing with DS 5.2 nanogels as evaluated with fluorescence microscopy.  

176  

evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels | CHAPTER 6 

Figure 6.5a and 6.5c confirm the sequence‐specificity of the downregulation effect, since none of the 

controls used in these experiments, i.e. empty nanogels and nanogels loaded with either a universal 

control  siRNA  (siCONTROL)  or  an  irrelevant  but  validated  siRNA  (siLUC),  showed  deviant  EGFP 

expression. A dose response experiment with DS 5.2 nanogels demonstrated a clear influence of the 

amount of  siRNA used on  the  knockdown  efficiency with  an  eventual  IC50  value  ~0.5 pmol  siRNA 

under the experimental conditions.   

Following our kinetic data on Huh‐7_LUC cells, we also conducted a time‐dependent gene silencing 

experiment with EGFP  as RNAi  target. A  first observation  is  that  the magnitude of EGFP  silencing 

differs significantly between  the nanogels,  in correspondence with what we observed earlier.   This 

can  be  caused  both  by  differences  in  nanogel  carrier  degradation  (as we  stated  in  the  previous 

paragraph based on our data obtained in Huh‐7_LUC cells) or differences in siRNA complexation and 

cellular uptake.  

 

FIGURE  6.6  |  Time‐dependent  EGFP  suppression  with  different  dex‐HEMA‐co‐TMAEMA  nanogels  and lipofectamine™RNAiMAX. The concentration of nanogels was fixed to 50 µg mL‐1 and the amount of siRNA per well equaled 50 pmol (24‐well plate). 

With  regard  to  the  RNAi  kinetics, we  also  generally  observe  the  same  trend  as  in  our  luciferase 

knockdown  experiments.  Irrespective  of  the  amount  of  siRNA  that  a  certain  nanogel  carrier may 

deliver  into  the  cell  cytoplasm,  the  recovery  of  EGFP  expression  to  steady  state  level  follows 

approximately  the  same  course  for  DS  2.5,  DS  8.9  and  DS  5.2  dex‐HEMA‐co‐TMAEMA  nanogels. 

Therefore we again assume that the RNAi kinetics is independent of the nanogel characteristics and 

that the recovery phase is most likely governed by cell division. From these data eventually the same 

177  

CHAPTER 6 | evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels  

 

hypothesis arises, namely that during a short time‐window following cellular  internalization, a small 

fraction  of  the  complexed  siRNA  may  be  delivered  in  the  cell  cytoplasm,  but  that  a  genuine 

intracellular  time‐controlled  delivery  based  upon  the  characteristics  of  the  dex‐HEMA  nanogels  is 

hampered by the endolysosomal barrier. Other reports in the literature also state that only a minor 

fraction  of  the  internalized  siRNA  is  eventually  functionally  active  in  the  cytosol.[21‐24]  Since most 

cationic  nanoparticles  are  effectively  endocytosed  by  the  target  cells,  exploiting  possibilities  to 

overcome their resulting vesicular confinement will dramatically increase the biological availability of 

siRNA and the RNAi activity. 

RNAi gene silencing kinetics in Huh‐7_EGFP cells: influence of PCI 

To  achieve  an  intracellular  degradation  controlled  release  of  siRNA  with  our  cationic  dextran 

nanogels in order to improve the biological availability of siRNA in the target cell, it is imperative to 

induce  a  transition  of  siRNA  loaded  nanogels  from  the  endosomal  compartment  towards  the 

cytoplasm  of  the  cell.  Chapter  5  showed  that  photochemical  internalization  (PCI)  was  able  to 

enhance the RNAi effect of both degradable dex‐HEMA as non‐degradable dex‐MA nanogels (Figure 

5.9 and 5.10).[25] For  this  reason, we again  turned  to PCI  to  test  its effect on  the nanogel  samples 

used in this chapter in order to implement a PCI driven time‐dependent gene silencing. In agreement 

with  the  results  in  the  previous  chapter,  we  observed  a  significant  improvement  in  EGFP  gene 

silencing  for all nanogel  samples used  in  this  chapter, also  for  the non‐degradable dex‐MA DS 3.4 

nanogels  (data  not  shown).  Improvement  in  cellular  siRNA  delivery with  non‐degradable  dex‐MA 

nanogels  is  best  explained  by  the  fact  that  charged  anionic  macromolecules  that  the  particles 

encounter  in the cell cytoplasm (e.g. proteins, mRNA, negatively charged phospholipids) are able to 

displace siRNA molecules from the surface of the nanogels (see also PCI data in chapter 5). Currently, 

we cannot be sure whether the observed improvement in the siRNA effect is a result of quantitative 

siRNA displacement  from  the nanogel  surface or  that a  fraction of  the  internalized  siRNA  remains 

complexed after endosomal escape.  In the  latter case, this siRNA fraction may still be released  in a 

degradation controlled fashion from our dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels. Unfortunately, up to now 

we have insufficient data at our disposal to unambiguously address this question. 

As a proof of concept of how photochemical internalization may be applied not only to enhance the 

intracellular release of siRNA but also to induce a more sustained gene silencing effect, we followed 

an  experimental  gene  silencing  protocol  as  schematically  depicted  in  Figure  6.7.  In  these 

experiments, photochemical  internalization was not only  induced during transfection as  is normally 

178  

evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels | CHAPTER 6 

done (Figure 6.7a – PCI t0), but also the influence of a two days delay in the photochemical treatment 

was investigated (Figure 6.7b – PCI t2). 

PCI t0 on dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels (DS 5.2, 25 µg mL‐1) already improved the EGFP expression 

on day 3 post‐transfection (i.e. also 3 days following PCI treatment), an effect that shows even more 

obvious at the next analysis point (day 6) (Figure 6.8a). Nevertheless, the improvement in the effect 

is from this point on gradually lost as can be seen at day 9 and day 12 post‐transfection. As expected, 

promoting endosomal escape by PCI, eventually enlarges the fraction of functional siRNA molecules 

in the cell cytoplasm, resulting  in an  improvement of target gene suppression,  lasting for at  least 6 

days under the experimental conditions. Surprisingly, when applied in a transfection with  50 µg mL‐1 

as nanogel concentration,  the PCI  t0 protocol was not able  to enhance  the eventual gene silencing 

outcome (data not shown). 

 

FIGURE 6.7 | Schematic overview of the experimental protocols used with the application of PCI. (a) PCI t0: one day  after  seeding  of  the  Huh‐7_EGFP  cells,  photosensitizer  (PS)  was  added  and  incubation  proceeded overnight. At day 0, PS was removed from the cells and the transfection was performed in PS‐free OptiMEM (4 h) after which  the cells were  illuminated.  (b) PCI t2: 48 h after seeding  the cells,  they were  transfected with siRNA loaded nanogels. One day post‐transfection, PS was added and left to incubate with the cells overnight. At day 2 post‐transfection,  also  a 4 h PS‐free  incubation period was  respected before  illumination.  In both protocols, EGFP expression was analyzed day 3 – day 6 – day 9 and day 12 post‐transfection. 

The  results  on  the  delayed  PCI  treatment  (PCI  t2)  are  displayed  in  Figure  6.8b‐d.  At  day  3  post‐

transfection, being 24 h after photochemical treatment, already a significant difference  is observed 

between the treated and non‐treated cells for the lower nanogel concentrations (10 µg mL‐1, Figure 

6.8b and 25 µg mL‐1, Figure 6.8c), but not when 50 µg mL‐1 nanogels were applied on the cells. More 

interestingly, for the remainder of the investigated time course,  this difference in gene silencing is at 

179  

CHAPTER 6 | evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels  

 

least maintained (Figure 6.8b) or even substantially enhanced (Figure 6.8c and 6.8d) with up to 25% 

additional gene suppression. These results clearly indicate that 48 hours following transfection, PCI is 

still able to release some of the internalized siRNA  thereby lengthening the EGFP knockdown, albeit 

only  a moderate effect when higher nanogel  concentrations  are used  (Figure 6.8d). On  the other 

hand, PCI did not have  a beneficial effect  at  all on  the RNAi  kinetics  for  lipofectamine™RNAiMAX 

(data not shown).  

 

FIGURE 6.8 | EGFP expression as a function of time following transfection with DS 5.2 cationic nanogels  in the absence (black squares) or presence (white circles) of TPPS2a PS according to the indicated PCI protocol. (a) 25 µg mL‐1 nanogels, PCI t0, (b) 10 µg mL‐1 nanogels, PCI t2, (c) 25 µg mL‐1 nanogels, PCI t2, (d) 50 µg mL‐1 nanogels, PCI t2. Data points are mean values ± SD (n=3). 

One has to keep in mind that two days post‐transfection, the internalized siRNA‐nanogels are divided 

over a  larger cell population as a  result of cell proliferation. Moreover, since we applied  the same 

amount  of  PS  for  both  the  PCI  t0  and  PCI  t2  protocol,  this  also  implies  that  the  number  of  PS 

molecules per cell will be  lower, consequently not reaching the  full potential  that PCI may offer.  It 

can be assumed  that when applying  the same method on cells with a slower division  rate or even 

primary cells, more dramatic PCI effects could emerge. The  ‘delayed’ PCI protocol  is far from being 

optimized and better results could be expected with optimized photochemical dose and investigation 

180  

evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels | CHAPTER 6 

of the ideal illumination time‐point. In conclusion, this PCI strategy indicates that delayed application 

of PS to transfected cells is still able to liberate a fraction of the siRNA‐nanogels trapped in endocytic 

vesicles, which is a potential strategy to prolong the therapeutic effect in the case when endosomal 

escape  is  the  effect‐limiting  step.  Furthermore,  the  proposed  data  suggest  that  the  prolonged 

residence time  in  intracellular vesicles  (e.g. endolysosomes)  is not detrimental at  least  for some of 

the  internalized siRNA duplexes. Still this  is one of the major concerns when applying a delayed PCI 

treatment.[26]  PCI  on  nanogels  complexing  nuclease‐stabilized  siRNA  could  therefore  also  be  an 

interesting alternative. 

CONCLUSIONS 

In the present chapter, we screened the RNAi gene silencing kinetics on Huh‐7_LUC and Huh‐7_EGFP 

cells with  dex‐HEMA‐co‐TMAEMA  nanogels  of  varying  crosslink  density. We  first  verified  that  our 

cationic nanogels could also  induce a  sequence‐specific knockdown of  the EGFP expression, which 

was not yet studied in this thesis. Although the maximal gene silencing effect differed for the nanogel 

dispersions investigated in both screening experiments, no marked deviations could be noted in the 

recovery to steady state expression levels of the target gene. Photochemical internalization (PCI) was 

able  to  substantially enhance  the extent and duration of EGFP knockdown, even when applied 48 

hours post‐transfection. This opens up new possibilities  to use PCI as a  tool  to prolong  the  siRNA 

silencing effect when identifying the optimal time‐point for PCI application to maximize the effect of 

a single administration. 

ACKNOWLEDGMENTS 

Koen  Raemdonck  is  a  doctoral  fellow  of  the  Institute  for  the  Promotion  of  Innovation  through 

Science and Technology in Flanders (IWT‐Vlaanderen). The authors would like to acknowledge the EU 

(FP6) for funding of MediTrans, an  integrated project on nanomedicines. A. Høgset  is supported by 

the Norwegian  Research  Council.  Saartje  Steppe  is  acknowledged  for  her  help with  the  practical 

experiments. 

   

181  

CHAPTER 6 | evaluation of gene silencing kinetics with siRNA loaded dextran nanogels  

 

182  

REFERENCE LIST 

1.   Fire A., Xu S., Montgomery M.K., Kostas  S.A. et al., Potent and  specific genetic  interference by double‐stranded RNA in Caenorhabditis elegans, Nature 1998, 391: 806‐811. 

2.   Whitehead K.A., Langer R., and Anderson D.G., Knocking down barriers: advances in siRNA delivery, Nature Reviews Drug Discovery 2009, 8: 129‐138. 

3.   de Fougerolles A.R., Delivery vehicles for small interfering RNA in vivo, Hum. Gene Ther. 2008, 19: 125‐132. 4.   Davis M.E., The First Targeted Delivery of siRNA  in Humans via a Self‐Assembling, Cyclodextrin Polymer‐

Based Nanoparticle: From Concept to Clinic, Mol. Pharm. 2009, 6: 659‐668. 5.   Behlke M.A., Chemical modification of siRNAs for in vivo use, Oligonucleotides. 2008, 18: 305‐319. 6.   Hefner E., Clark K., Whitman C., Behlke M.A. et al., Increased potency and longevity of gene silencing using 

validated Dicer substrates, J. Biomol. Tech. 2008, 19: 231‐237. 7.   Amarzguioui M. and Rossi J.J., Principles of Dicer substrate  (D‐siRNA) design and function, Methods Mol. 

Biol. 2008, 442: 3‐10. 8.   Chu C.Y. and Rana T.M., Potent RNAi by short RNA triggers, RNA 2008, 14: 1714‐1719. 9.   Sano M., Sierant M., Miyagishi M., Nakanishi M. et al., Effect of asymmetric terminal structures of short 

RNA duplexes on  the RNA  interference activity and  strand  selection, Nucleic Acids Res. 2008, 36: 5812‐5821. 

10.  Gao K. and Huang L., Nonviral Methods for siRNA Delivery, Mol. Pharm. 2009, 6: 651‐658. 11.  Novobrantseva T.I., Akinc A., Borodovsky A., and de F.A., Delivering silence: advancements  in developing 

siRNA therapeutics, Curr. Opin. Drug Discov. Devel. 2008, 11: 217‐224. 12.  Bartlett D.W. and Davis M.E., Insights into the kinetics of siRNA‐mediated gene silencing from live‐cell and 

live‐animal bioluminescent imaging, Nucleic Acids Research 2006, 34: 322‐333. 13.  Mantei A., Rutz S., Janke M., Kirchhoff D. et al., siRNA stabilization prolongs gene knockdown in primary T 

lymphocytes, Eur. J. Immunol. 2008, 38: 2616‐2625. 14.  Raemdonck K., Van  Thienen  T.G., Vandenbroucke R.E.,  Sanders N.N. et  al., Dextran microgels  for  time‐

controlled delivery of siRNA, Advanced Functional Materials 2008, 18: 993‐1001. 15.  Raemdonck K., Vandenbroucke R.E., Demeester J., Sanders N.N. et al., Maintaining the silence: reflections 

on long‐term RNAi, Drug Discovery Today 2008, 13: 917‐931. 16.  Judge A.  and Maclachlan  I., Overcoming  the  innate  immune  response  to  small  interfering RNA, Human 

Gene Therapy 2008, 19: 111‐124. 17.  Svoboda P., Off‐targeting and other non‐specific effects of RNAi experiments in mammalian cells, Current 

Opinion in Molecular Therapeutics 2007, 9: 248‐257. 18.  Grimm D.,  Streetz  K.L.,  Jopling C.L.,  Storm  T.A.  et  al.,  Fatality  in mice due  to oversaturation of  cellular 

microRNA/short hairpin RNA pathways, Nature 2006, 441: 537‐541. 19.  Dykxhoorn D.M. and Lieberman J., Knocking down disease with siRNAs, Cell 2006, 126: 231‐235. 20.  Van Dijk‐Wolthuis W.N., van Steenbergen M.J., Underberg W.J., and Hennink W.E., Degradation kinetics of 

methacrylated dextrans in aqueous solution, J. Pharm. Sci. 1997, 86: 413‐417. 21.  Detzer A., Overhoff M., Wunsche W., Rompf M. et al., Increased RNAi is related to intracellular release of 

siRNA via a covalently attached signal peptide, RNA. 2009, 15: 627‐636. 22.  Mescalchin A., Detzer A., Wecke M., Overhoff M. et al., Cellular uptake and intracellular release are major 

obstacles to the therapeutic application of siRNA: novel options by phosphorothioate‐stimulated delivery, Expert. Opin. Biol. Ther. 2007, 7: 1531‐1538. 

23.  Veldhoen  S.,  Laufer  S.D., Trampe A.,  and Restle T., Cellular delivery of  small  interfering RNA by  a non‐covalently attached cell‐penetrating peptide: quantitative analysis of uptake and biological effect, Nucleic Acids Res. 2006, 34: 6561‐6573. 

24.  Lu J.J., Langer R., and Chen J., A Novel Mechanism Is Involved in Cationic Lipid‐Mediated Functional siRNA Delivery, Mol. Pharm. 2009, 6: 763‐771. 

25.  Berg K.,  Folini M.,  Prasmickaite  L.,  Selbo P.K.  et  al.,  Photochemical  internalization:  a new  tool  for drug delivery, Curr. Pharm. Biotechnol. 2007, 8: 362‐372. 

26.  Prasmickaite  L.,  Hogset  A.,  Selbo  P.K.,  Engesaeter  B.O.  et  al.,  Photochemical  disruption  of  endocytic vesicles before delivery of drugs: a new strategy for cancer therapy, Br. J. Cancer 2002, 86: 652‐657. 

    

liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels | CHAPTER 7 

 CHAPTER 7 | Liposomal 

template‐assisted synthesis of dextran based nanogels 

      

Manuscript of this chapter is in preparation: 

 

Koen Raemdonck1, Joseph Demeester1, Stefaan C. De Smedt1 (2009) 

1Laboratory of General Biochemistry and Physical Pharmacy, Department of Pharmaceutics, Faculty of Pharmaceutical 

Sciences, Ghent University, Harelbekestraat 72, B‐9000 Ghent, Belgium. 

183  

CHAPTER 7 | liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels  

 

   

184  

liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels | CHAPTER 7 

 

7 OVERVIEW CHAPTER CONTENTS 

Chapter 7 provides: 

• details on the creation of hybrid  lipid‐enveloped  (cationic) nanogels  (LENs) using  liposomes 

as nanoreactor 

• pilot experiments to evaluate if these nanoparticles are suited for siRNA encapsulation 

• A  brief  overview  of  other  literature  reports  describing  lipid‐coated  nanoparticles  and  a 

discussion on the additional value of these nanocomposites for siRNA delivery 

Key terms: 

Liposomes – nanogels – siRNA – charge neutral – phospholipid gel – encapsulation  

 

INTRODUCTION 

The successful  intracellular delivery of nucleic acid therapeutics, such as siRNA and pDNA, depends 

on  the  efficient  formulation  into  pharmaceutical  nanocarriers  that  can  guide  their  therapeutic 

payload  to  the  target  cells. However,  as  already  discussed  in  chapters  1  and  4,  extracellular  and 

intracellular barriers may prevent efficient accumulation of  the drug  loaded particles at  the site of 

action.[1‐3] We  provided  evidence  in  chapter  5  and  chapter  6  that  the  presented  cationic  dextran 

nanogels are able to carry high amounts of siRNA therapeutics and transport them across the cellular 

membrane. The designated chapters, however, also  revealed  that  the endosomal  sequestration of 

the  siRNA  loaded  nanogels,  significantly  limited  the  full  RNAi  potential.  To  achieve  our  goal  of 

intracellular  controlled  release  of  siRNA,  a  transition  of  intact  siRNA  loaded  nanogels  from  the 

endosomal lumen into the cytoplasm needs to occur.  

185  

CHAPTER 7 | liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels  

 

Besides polymeric  nanoparticles,  liposomes have  also been widely  investigated  as pharmaceutical 

nanocarriers.[1,4‐6]  Liposomes are defined as  self‐assembled  spherical  vesicles  consisting of  (a)  lipid 

bilayer(s)  that  enclose  an  aqueous  core.  Like  nanogels,  liposomes  can  be  tailored  to  respond  to 

environmental changes e.g. pH, redox potential and temperature,[6‐10] but they usually lack the ability 

to provide a  time‐controlled  cytosolic  release of macromolecular  therapeutics.  In  this  chapter, we 

aim to combine the advantages of our biodegradable dextran nanogels for cytosolic controlled siRNA 

release with the multifunctionality of  liposomes into a hybrid nanogel‐lipid core‐shell composite. 

Several reports in the literature describe the design of lipid coated nanoparticles.[11‐16] As an example, 

Harashima’s group published several papers on multifunctional envelope‐type nanodevices (MENDs), 

that consist of a condensed core containing the complexed nucleic acids (siRNA or pDNA) surrounded 

by a multifunctional  lipid envelope.[17,18] The MEND particles are usually obtained by an optimized 

lipid hydration method, where a preformed lipid film is hydrated with an aqueous solution containing 

the nucleic acid‐polycation  core  complexes.[19,20] Alternatively, encapsulation  in a  lipid bilayer may 

also  be  achieved  through  fusion  of  anionic  small  unilamellar  vesicles  (SUVs)  on  the  surface  of 

positively charged nanoparticles.[21] The authors  state  that during  these processes  the nucleic acid 

core and the lipid bilayers exist as separate structures. It was shown that the packaging of a pDNA or 

siRNA complex core  into a pH‐responsive fusogenic  lipid envelope may  lead to efficient endosomal 

escape of  the nucleic acid  complexes due  to  fusion  triggered decoating upon  interaction with  the 

endosomal membrane.[21] Alternatively, Jana et al. prepared polyvinylpyrrolidone nanoparticles that 

were subsequently encapsulated  in  fusogenic Sendai virosomes. The authors  indicate  that the viral 

envelope may  trigger  fusion with  the  plasma membrane  of  (hepatic)  cells,  thereby  injecting  the 

nanoparticles directly  into  the  cytosol.[22] A  comparable  approach  is presented by Kunisawa  et al. 

who incorporated poly(vinyl)amine nanoparticles into Sendai viral envelopes.[23] 

A potential drawback of the described preparation methods is that they generally consist of several 

consecutive steps that need separate optimization (nanoparticle preparation, hydration of lipid coat, 

sonication or extrusion,...) which makes the preparation process laborious and difficult to control. It 

seems  not  so  straightforward  to  incorporate  the  necessary  functionalities  in  a  hybrid  nanosized 

structure by a ‘one‐step’ production process.  

However, in the literature one can find some examples of the single‐step preparation of lipid coated 

particles, by using liposomes as nanoscaled reactors for particle formation.[24‐33] Hereby, the aqueous 

core of the liposomal template is employed as a reaction vessel for the synthesis of nanostructures, 

that are thereby automatically equipped with a  lipid shell.    In this chapter we aimed to evaluate  if 

hybrid  lipid‐enveloped  dextran  nanogels  (LENs)  could  be  prepared  for  siRNA  delivery,  by  using  a 

186  

liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels | CHAPTER 7 

 

liposomal template‐assisted synthesis and we further discuss the potential advantages this delivery 

system may provide. 

EXPERIMENTAL SECTION 

Phospholipids 

1,2‐dioleoyl‐sn‐glycero‐3‐phosphocholine  (DOPC, Tm=‐20°C, 20 mg mL‐1  in chloroform); 1,2‐dioleoyl‐

sn‐glycero‐3‐phosphoethanolamine  (DOPE,  Tm=‐16°C,  10  mg  mL‐1  in  chloroform);  1,2‐dioleoyl‐sn‐

glycero‐3‐phosphoethanolamine‐N‐(lissamine  rhodamine‐B  sulfonyl)  ammonium  salt  (Rho‐B‐DOPE, 

λex/λem  =  557  nm/571  nm)  and  1,2‐dioleoyl‐sn‐glycero‐3‐phosphoethanolamine‐N‐(7‐nitro‐2‐1,3‐

benzoxadiazol‐4‐yl)  (ammonium salt)  (NBD‐DOPE, λex/λem = 460 nm/534 nm) were purchased  from 

Avanti Polar Lipids (Alabama, USA). Lyophilized DOPC and DOPE were obtained from Sigma Aldrich. 

Cholesteryl  Bodipy  FLC12  (cholesteryl  4,4‐difluoro‐5,7‐dimethyl‐4‐bora‐3a,4a‐diaza‐s‐indacene‐3‐

dodecanoate) was from Molecular probes (Eugene Oregon, USA). 

siRNA oligonucleotides 

Twenty‐one  nucleotide  siRNA  duplexes,  targeted  against  pGL3  luciferase,  were  purchased  from 

Eurogentec (Seraing, Belgium). SiRNA batches were diluted in RNase free water and placed at ‐85°C. 

For  fluorescence experiments, a pGL3  siRNA duplex 5’‐labeled  (sense  strand) with Alexa Fluor 488 

(AF488‐siRNA) was used.  

Preparation of lipid‐enveloped dextran nanogels through extrusion 

Dextran  nanogels were  prepared  using  liposomes  as  nanosized  reactor.  Appropriate  amounts  of 

DOPC or DOPC and DOPE  (molar ratio 1:1), dissolved  in chloroform, were mixed  in a glass vial. For 

fluorescently labelled liposomes, rho‐B DOPE, NBD‐DOPE or cholesteryl Bodipy were added in 0.1‐0.2 

mol% of total phospholipid. To obtain a  lipid film, the chloroform was evaporated under a nitrogen 

flow, while rotating the vial gently. The lipid film is then placed under a vigorous stream of nitrogen 

for at least 1h to remove traces of chloroform and stored at ‐20°C. A dex‐HEMA solution (20% (w/w) 

in 20 mM HEPES buffer pH 7.4, containing irgacure 2959 as photoinitiator (Ciba Specialty Chemicals), 

is used to hydrate the lipids by vortexing at room temperature (2 min). To obtain lipid coated cationic 

dextran nanogels, dimethyl aminoethyl methacrylate  (DMAEMA, also  see chapter 3) was added  to 

the dextran solution. The resulting dispersion of  large multilamellar vesicles (LMVs) was allowed to 

187  

CHAPTER 7 | liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels  

 

stabilize  for  5  min  and  subsequently  extruded  through  a  double  stacking  of  0.4  or  0.2  µm 

polycarbonate filters using a hand‐held extruder (Avanti polar lipids). To prevent the polymerization 

of the dex‐HEMA which was not encapsulated in the liposome interior, the liposome dispersion was 

diluted 1:10 in 20 mM HEPES buffer so that the dex‐HEMA concentration of the solution surrounding 

the  liposomes became  too  low  to  form a hydrogel. Subsequently  the  sample was UV  irradiated at 

room temperature for 450 s under N2 atmosphere  (365 nm from a Bluepoint 2.1 UV source, Honle 

UV Technology) thereby selectively crosslinking the dex‐HEMA inside the lipid bilayer which results in 

the formation of lipid‐enveloped dextran nanogels. To obtain naked dextran nanogels, the lipid layer 

was solubilized by addition of TX100  (10% w/v) at a molar ratio ≥ 10 relative to total phospholipid 

content.  In one experiment,  the  lipid coat was removed by subsequent washing steps with diluted 

isopropanol. Briefly, a dispersion of LENs  (containing ~1.3 mM  total phospholipid)  is  filtrated on a 

Vivaspin  6  ultrafiltration  device  (300.000  MWCO,  polyethersulfone,  Vivascience  –  Sartorius 

instruments) by centrifugation (2000 g, 20 min). The remaining volume (~100 µL) is diluted with 1 mL 

of distilled water followed by the addition of 700 µL isopropanol (35% final concentration) and again 

subjected  to a washing  step  (1000 g, 20 min). This washing  step  is  repeated a  second  time. After 

every  centrifugation‐dilution  step  with  distilled  water,  an  aliquot  is  taken  for  zeta‐potential 

measurement and phosphate analysis according to Rouser et al. after destruction of the lipids using 

perchloric acid.[31,34]  

Preparation of lipid coated dextran nanogels through ultrasonication 

Lyophilized  lipids (total amount 150 mg),  i.e. DOPC or DOPC:DOPE (1:1), are weighed  in a non‐stick 

RNase free 2 mL eppendorf (Ambion, Austin, TX) and 500 µL of chloroform  is added to dissolve the 

lipids. Subsequently, the chloroform is removed under nitrogen flow followed by additional vacuum 

evaporation  (Büchi  Rotavapor  R‐200).  The  dried  lipid  constituents were  hydrated with  a  dex‐MA 

solution (25 wt% in HEPES buffer) with a CapMix™ (3*30s) and left to hydrate during 30 min (4°C). To 

further size the formed lipid vesicles, the dispersion was sonicated using a probe sonicator (Branson 

digital  sonifier)  in  subsequent  steps  of maximum  25  s.  After  every  cycle,  the  resulting  vesicular 

phospholipid gel (VPG) was briefly placed on ice before starting the next sonication step. To evaluate 

the size of the  liposomes  in the VPG, ~1 mg of VPG was dispersed  in 2 mL HEPES buffer  (CapMix™ 

during 15 s) and analyzed with DLS at 25°C. 

 

 

188  

liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels | CHAPTER 7 

 

siRNA loading during preparation of lipid‐enveloped dextran nanogels 

The  loading of dex‐HEMA nanogels with siRNA was obtained  through hydration of  the DOPC:DOPE 

lipid film with a siRNA containing dex‐HEMA solution (passive loading). To estimate the siRNA uptake 

inside  the  liposomes  formed  by  extrusion  (final  lipid  concentration  ~30  mM)  in  a  preliminary 

experiment,  the  non‐encapsulated  siRNA  was  separated  from  the  liposomes  by  gel  permeation 

chromatography  (GPC)  using  a  Sephadex  CL‐4B  column  (Sigma),  equilibrated  with  Tris/EDTA  (10 

mM/1 mM) buffer at pH 7.4. The elution of the liposomes was detected by turbidity measurements 

with a Pharmacia LKB Biochrom UV/VIS spectrophotometer (λ = 633 nm). The siRNA concentration in 

each elution  fraction was quantified  (after  the addition of TX100) using  the Quant‐it™ Ribogreen® 

RNA Reagent (Molecular Probes, Eugene, Oregon, USA). To quantify the encapsulation efficiency of 

siRNA in liposomes formed by ultrasonication, DOPC:DOPE lipids were hydrated with a 25% dex‐MA 

solution in HEPES buffer, supplemented with siRNA (final lipid concentration 500 mg mL‐1, final siRNA 

concentration 40 µM). The encapsulation efficiency was quantified by measuring the fluorescence of 

Quant‐it™ Ribogreen® RNA Reagent before and after TX100 addition (0.25%) to the lipid dispersion. 

In the absence of detergent, the signal comes from accessible (i.e. unencapsulated) siRNA only, while 

the signal after detergent addition corresponds with total siRNA.[35] Calibration curves of siRNA were 

first constructed with and without TX100 (R2= 0.998). Ribogreen fluorescence (λex= 500 nm, λem=525 

nm) was measured using a Wallac Victor2 fluorescence plate reader (Perkin Elmer, Waltham, MA). 

Dynamic Light Scattering (DLS) and zeta‐potential 

The particle size of the nanogels was measured by dynamic light scattering using a Malvern Autosizer 

4700, consisting of a He‐Ne laser (633 nm, 25 mW output power). Polystyrene nanospheres (220 ± 6 

nm,  Duke  Scientific  Corporation)  were  used  as  calibration  standard.  The  mean  hydrodynamic 

diameter of the particles (dh) was obtained from the intensity fluctuations of the scattered light using 

the software package provided by Malvern based on the Stokes‐Einstein equation: D = kbT.(3πηdh)‐1 

where D  is the diffusion coefficient, kb  is de boltzmann constant, T  is the temperature of the water 

bath  (298 K) and η  is the solvent viscosity. Scattering was measured at a fixed angle of 90°. HEPES 

buffer, used to dilute the nanoparticle dispersions, was filtered through 0.22 µm membrane before 

use.  Some  of  the  size measurements were  repeated  and/or  performed  on  the Malvern  Zetasizer 

Nano ZS, as described in previous chapters. 

Zeta  potential  measurements  in  this  chapter  were  performed  on  a  Zetasizer  2000,  Malvern, 

Worcestershire, UK. 

189  

CHAPTER 7 | liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels  

 

Scanning electron microscopy 

Scanning electron microscopy on naked nanogels was carried out using a Zeiss DSM 40  instrument 

operating  at  an  accelerating  voltage of 5  kV.  For  sample preparation,  a drop of  the dispersion of 

naked nanogels (obtained through washing of the lipid coated nanogels with isopropanol) was dried 

under low vacuum on a glass slide and subsequently sputtered with gold/palladium. 

Fluorescence Fluctuation Spectroscopy (FFS) 

A  dual‐colour  fluorescence  fluctuation  spectroscopy  instrument  (dual‐colour  FFS)  was  used  as 

described previously.[36] FFS monitors fluorescence intensity fluctuations in the excitation volume of a 

confocal  microscope.  In  dual‐colour  FFS  measurements,  two  spectrally  different  fluorophores 

(respectively AF488 and  lissamine‐rhodamine B  in this study) are used. The fluorescence of the two 

fluorophores is registered by two separate detectors monitoring the same excitation volume. In this 

study the 488 nm and 561 nm  laser  lines of a Krypton‐Argon  ion  laser  (BioRad, Cheshire, UK) were 

used  to  excite  the  samples  and  the  fluorescence  fluctuations were  recorded  during  a  50  s  time 

interval.  For  a  profound  theoretical  background  on  FFS  we  would  like  to  refer  to  the  indicated 

references.[37‐39] 

FFS  experiments  were  carried  out  on  dex‐HEMA‐co‐DMAEMA  containing  DOPC:DOPE  liposomes 

respectively before and after UV  irradiation. Therefore 50 µL of  the  liposomal dispersions  (50 nM 

phospholipids) was applied in the wells of a glass‐bottomed 96‐well plate (Greiner Bio‐one, certified 

DNase/RNase  free). The  focal volume was placed 50 µm above  the bottom of  the wells. The  lipid 

layer was fluorescently  labelled by addition of 0.1 mol% of rhodamine B‐DOPE to the  lipid mixture. 

TX100  was  added  to  solubilize  the  lipid  layer  (molar  ratio  TX100/phospholipids  =  10).  After 

solubilization, AF488‐siRNA  (final concentration = 50 nM) was mixed with  the samples  in  the wells 

and fluorescence fluctuations were again recorded. 

Cellular uptake of lipid coated cationic nanogels in Huh‐7 cells  

The  wild‐type  human  hepatoma  cell  line  Huh‐7_wt  was  cultured  (37°C,  5%  CO2)  in  DMEM:F12, 

supplemented with 2 mM glutamine, 10 % heat‐inactivated FBS and 100 U mL‐1 P/S. Huh‐7 cells were 

seeded in sterile glass‐bottomed culture dishes (MatTek Corporation, Ashland, MA) at a density of 3 x 

104 cells per cm2 and allowed to attach overnight. DOPC:DOPE (1:1) coated cationic nanogels (20 % 

w/w dex‐HEMA DS 5.7, molar ratio HEMA/DMAEMA = 0.25, 25 nmol  lipids) containing 0.2 mol% of 

cholesteryl  Bodipy  were  incubated  with  the  cells  (37°C,  5%  CO2)  in  OptiMEM  during  4  h. 

Subsequently, cells were washed with PBS and preheated culture medium was added. After another 

190  

liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels | CHAPTER 7 

 

20 h of  incubation,  the  intracellular distribution of  the  lipid coated nanogels was visualized with a 

Nikon  EZC1‐si  confocal  scanning  module  installed  on  a  motorized  Nikon  TE2000‐E  inverted 

microscope  (Nikon Benelux, Brussels, Belgium). For  lysosomal staining, cells were  incubated  for 15 

min with 1:104 diluted Lysotracker Red®  (Molecular Probes) prior  to  image  recording. Nuclei were 

stained  through  10  min  incubation  with  a  1:103  dilution  of  DraQ5™  (Alexis  Biochemicals, 

Switzerland).  Extracellular  fluorescence was  quenched  by  short  incubation with  0.4%  trypan  blue 

(Sigma). Images were captured with a Nikon Plan Apochromat 60x oil immersion objective (numerical 

aperture 1.4) using a 488 nm, 561 nm and 639 nm laser line for the excitation of cholesteryl Bodipy, 

Lysotracker Red® and DraQ5™ respectively. 

Quantification of cellular uptake of DOPC:DOPE LENs was analyzed using flow cytometry. Briefly, 6 x 

104  cells were  seeded  in 24‐well plates and 48 h after  seeding,  they were  incubated  for 4 h with 

increasing  concentrations  of  fluorescently  labelled  LENs  (DOPC:DOPE  containing  0.2 mol%  NBD‐

DOPE)  in complete cell culture medium  (0.5 mL  final volume). Following  incubation,  the cells were 

washed with PBS, quenched with 0.4% trypan blue (8 min, 37°C) and prepared for flow cytometry as 

already explained in previous chapters.  

RESULTS AND DISCUSSION 

Formation of biodegradable nanogels inside a liposome reactor 

In this manuscript we aimed to design dextran nanogels using  liposomes as nanoscaled reactor  for 

the  selective photopolymerization of dextran hydroxyethyl methacrylate  (dex‐HEMA), as described 

earlier by Van Thienen et al..[32] Figure 7.1 schematically depicts the preparation procedure. In a first 

step, a lipid film is hydrated with a buffered dex‐HEMA solution, that is supplemented with irgacure 

2959 as a photoinitiator.  In this way, polydisperse multilamellar  liposomal vesicles are formed with 

dex‐HEMA  encapsulated  in  their  aqueous  core.  To  obtain  a  more  homogeneous  dispersion  of 

(predominantly) unilamellar vesicles, the sample  is subsequently extruded through a polycarbonate 

filter with a defined pore size. A final step is the UV induced photopolymerization of dex‐HEMA inside 

the liposomal template, to obtain dextran nanogels surrounded by a lipid bilayer. In order to prevent 

the  polymerization  of  dex‐HEMA  in  between  the  liposomal  vesicles,  the  liposome  dispersion  is 

diluted at  least  ten‐fold.  In  this way,  the dex‐HEMA crosslinking will be  restricted  to  the  liposome 

inner  compartment  as  the  concentration  of  unencapsulated  dex‐HEMA will  be  below  the  critical 

threshold that  is needed for hydrogel formation. Alternatively, the external dex‐HEMA may also be 

removed by size exclusion chromatography or dialysis, which are however more time‐consuming and 

191  

CHAPTER 7 | liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels  

 

labour  intensive methods. Schillemans et al. reported on the use of ascorbic acid to  inhibit the free 

radical polymerization process  in between the  liposomal vesicles to ensure selective crosslinking  in 

the liposome interior.[31] 

 

FIGURE 7.1 | Schematic overview of the preparation protocol to obtain dextran nanogels surrounded by a lipid coat. Hydration of a  thin  lipid  film with a dex‐HEMA solution  leads  to a dispersion of  large and polydisperse multilamellar vesicles (LMVs). Extrusion of the LMV dispersion through a polycarbonate membrane  is used to ‘size’ the obtained multilamellar vesicles into monodisperse large unilamellar vesicles or LUVs. These liposomes carry dex‐HEMA  chains  in  their aqueous  core  that  can be polymerized during UV  irradiation  to  form a dex‐HEMA gel. Redrawn from reference [24]. 

Figure 7.2a shows dynamic light scattering (DLS) data on a dispersion of DOPC:DOPE (1:1) liposomes 

filled with dex‐HEMA respectively before and after UV treatment. In both cases vesicles of ~200 nm 

were detected. To solubilise the lipid bilayer, TX100 was added to the dispersions. The removal of the 

lipid coat was evidenced by the lowering of the scattering intensity (the removal of the lipid bilayer 

lowers  the  difference  in  refractive  index  between  the  nanoparticles  and  the  aqueous  dispersion 

buffer)[32]  and  the  appearance  of  detergent‐phospholipid mixed micelles  (~15‐20  nm  in  size;  see 

Figure 7.2c). Upon addition of TX100 to the  liposome dispersion which was not exposed to UV  light 

only micelles  remained  (monomodal distribution, data not  shown).  In  contrast, both micelles  and 

uncoated nanogels were observed after addition of TX100 to the UV irradiated liposome dispersions 

(Figure 7.2c, bimodal distribution).  Figure 7.2d displays a  scanning electron micrograph of  ‘naked’ 

nanogels, obtained after removal of the  lipid coat. The DLS and electron microscopy data  in Figure 

7.2 clearly  indicate that UV  irradiation of the dex‐HEMA filled  liposomes results  in nanogel particles 

formed within the liposomal reactor.  

We also monitored the size of these lipid coated dex‐HEMA nanogels as a function of time at 37°C by 

DLS. In agreement with the observations by Van Thienen et al.,[32] even after > 2 weeks of incubation, 

still vesicles of about 200 nm in size were detected (Figure 7.2a ‐ UV degraded, white bar). 

192  

liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels | CHAPTER 7 

 

 

FIGURE 7.2 | (a) The white bars represent the hydrodynamic size of DOPC:DOPE (1:1) liposomes, hydrated with dex‐HEMA  DS  5.7,  respectively  before  and  after  UV  irradiation  (for  nanogel  formation)  and  after  the degradation  of  the  nanogels.  The  black  bars  represent  the  DLS  data  on  the  same  samples  after  lipid solubilisation with TX100, (b) DLS profile of the  lipid coated sample after UV  irradiation, (c) DLS profile of the lipid  coated  sample  after UV  irradiation/TX100  treatment,  (d)  scanning  electron micrograph  of  naked  dex‐HEMA nanogels (DS 21). The scale bar represents 500 nm. 

However,  upon  removal  of  the  lipid  bilayer  with  detergent,  only  mixed  micelles  and  particle 

remnants remained detectable by DLS (Figure 7.2a – UV degraded, black bar), indicating that the dex‐

HEMA nanogels inside the liposomes are indeed degraded. Although the hydrolysis of the dex‐HEMA 

network  is  usually  accompanied  by  a  volume  increase  and  leads  to  a  mixture  of  dextran  and 

polyHEMA,  which  could  increase  the  osmotic  pressure  inside  the  lipid  vesicles,[32,40]  the  internal 

pressure build‐up seems to be insufficient to rupture the lipid bilayer of the vesicles.  

Preparation of cationic dextran nanogels using liposomal template 

The  introduction of positively charged groups  inside the dex‐HEMA network could be advantageous 

for the electrostatic entrapment of oppositely charged therapeutics, both for  low molecular weight 

compounds  as  for  proteins  and  nucleic  acids,  as  already  described  in  chapter  4. Additionally,  the 

193  

CHAPTER 7 | liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels  

 

copolymerization of cationic monomers with dex‐HEMA can alter  the degradation  rate of  the dex‐

HEMA hydrogel network and may provide an extra means to tailor the disintegration of the dextran 

nanogels and eventually the release of the encapsulated material. Third, the experiments described 

below provide additional evidence of the formation of crosslinked nanogels in the liposome reactor. 

Lipid coated positively charged nanogels were prepared by hydrating a DOPC:DOPE  (1:1)  lipid  film 

(supplemented with 0.1 mol% of Rho‐B DOPE – red  fluorescence) with a DMAEMA containing dex‐

HEMA/irgacure2959  solution.  After  dilution  of  the  liposome  suspension,  the  sample  was  UV 

irradiated  as  described  in  the  experimental  section.  In  this  way,  we  anticipate  the  selective 

copolymerization  of  DMAEMA  with  dex‐HEMA  inside  the  lipid  coat.  We  applied  zeta‐potential 

measurements  (Figure 7.3) and dual‐colour  fluorescence  fluctuation spectroscopy  (dual‐colour FFS, 

Figure 7.4) to verify the presence of cationic nanogels inside the neutral lipid coat. 

Evaluation of the zeta‐potential of DOPC:DOPE (1:1) coated dex‐HEMA‐co‐DMAEMA nanogels reveals 

nanoparticles with a near‐neutral surface charge which indicates that no polymerization of DMAEMA 

and dex‐HEMA has occurred on the external surface of the lipid vesicles. Subsequently, we removed 

the  lipid  coat  by  sequential  washing  steps  with  isopropanol.  The  removal  of  the  lipid  coat,  as 

evidenced  by  quantification  of  the  lipid  phosphate  groups,  coincides  with  the  appearance  of  a 

positive  zeta‐potential  that  is most  likely  due  to  the  detection  of  naked  dex‐HEMA‐co‐DMAEMA 

nanogels  (Figure 7.3). 

 

FIGURE 7.3 | Removal of the DOPC:DOPE  (1:1)  lipid coat through  isopropanol washing  from LENs with added DMAEMA,  reveal  the  emergence  of  positively  charged  particles.  Gray  bars  represent  the  results  of  the phosphate analysis for phospholipid quantification while  line graph depicts the zeta‐potential measurements. Graph inset shows the calibration curve for phosphate quantification (R2=0.9998). 

194  

liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels | CHAPTER 7 

 

 

FIGURE  7.4  |  (a)  FFS  results  on  DOPC:DOPE  (1:1)  coated  dex‐HEMA‐co‐DMAEMA  nanogels,  before  UV irradiation (left graph) and after exposure to UV light (right graph). The lipid envelope is fluorescently labelled through the addition of 0.1 mol% rho‐B‐DOPE (red fluorescence), the siRNA duplexes are  labelled with AF488 and  therefore are green  fluorescent.  (b) Schematic  representation of  the particles/molecules  that are  likely measured during the fluorescence fluctuation spectroscopy experiment. 

Figure 7.4 shows the fluorescence fluctuations obtained on red fluorescently labelled liposomes filled 

with dex‐HEMA/DMAEMA, respectively before (Figure 7.4a – left graph) and after UV polymerization 

(Figure 7.4a – right graph). Upon excitation with 561 nm  laser  light, highly  intense red fluorescence 

peaks appeared  in both samples, originating from the migration of bright fluorescent nanoparticles 

(in  this  case  liposomes)  through  the  excitation  volume  of  the  confocal microscope.[38,41]  The  lipid 

bilayer  is  strongly  fluorescent  due  to  the  incorporation  of  multiple  rhodamine  B‐DOPE  lipid 

molecules. When  TX100 was  added  to  the  samples,  fluorescence  peaks were  no  longer  detected 

which can be explained by  the  solubilization of  the  lipid bilayer  resulting  in mixed micelles. Mixed 

micelles are relatively small when compared to the liposomal vesicles and most likely contain only a 

small amount of rhodamine‐B DOPE molecules. Therefore, diffusion of these mixed micelles through 

the excitation volume does not give rise to high fluorescence peaks. In a next step, green fluorescent 

siRNA was added  to  the TX100  treated  samples.  In Figure 7.4a  (left graph), “normal”  fluorescence 

fluctuations  (i.e. without  high  fluorescence  peaks) were measured with  an  average  of  ~360  kHz. 

Interestingly, when  the  sample was  exposed  to UV  light, highly  intense  green  fluorescence peaks 

appeared whith a baseline fluorescence signal 45 kHz (Figure 7.4a, right graph). These observations 

195  

CHAPTER 7 | liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels  

 

provide additional evidence for the formation of cationic dex‐HEMA‐co‐DMAEMA nanogels inside the 

neutral lipid coat. Indeed, when the liposomes are not exposed to UV light, no polymerization of the 

dex‐HEMA/DMAEMA  can  occur.  After  removal  of  the  lipid  coating  with  TX100,  a  solution  of 

unpolymerized  dex‐HEMA/DMAEMA  together  with  neutral  mixed  micelles  remains,  that  cannot 

complex  the added  fluorescent  siRNA  (Figure 7.4b). As a  result “normal”  fluorescence  fluctuations 

are detected, corresponding to freely diffusing AF488‐siRNA, and high fluorescence peaks are absent. 

On the other hand, UV irradiation results in the formation of DMAEMA containing dextran nanogels 

within  the  lipid bilayer. After addition of TX100, naked  cationic nanogels emerge  that are able  to 

complex  the added  fluorescent  siRNA  (Figure 7.4b). The diffusion of nanogels,  loaded with AF488‐

siRNA, explains (a) the emergence of green fluorescence peaks and (b) the  lowering of the baseline 

fluorescence signal. 

Cellular internalization of neutral lipid‐enveloped dextran nanogels 

The cellular  internalisation of nanoparticles often depends on  the  interaction of positively charged 

groups with the oppositely charged heparan sulphate proteoglycans spanning the plasma membrane 

of eukaryotic  cells.[42]  Since  the  lipid nanoreactor  that  is envisioned  in  this  chapter,  in accordance 

with  our  experimental  needs,  does  not  contain  charged  components, we  aimed  to  verify  if  this 

characteristic significantly impedes cellular uptake of our LENs. Flow cytometry on DOPC:DOPE (1:1) 

coated  dex‐HEMA  DS  5.2  nanogels  (fluorescently  tagged  by  0.2 mol%  NBD‐DOPE),  still  indicated 

efficient cellular binding and internalization in Huh‐7_wt cells from a ratio of ~10 nmol total lipid per 

6 x 104 seeded cells when a 4 h incubation time with the cells was respected (Figure 7.5a). The LENs 

were characterized by DLS and zeta‐potential  (198.6 ± 1.7 nm; PDI 0.093 ± 0.022;  ‐6.1 ± 0.4 mV)  . 

During  this  incubation  period,  even  at  the  highest  amount  of  lipid  tested  (1  µmol),  no  signs  of 

cytotoxicity or morphological aberrations were observed. The uptake of  fluorescently  tagged  LENs 

was also visualized with confocal microscopy (Figure 7.5b).  

In this section we chose to use DOPC:DOPE  (1:1) neutral  liposomes  for several reasons:  (1) neutral 

liposomes will not  interfere with  the  incorporation of charged methacrylate monomers  in  the dex‐

HEMA nanogels,  (2) neutral  liposomes  generally have  low  cytotoxicity,  especially when  compared 

with cationic  lipid  formulations,[4] and  (3) DOPC, carrying two mono‐unsaturated acyl chains,  forms 

stable vesicles at ambient and physiological temperature and the ability to fuse (e.g. with endosomal 

vesicular  membranes)  can  be  enhanced  by  incorporation  of  DOPE,  which  enhances  the 

hydrophobicity of the lipid bilayer.[43,44] 

 

196  

liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels | CHAPTER 7 

 

 

FIGURE 7.5 | (a) 4 h  incubation of Huh‐7_wt cells with DOPC:DOPE (1:1)  lipid coated dex‐HEMA nanogels (DS 5.2), labelled with 0.2 mol% of NBD‐DOPE, in complete cell culture medium (supplemented with 10% FBS) leads to efficient cellular uptake > 10 nmol total  lipids, (b) cellular uptake of cholesteryl bodipy  labelled (0.2 mol%) DOPC:DOPE  (1:1)  LENs  (DS  5.7  + DMAEMA)  after  4 hours  incubation,  (c)  labelling of  acidified  vesicles with Lysotracker Red®, (d) merge of green and red fluorescence, (e) transmission image. Scale bar = 10 µm. 

Efficient  cellular  internalization may  not  be  a  surprise  according  to  the  data  on DOPE  containing 

liposomes  provided  by  Simoes  et  al.  since  the  authors  discuss  that  the  presence  of  the  lowly 

hydrated DOPE headgroup may  increase the affinity of the  liposomes for the plasma membrane.  In 

the  same  paper  however,  it  is  also  stated  that  the  cellular  internalization  and  intracellular  drug 

delivery  of  negatively  charged  liposomes  (such  as  the  pH‐sensitive  DOPE:CHEMS  formulation)  is 

generally more efficient than with neutral liposomes,[44] an observation that corroborates with what 

is  found  in other  studies.[45,46]  It  could  therefore  also be  interesting  to  include negatively  charged 

fusogenic LENs in our future studies. 

The literature contains several reports on neutral DOPC‐siRNA liposomal nanoparticles as anticancer 

delivery agents that already have been deployed in the treatment of lymphoma, melanoma, ovarian 

and colorectal carcinoma.[47‐53] In various animal models a fraction of the DOPC‐siRNA nanoparticles 

was detected inside the tumour cells following i.p. and i.v. administration, indicating cellular uptake 

of  the  neutral  liposomes  by  the  target  cells. Moreover,  these  reports  also  demonstrate  effective 

target  gene  suppression  with  the  described  neutral  liposomal  formulation,  which  indicates  that 

active siRNA is delivered to the cell cytoplasm. Unfortunately, the latter manuscripts do not provide 

additional  information  on  the  cellular  internalization  pathway  and  the mechanism  of  endosomal 

escape.  Nonetheless,  as  neutral  lipid  formulations  are  generally  well  tolerated,  these  data  are 

promising in the context of achieving safe in vivo delivery of siRNA.[54] 

197  

CHAPTER 7 | liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels  

 

Loading of lipid coated dextran nanogels with siRNA 

One of  the critical parameters  that needs  to be determined  in  the development of a drug delivery 

system is the drug encapsulation efficiency (EE, i.e. the fraction of drug encapsulated by the delivery 

carrier  in relation to the total amount of drug added). Direct entrapment of siRNA  in (neutral)  lipid 

coated  dex‐HEMA  nanogels  was  first  tested  through  hydration  of  a  DOPC:DOPE  lipid  film 

(supplemented with 0.1 mol% of Rho‐B DOPE) with a dex‐HEMA solution containing AF488  labelled 

siRNA. Fluorescence microscopy on the resulting LMVs revealed clear colocalization of green and red 

fluorescence, suggesting that indeed a fraction of the siRNA was encapsulated in the aqueous core of 

the lipid vesicles (data not shown). 

 

FIGURE 7.6 | Gel permeation chromatography performed on siRNA  loaded DOPC:DOPE (1:1)  liposomes. Every elution fraction was analyzed by turbidimetry at 633 nm to detect elution of the liposomes (line plot). Also the siRNA  concentration  in every  fraction was measured with  ribogreen  assay  reagent  (Molecular Probes)  after TX100 addition to solubilise the lipids (gray bars). 

However,  the  efficiency  of  this  direct  inclusion  protocol  was  estimated  by  gel  permeation 

chromatography  (Figure  7.6)  and  it  seems  that only  a  small  fraction of  the  added  siRNA  (<5%)  is 

entrapped  in the  lipid nanoreactors  (30 mM  final  lipid concentration was used  in this experiment). 

The low encapsulation efficiency of siRNA could be somewhat expected as the encapsulated aqueous 

space in the liposome interior (mainly governed by the size of the liposomes, their lamellarity and the 

lipid  concentration  used)  will  almost  be  negligible  relative  to  the  external  (non‐encapsulated) 

volume.[55] Similarly,  low encapsulation efficiencies were also observed upon passive  loading of e.g. 

calcein,[44] proteins [56] and antisense oligonucleotides in neutral liposomes. In contrast, the literature 

198  

liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels | CHAPTER 7 

 

also  describes  protocols  for  the  preparation  of  neutral  and/or  negatively  charged  liposomal 

formulations  to  achieve  higher  loading  efficiency  for  pDNA  [4,43],  DNA  oligonucleotides  [57]  and 

siRNA.[50]  The DOPC  lipid nanoparticles  from A.K.  Sood’s  group  that were described  earlier  in  this 

chapter,  have  an  estimated  ~65%  loading  efficiency  (based  on  centrifugational  ultrafiltration  to 

separate  encapsulated  from  non‐encapsulated  material),  but  unfortunately  the  physicochemical 

characteristics of the lipid formulation remain uncertain.[50] A common feature of the latter reports is 

the use of  (water‐miscible) organic  solvents during  the process of  liposome  formation, which  can 

cause  a  precipitation  of  the  added  dextran  during  LENs  formation.  For  this  reason  the  proposed 

methods  are  not  the  first  choice when  aiming  to  optimize  siRNA  loading  inside  our  lipid  coated 

dextran nanogels.  

The  theoretical  encapsulation  efficiency  of  hydrophilic  compounds  is  directly  proportional  to  the 

total  lipid  concentration.[55]  Increasing  the  amount  of  lipids  used  during  liposome  preparation 

augments the total  internal  liposome volume and thus also the potential entrapment of hydrophilic 

(macro)molecules. At highly concentrated  lipid mixtures, exceeding 300 mM of  total phospholipid, 

viscous vesicle dispersions are formed defined as a vesicular phospholipid gel or VPG. In this capacity, 

the  liposomal  vesicles  are  so  closely  packed  that  the  aqueous  space  in  between  the  vesicles  is 

minimal and  intervesicle  interactions give rise to a semi‐solid consistency. Subsequent dilution of a 

VPG eventually  leads  to a conventional  liposomal dispersion. Due  to  the high viscosity of  the VPG 

sample, conventional liposomal preparation methods (e.g. the thin film hydration method follow by 

extrusion) are not the best choice. Usually, high pressure homogenization (HPH) is considered to be 

the gold  standard  for VPG production.[58] Recently, Massing and co‐workers  introduced a different 

homogenization technique called differential asymmetric centrifugation or DAC, that can be applied 

to homogenize concentrated phospholipid mixtures [59] and this technique led to high encapsulation 

of siRNA up to 70%.[60]  

In  analogy with  these  reports, we  aimed  to prepare  lipid  coated dextran nanogels  at higher  lipid 

concentrations  than  used  earlier,  in  order  to  achieve  higher  entrapment  efficiency  of  our  siRNA 

duplexes. In a first experiment,  it needed to be evaluated  if such high  lipid concentrations could be 

hydrated and transformed into vesicles of monodisperse size. Lyophilized DOPC was hydrated with a 

dex‐MA 20 wt% solution to reach a final  lipid concentration of 500 mg mL‐1 (equal to 636 mM). To 

homogenize  the  lipid dispersion  at  this high  concentration, we  tested probe  sonication  (for more 

details  see experimental  section) and  the  results are  summarized  in Figure 7.7. Merely mixing  the 

lipids with a dex‐HEMA  solution produces  LMVs  (average  size > 700 nm) with high polydispersity. 

Clearly, probe sonication provides enough shear force to ‘size’ the liposomal vesicles in the obtained 

vesicular phospholipid gel down  to ~110 nm with  low polydispersity. The probe sonication has  the 

199  

CHAPTER 7 | liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels  

 

advantage that smaller dex‐HEMA LENs can be prepared compared with the extrusion method, since 

the dex‐HEMA solutions  (20‐25 wt%) appear  too viscous  to be able  to easily pass  through 100 nm 

polycarbonate filters. 

 

FIGURE 7.7 | Hydrodynamic diameter of dex‐MA DS 3.4 filled DOPC liposomes after sonication of a 500 mg mL‐1 DOPC vesicular gel  for  the  indicated  time. To prepare a  liposomal dispersion  from  the VPG after every  time point,  an  aliquot of  the VPG  lipid paste  (~1 mg) was diluted with 2 mL HEPES buffer  (20 mM, pH 7.4)  and homogenized by using a CapMix™ for 15 s. DLS measurements (n=4) were performed after equilibration of the samples at 25°C. 

The siRNA encapsulation efficiency in DOPC:DOPE (1:1) dispersions, hydrated with a HEPES buffered 

dex‐HEMA solution  (pH 7.4, 20 mM) containing 40 µM of siRNA, was ~30%  in our hands  (liposome 

size  of  138.6  ±  0.4  nm;  PDI  0.108  ±  0.003;  500 mg mL‐1  total  lipid).  The  liposomal  encapsulation 

efficiency needs to be optimized  thoroughly as a  function of  lipid concentration,  lipid composition, 

size and  lamellarity of the  liposomal vesicles, etc..[4,57] Parameter design towards EE optimization  is 

not the primary focus of this chapter and will need to be conducted in future experiments with these 

lipid‐dextran nanocomposites.  

What can lipid coated nanogels mean for siRNA delivery? 

The proposed lipid coated nanogels offer many advantages, both with regard to their preparation as 

in the context of siRNA delivery. As discussed  in the  introduction, coating nanoparticles with a  lipid 

shell can be achieved via different mechanisms. Using liposomal vesicles as nanoreactors however, it 

is possible to devise core‐shell LENs  in a single‐step process with excellent control over particle size 

and without having to rely on electrostatic interactions to create a lipid corona. Additionally, from a 

200  

liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels | CHAPTER 7 

 

combinatorial point of view, merging a liposomal and nanogel carrier into one single nanocomposite, 

combines  the  controlled  release properties of  the nanogel matrix with  the  favourable membrane 

properties of phospholipid vesicles.[61] 

The multifunctionality of the lipid coat is of significant importance in overcoming the most prominent 

barriers  in siRNA delivery. The choice of  lipids  is  imperative  in tailoring the surface chemistry of the 

LENs,  that will eventually  influence  to a  large extent  their behaviour  in  the extra‐ and  intracellular 

environment. The mechanisms with which our  lipid coated nanogels could  improve  siRNA delivery 

are therefore in agreement with what literature reports on how liposomes can be functionalized for 

improved  in vivo performance.[1,5,8,62] First,  the preparation of  stealth LENs by  the  incorporation of 

PEGylated lipids could be used to prevent (1) aggregation by interaction with serum proteins and (2) 

massive non‐specific phagocytosis, mainly by Kupffer  cells  in  the  liver  and/or macrophages  in  the 

spleen. As a result, the increased residence time in the blood circulation should favour accumulation 

in leaky tumours through the Enhanced Permeation and Retention (EPR) effect or could augment the 

uptake  in other  tissues and organs. Nonetheless,  this  is mainly a prerequisite  for particles carrying 

charged lipid bilayers and is of less importance for neutral liposomes or the LENs we envision. Once 

the  LENs  gain  access  to  the  target  cells,  in  a next  step  they  should  cross  the  cell membrane  and 

deliver  intact  siRNA  into  the  cytoplasm  for RNAi  activation. PEGylation  is usually  accompanied by 

coupling of a  targeting moiety  to  the PEG distal end  to  improve  cell  surface  receptor binding and 

subsequent  internalization.   Following cell uptake,  lipid‐based nanoparticles generally end up being 

trapped  in  (acidified)  endosomal  vesicles.  The preparation of  LENs with pH‐sensitive  lipid bilayers 

that become fusogenic at endosomal pH (pH 5‐6.5) could facilitate the  intracytoplasmic  injection of 

the  encapsulated  siRNA  loaded  nanogels.[5,8,44]  From  these  examples  it  should  be  clear  that  the 

predominant motivation to equip nanogels with a  lipid‐shell  is to overcome the major extracellular 

barriers and allow disposition of biodegradable siRNA loaded nanogels in the target cell cytoplasm. It 

would be  interesting  to assess  the effect of  lipid composition on siRNA  loading,  intracellular siRNA 

delivery and the eventual RNAi outcome  (both maximal effect as gene silencing duration)  in future 

experiments. 

   

201  

CHAPTER 7 | liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels  

 

REFERENCE LIST 

1.   Remaut  K.,  Sanders  N.N.,  De  Geest  B.G.,  Braeckmans  K.  et  al.,  Nucleic  acid  delivery: Where material sciences and bio‐sciences meet, Materials Science & Engineering R‐Reports 2007, 58: 117‐161. 

2.   Raemdonck  K.,  Demeester  J.,  and  De  Smedt  S.,  Advanced  nanogel  engineering  for  drug  delivery,  Soft Matter 2009, 5: 707‐715. 

3.   Raemdonck K., Vandenbroucke R.E., Demeester J., Sanders N.N. et al., Maintaining the silence: reflections on long‐term RNAi, Drug Discovery Today 2008, 13: 917‐931. 

4.   Li W. and Szoka F.C., Jr., Lipid‐based nanoparticles for nucleic acid delivery, Pharm. Res. 2007, 24: 438‐449. 5.   Torchilin V.P., Recent advances with liposomes as pharmaceutical carriers, Nature Reviews Drug Discovery 

2005, 4: 145‐160. 6.   Ganta S., Devalapally H., Shahiwala A., and Amiji M., A review of stimuli‐responsive nanocarriers for drug 

and gene delivery, Journal of Controlled Release 2008, 126: 187‐204. 7.   Ong W., Yang Y.M., Cruciano A.C., and McCarley R.L., Redox‐Triggered Contents Release from Liposomes, 

Journal of the American Chemical Society 2008, 130: 14739‐14744. 8.   Simoes S., Moreira J.N., Fonseca C., Duzgunes N. et al., On the formulation of pH‐sensitive liposomes with 

long circulation times, Adv. Drug Deliv. Rev. 2004, 56: 947‐965. 9.   Kullberg M., Mann  K.,  and  Owens  J.L.,  A  two‐component  drug  delivery  system  using  Her‐2‐targeting 

thermosensitive liposomes, J. Drug Target 2009, 17: 98‐107. 10.  Auguste D.T., Furman K., Wong A., Fuller  J. et al., Triggered release of siRNA  from poly(ethylene glycol)‐

protected, pH‐dependent liposomes, J. Control Release 2008, 130: 266‐274. 11.  Sengupta S., Eavarone D., Capila I., Zhao G.L. et al., Temporal targeting of tumour cells and neovasculature 

with a nanoscale delivery system, Nature 2005, 436: 568‐572. 12.  Messerschmidt S.K., Musyanovych A., Altvater M., Scheurich P. et al., Targeted lipid‐coated nanoparticles: 

Delivery  of  tumor  necrosis  factor‐functionalized  particles  to  tumor  cells,  J.  Control  Release  2009,  doi: 10.1016/j.jconrel.2009.03.010. 

13.  Li S.D. and Huang L., Surface‐modified LPD nanoparticles for tumor targeting, Oligonucleotide Therapeutics 2006, 1082: 1‐8. 

14.  Li  S.D.,  Chen  Y.C.,  Hackett  M.J.,  and  Huang  L.,  Tumor‐targeted  delivery  of  siRNA  by  self‐assembled nanoparticles, Molecular Therapy 2008, 16: 163‐169. 

15.  De Miguel I, Imbertie L., Rieumajou V., Major M. et al., Proofs of the structure of lipid coated nanoparticles (SMBV) used as drug carriers, Pharm. Res. 2000, 17: 817‐824. 

16.  Mastrobattista  E.,  Kapel R.H.,  Eggenhuisen M.H., Roholl  P.J.  et  al.,  Lipid‐coated polyplexes  for  targeted gene delivery to ovarian carcinoma cells, Cancer Gene Ther. 2001, 8: 405‐413. 

17.  Hatakeyama  H.,  Akita  H.,  Kogure  K.,  and  Harashima  H.,  A  Novel  Nonviral  Gene  Delivery  System: Multifunctional  Envelope‐Type  Nano  Device,  Adv.  Biochem.  Eng  Biotechnol.  2009,  doi: 10.1007/10_2008_40. 

18.  Sakurai Y., Hatakeyama H., Akita H., Oishi M. et al., Efficient short interference RNA delivery to tumor cells using a combination of octaarginine, GALA and tumor‐specific, cleavable polyethylene glycol system, Biol. Pharm. Bull. 2009, 32: 928‐932. 

19.  Kogure  K.,  Akita  H.,  and  Harashima  H., Multifunctional  envelope‐type  nano  device  for  non‐viral  gene delivery: Concept and application of Programmed Packaging, Journal of Controlled Release 2007, 122: 246‐251. 

20.  El‐Sayed A., Khalil I.A., Kogure K., Futaki S. et al., Octaarginine‐ and octalysine‐modified nanoparticles have different modes of endosomal escape, J. Biol. Chem. 2008, 283: 23450‐23461. 

21.  Akita  H.,  Kudo  A.,  Minoura  A.,  Yamaguti  M.  et  al.,  Multi‐layered  nanoparticles  for  penetrating  the endosome and nuclear membrane via a step‐wise membrane fusion process, Biomaterials 2009, 30: 2940‐2949. 

22.  Jana S.S., Bharali D.J., Mani P., Maitra A. et al., Targeted cytosolic delivery of hydrogel nanoparticles  into HepG2 cells through engineered Sendai viral envelopes, FEBS Letters 2002, 515: 184‐188. 

23.  Kunisawa  J., Masuda  T.,  Katayama  K.,  Yoshikawa  T.  et  al.,  Fusogenic  liposome  delivers  encapsulated nanoparticles for cytosolic controlled gene release, Journal of Controlled Release 2005, 105: 344‐353. 

24.  An S.Y., Bui M.P., Nam Y.J., Han K.N. et al., Preparation of monodisperse and size‐controlled poly(ethylene glycol) hydrogel nanoparticles using liposome templates, J. Colloid Interface Sci. 2009, 331: 98‐103. 

25.  Hong J.S., Vreeland W.N., Lacerda S.H., Locascio L.E. et al., Liposome‐templated supramolecular assembly of responsive alginate nanogels, Langmuir 2008, 24: 4092‐4096. 

202  

liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels | CHAPTER 7 

 

26.  Kazakov S., Kaholek M., Teraoka I., and Levon K., UV‐induced gelation on nanometer scale using liposome reactor, Macromolecules 2002, 35: 1911‐1920. 

27.  Kazakov  S., Kaholek M., Kudasheva D., Teraoka  I. et al., Poly(N‐isopropylacrylamide‐co‐1‐vinylimidazole) hydrogel  nanoparticles  prepared  and  hydrophobically  modified  in  liposome  reactors:  Atomic  force microscopy and dynamic light scattering study, Langmuir 2003, 19: 8086‐8093. 

28.  Kazakov S. and Levon K., Liposome‐nanogel structures for future pharmaceutical applications, Curr. Pharm. Des 2006, 12: 4713‐4728. 

29.  Patton  J.N.  and  Palmer  A.F.,  Engineering  temperature‐sensitive  hydrogel  nanoparticles  entrapping hemoglobin as a novel type of oxygen carrier, Biomacromolecules 2005, 6: 2204‐2212. 

30.  Patton  J.N.  and  Palmer A.F.,  Photopolymerization  of  bovine  hemoglobin  entrapped  nanoscale  hydrogel particles within  liposomal  reactors  for use  as  an  artificial blood  substitute, Biomacromolecules 2005, 6: 414‐424. 

31.  Schillemans J.P., Flesch F.M., Hennink W.E., and van Nostrum C.F., Synthesis of bilayer‐coated nanogels by selective cross‐linking of monomers inside liposomes, Macromolecules 2006, 39: 5885‐5890. 

32.  Van Thienen T.G., Lucas B., Flesch F.M., van Nostrum C.F. et al., On the synthesis and characterization of biodegradable  dextran  nanogels with  tunable  degradation  properties, Macromolecules  2005,  38:  8503‐8511. 

33.  Van Thienen T.G., Demeester J., and De Smedt S.C., Screening poly(ethyleneglycol) micro‐ and nanogels for drug delivery purposes, International Journal of Pharmaceutics 2008, 351: 174‐185. 

34.  Rouser G.,  Fkeischer  S.,  and  Yamamoto A.,  Two dimensional  then  layer  chromatographic  separation  of polar lipids and determination of phospholipids by phosphorus analysis of spots, Lipids 1970, 5: 494‐496. 

35.  Akinc A., Goldberg M., Qin J., Dorkin J.R. et al., Development of Lipidoid‐siRNA Formulations for Systemic Delivery to the Liver, Molecular Therapy 2009, 17: 872‐879. 

36.  Raemdonck K., Remaut K., Lucas B., Sanders N.N. et al., In situ analysis of single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells, Biochemistry 2006, 45: 10614‐10623. 

37.  Buyens K., Lucas B., Raemdonck K., Braeckmans K. et al., A  fast and sensitive method  for measuring  the integrity of siRNA‐carrier complexes in full human serum, Journal of Controlled Release 2008, 126: 67‐76. 

38.  Lucas B., Remaut K., Braeckmans K., Haustraete J. et al., Studying pegylated DNA complexes by dual color fluorescence fluctuation spectroscopy, Macromolecules 2004, 37: 3832‐3840. 

39.  Remaut  K.,  Lucas  B.,  Raemdonck  K.,  Braeckmans  K.  et  al.,  Can we  better  understand  the  intracellular behavior of DNA nanoparticles by  fluorescence  correlation  spectroscopy?,  Journal of Controlled Release 2007, 121: 49‐63. 

40.  Stubbe  B.G.,  Horkay  F.,  Amsden  B.,  Hennink W.E.  et  al.,  Tailoring  the  swelling  pressure  of  degrading dextran hydroxyethyl methacrylate hydrogels, Biomacromolecules 2003, 4: 691‐695. 

41.  Lucas  B.,  Van  Rompaey  E.,  De  Smedt  S.C.,  Demeester  J.  et  al.,  Dual‐color  fluorescence  fluctuation spectroscopy to study the complexation between poly‐l‐lysine and oligonucleotides, Macromolecules 2002, 35: 8152‐8160. 

42.  Payne C.K., Jones S.A., Chen C., and Zhuang X., Internalization and trafficking of cell surface proteoglycans and proteoglycan‐binding ligands, Traffic 2007, 8: 389‐401. 

43.  Bailey A.L. and Sullivan S.M., Efficient encapsulation of DNA plasmids in small neutral liposomes induced by ethanol and calcium, Biochim. Biophys. Acta 2000, 1468: 239‐252. 

44.  Simoes S., Slepushkin V., Duzgunes N., and Pedroso de Lima M.C., On the mechanisms of  internalization and intracellular delivery mediated by pH‐sensitive liposomes, Biochim. Biophys. Acta 2001, 1515: 23‐37. 

45.  Skalko‐Basnet N.,  Tohda M.,  and Watanabe H., Uptake  of  liposomally  entrapped  fluorescent  antisense oligonucleotides  in NG108‐15  cells:  conventional  versus pH‐sensitive, Biol. Pharm. Bull. 2002, 25: 1583‐1587. 

46.  Malaekeh‐Nikouei B.,  Jaafari M.R., Tabassi S.A., and Samiei A., The enhancement of  immunosuppressive effects of cyclosporine A on human T‐cells using fusogenic liposomes, Colloids Surf. B Biointerfaces. 2008, 67: 238‐244. 

47.  Gray M.J.,  Dallas  N.A.,  Van  B.G.,  Xia  L.  et  al.,  Therapeutic  targeting  of  Id2  reduces  growth  of  human colorectal carcinoma in the murine liver, Oncogene 2008, 27: 7192‐7200. 

48.  Halder J., Kamat A.A., Landen C.N., Jr., Han L.Y. et al., Focal adhesion kinase targeting using  in vivo short interfering RNA delivery  in neutral  liposomes  for ovarian carcinoma  therapy, Clin. Cancer Res. 2006, 12: 4916‐4924. 

49.  Landen C.N., Merritt W.M., Mangala L.S., Sanguino A.M. et al., Intraperitoneal delivery of liposomal siRNA for therapy of advanced ovarian cancer, Cancer Biol. Ther. 2006, 5: 1708‐1713. 

203  

CHAPTER 7 | liposomal template‐assisted synthesis of dextran based nanogels  

 

204  

50.  Landen C.N., Jr., Chavez‐Reyes A., Bucana C., Schmandt R. et al., Therapeutic EphA2 gene targeting in vivo using neutral liposomal small interfering RNA delivery, Cancer Res. 2005, 65: 6910‐6918. 

51.  Lin Y.G.,  Immaneni A., Merritt W.M., Mangala  L.S. et al., Targeting aurora kinase with MK‐0457  inhibits ovarian cancer growth, Clin. Cancer Res. 2008, 14: 5437‐5446. 

52.  Merritt W.M.,  Lin  Y.G.,  Spannuth W.A.,  Fletcher M.S.  et  al.,  Effect  of  interleukin‐8  gene  silencing with liposome‐encapsulated small interfering RNA on ovarian cancer cell growth, J. Natl. Cancer Inst. 2008, 100: 359‐372. 

53.  Villares G.J., Zigler M., Wang H., Melnikova V.O. et al., Targeting melanoma growth and metastasis with systemic delivery of  liposome‐incorporated protease‐activated  receptor‐1  small  interfering RNA, Cancer Res. 2008, 68: 9078‐9086. 

54.  de Fougerolles A.R., Delivery vehicles for small interfering RNA in vivo, Hum. Gene Ther. 2008, 19: 125‐132. 55.  Brandl M.,  Drechsler M.,  Bachmann  D.,  Tardi  C.  et  al.,  Preparation  and  characterization  of  semi‐solid 

phospholipid dispersions and dilutions thereof, International Journal of Pharmaceutics 1998, 170: 187‐199. 56.  Fretz M.M., Hogset A., Koning G.A.,  Jiskoot W. et al., Cytosolic delivery of  liposomally  targeted proteins 

induced by photochemical internalization, Pharm. Res. 2007, 24: 2040‐2047. 57.  Edwards  K.A.  and  Baeumner  A.J.,  DNA‐oligonucleotide  encapsulating  liposomes  as  a  secondary  signal 

amplification means, Anal. Chem. 2007, 79: 1806‐1815. 58.  Brandl M., Vesicular phospholipid gels: A technology platform, Journal of Liposome Research 2007, 17: 15‐

26. 59.  Massing U., Cicko S., and Ziroli V., Dual asymmetric centrifugation (DAC)  ‐ A new technique for  liposome 

preparation, Journal of Controlled Release 2008, 125: 16‐24. 60.  Hirsch M., Ziroli V., Helm M., and Massing U., Preparation of small amounts of sterile siRNA‐liposomes with 

high entrapping efficiency by dual asymmetric  centrifugation  (DAC),  Journal of Controlled Release 2009, 135: 80‐88. 

61.  Soussan  E., Cassel  S., Blanzat M.,  and Rico‐Lattes  I., Drug delivery by  soft matter: matrix  and  vesicular carriers, Angew. Chem. Int. Ed Engl. 2009, 48: 274‐288. 

62.  Tseng Y.C., Mozumdar S., and Huang L., Lipid‐based systemic delivery of siRNA, Adv. Drug Deliv. Rev. 2009, doi: 10.1016/j.addr.2009.03.003. 

   

summary & general conclusions | CHAPTER 8 

205  

  

CHAPTER 8 | Summary & general conclusions 

       

Koen Raemdonck, J. Demeester and Stefaan C. De Smedt 

 

Laboratory of General Biochemistry and Physical Pharmacy, Department of Pharmaceutics, Faculty of Pharmaceutical 

Sciences, Ghent University, Harelbekestraat 72, B‐9000 Ghent, Belgium. 

CHAPTER 8 | summary & general conclusions 

 

   

206  

summary & general conclusions | CHAPTER 8 

 

8 SUMMARY 

RNA interference (RNAi) certainly is a hot topic among the scientific community, judging by the broad 

financial  investments  and  the  tremendous  research  output  to  date.[1]  This  statement  is  further 

illustrated through a PubMed search on the term ‘RNA interference’ (performed on June 15th 2009), 

which yielded ~16.500 entries. RNAi is a naturally conserved gene silencing mechanism functioning in 

eukaryotic cells and  is activated by  small  interfering RNAs  (siRNAs)  that  trigger  the degradation of 

mRNA  in a sequence‐specific manner  (CHAPTER 1). Besides  its use as a  laboratory  tool  in  functional 

genomics and drug target discovery, the therapeutic potential of RNAi by blocking the production of 

disease‐causing proteins has also long been recognized. RNAi therapeutics have the advantage to act 

(post)transcriptionally,  while  small  molecular  drugs  are  generally  limited  to  interference  on  the 

protein level. Thus, siRNAs may be designed to downregulate almost every gene transcript and hopes 

are high for the future to make RNAi a therapeutic reality. In just over 10 years since the discovery of 

RNAi, we already witnessed the transition of small interfering RNAs into the clinic and an overview of 

siRNA compounds in active and already completed clinical trials is presented in Table 8.1.[1‐4]  

The siRNAs that are in the most advanced stages of clinical evaluation are delivered locally at the site 

of  disease  as  a  conventional  saline  formulation.  Scientists  however  agree  that  to  broaden  the 

therapeutic potential of RNAi,  the principal challenge  that  remains  is  the hurdle of efficient  siRNA 

delivery  in the human body. As summarized  in chapter 1, many extra‐ and  intracellular barriers are 

encountered before siRNAs can be safely delivered to their site of action, which  is the cytoplasm of 

the  target  cells. Advanced RNAi delivery  systems, either viral or non‐viral, are desperately needed 

and  constitute  the main  focus of  the  research on RNAi  therapeutics.  Since  the RNAi machinery  is 

located  in  the  cytoplasm,  siRNA  therapeutics need  to be guided across  the  cellular membrane  for 

biological activity. However, owing  to  their high negative  charge and  relatively  large  size  (~14.000 

Da),  naked  siRNAs  are  not  readily  internalized  by  cells.  Although  the  viral  delivery  systems  are 

generally the most effective to date, their clinical use is limited mainly due to safety issues. For this 

reason,  non‐viral  delivery  approaches  have  emerged  as  the  safe(r)  alternative.  The  experimental 

207  

CHAPTER 8 | summary & general conclusions 

 

chapters presented  in  this  thesis mainly address non‐viral delivery of  functional  siRNAs across  the 

cellular barriers. 

TABLE 8.1 | Completed and active clinical trials to date using siRNA drugs. More  information can be found on the websites of the sponsors and/or www.clinicaltrials.gov 

siRNA drug  sponsor  clinical target  administration/formulation  status 

Bevasiranib  

(Cand 5) OPKO Health  Wet AMD  Intravitreal injection/saline  Phase III * 

AGN‐211745  

(sirna‐027) Allergan  Wet AMD  Intravitreal injection/saline  Phase II 

PF‐4523655 

(RTP801i‐14) 

Quark Pharmaceuticals/Pfizer

Wet AMD/DME  Intravitreal injection/saline  Phase II 

ALN‐RSV01 Alnylam/Cubist/ 

Kyowa Hakko Kirin RSV infection  Inhalation  Phase II 

QPI‐1002 

(AKIi‐5/I5NP) 

Quark Pharmaceuticals 

AKI/ 

DGF in kidney transplant 

Intravenous injection/saline Phase I/II(a) 

TD101  IPCC/TransDerm  PC  Intradermal injection/saline  Phase Ib 

CALAA‐01 Calando 

Pharmaceuticals Solid tumors 

Intravenous injection/stabilized polymer 

nanoparticle Phase I 

ALN‐VSP (dual targeting) 

Alnylam Liver 

cancers/solid tumor 

Intravenous injection/lipid nanoparticle 

Phase I 

* clinical trial  terminated before completion, press release OPKO Health, March 6th 2009;  IPCC,  International pachyonychia congenita consortium; Wet‐AMD, wet age‐related macular degeneration; DME, diabetic macular edema; RSV, respiratory syncytial virus; AKI, acute kidney injury; DGF, delayed graft function; PC, pachyonychia congenita 

In addition to siRNA delivery, chapter 1 discusses some important parameters that may influence the 

magnitude and duration of  the  resulting RNAi effect. Gene  silencing with  siRNAs  is  fully  reversible 

and  insight  into  the  kinetics of  gene  suppression will be  imperative  to  the design of  siRNA‐based 

treatment  strategies.  In  this  context,  we  briefly  introduced  transcriptional  gene  silencing, 

208  

summary & general conclusions | CHAPTER 8 

 

mathematical modelling and combinatorial RNAi as new tools for the further optimization of genetic 

interference.  

In  the exponentially growing  field of RNAi, besides siRNA delivery also stability and degradation of 

siRNA  receives  increasing  attention. An essential  issue  that needs  to be  taken  into  account when 

applying  siRNAs,  is  their  susceptibility  to nuclease attack  in biological  fluids. Naked  siRNA  is highly 

vulnerable to exo‐and endonucleases, leading to a short half‐life in serum and a wealth of reports in 

the  literature describe chemical modifications and formulation strategies to  improve siRNA stability 

and pharmacokinetics. With  regard  to  the  intracellular  siRNA persistence,  some  conflicting  studies 

exist  on whether  or  not  the  siRNA  integrity  significantly  influences  RNAi  kinetics  and  therefore  a 

direct correlation between siRNA stability and RNAi duration is not yet conclusive. Techniques for the 

investigation of the siRNA  integrity after cellular  internalization are therefore of substantial  interest 

to address the intracellular fate of siRNA. In CHAPTER 2, we describe a method based on fluorescence 

resonance  energy  transfer  (FRET)  to  assess  the  stability  of  siRNA  in  the  intracellular 

microenvironment.  The  method  was  validated  by  analyzing  the  loss  of  FRET  as  a  function  of 

degradation by RNase A or through incubation in cellular extracts. In these experiments we used the 

ratio  of  acceptor  fluorescence  to  donor  fluorescence  upon  donor  excitation  (FA/FD  ratio)  as  a 

parameter to evaluate the cleavage of both single‐stranded (ss) as double‐stranded (ds) siRNAs. Such 

techniques may prove useful  to explore  the correlation between  the  intracellular  fate of delivered 

nucleic acids and their biological effectiveness, as already partially demonstrated in the literature.[5‐7]  

A  concept  to  induce  a more  robust RNAi  response,  as  first mentioned  in  chapter  1,  is  through  a 

controlled release of siRNA in the cytoplasm of the target cell. The design of carriers that are able to 

function as an siRNA depot across the cellular barriers, may induce a more sustained gene silencing 

effect by maintaining the intracellular siRNA concentrations above the level required for activity for a 

longer  period  of  time.  Following  the  broad  applicability  of  hydrogels  as  controlled  drug  delivery 

matrices and their experience  in a biopharmaceutical context, we focused  in this thesis on dextran 

based hydrogels as carriers for siRNA. We first evaluated if biodegradable dextran microgels could be 

produced to achieve a controlled release of the encapsulated siRNA (CHAPTER 3). For the preparation 

of  the microgels,  both  a water‐in‐water  emulsion  as well  as  a water‐in‐oil  emulsion were  tested. 

Preformed microscopic  gel  particles  (microgels),  composed  of  dextran  hydroxyethyl methacrylate 

(dex‐HEMA)  and  further  functionalized  with  cationic  methacrylate  monomers  (2‐

(dimethylamino)ethyl methacrylate  or  DMAEMA),  were  able  to  bind  siRNA  through  electrostatic 

interaction. Confocal microscopy revealed  that the siRNA duplexes were mainly adsorbed onto the 

microgel surface but that they could also penetrate deeper in the pores of the gel network at higher 

concentrations. The HEMA moieties are coupled to the dextran backbone via a labile carbonate ester 

209  

CHAPTER 8 | summary & general conclusions 

 

linkage.  Hydrolysis  of  this  ester  function,  cleaves  the  crosslinks  in  between  the  dextran  chains, 

thereby again  releasing  the complexed siRNA. The degradation  time of  the dex‐HEMA microgels  is 

governed by their initial crosslink density and we showed in chapter 3 that by tailoring the network 

properties we are able to control the release kinetics of the encapsulated siRNA over several days. 

The  vast majority of non‐viral delivery  approaches makes use of  (cationic) polymer or  lipid‐based 

nanosized particles  to  transfer  complexed or encapsulated  siRNA across  the  cellular membrane. A 

principal  requirement  to  assess  the effectiveness of our  siRNA delivery  concept, was  therefore  to 

scale down  our  cationic  hydrogel particles  to nanoscopic dimensions,  in order  to  ensure  efficient 

cellular internalization. CHAPTER 4 briefly describes some interesting drug delivery applications based 

on nanogels  as  the drug  carrier. This  chapter highlights  several eye‐catching examples of nanogel 

design  and  illustrates  nanogels  in  terms  of  versatile  stimuli‐responsive  drug  delivery  systems. 

Although  the  number  of  publications  addressing  this  issue  is  growing  exponentially  since  the 

beginning of this century, to this date only a very limited number of reports has evaluated nanogels 

for RNAi.  In CHAPTER 5, we employed an  inverse miniemulsion photopolymerization method  for the 

production of hydrolysable cationic dex‐HEMA nanogels. In contrast to chapter 3, this time we used a 

methacrylate  monomer  carrying  a  quaternary  ammonium  group  (trimethylammonium  ethyl 

methacrylate or TMAEMA)  for  copolymerization  to  incorporate positively  charged amines  into  the 

hydrogel network. Owing to the positive charge, the nanogels are able to complex siRNA with a high 

loading capacity exceeding 70 wt%. Confocal microscopy and flow cytometry analysis revealed that 

large numbers of  siRNA  loaded nanogels  can effectively be  internalized by human hepatoma  cells 

(Huh‐7 ) without relevant cytotoxicity. It is generally accepted that the majority of non‐viral carriers is 

taken  up  through  an  endocytic  process  where most  particles  end  up  being  trapped  in  acidified 

(endo)lysosomes. We  found  that also our nanogel particles accumulated  to a high extent  in  these 

degradative organelles. Nevertheless, dependent on the amount of nanogels applied on the cells, still 

a substantial suppression of luciferase expression could be obtained, indicating that a fraction of the 

complexed  siRNA  reaches  the  cell  cytoplasm  where  it  is  recognized  by  the  RNAi  machinery. 

Moreover,  this  RNAi  effect  was  almost  absent  for  non‐degradable  cationic  dextran  nanogels, 

suggesting an  influence of dex‐HEMA hydrolysis on  the delivery of  siRNA. On  the other hand,  the 

extent of gene silencing could be markedly enhanced by applying validated endosomolytic tools, such 

as  photochemical  internalization  (PCI)  and  the  co‐complexation  of  an  influenza‐derived  fusogenic 

peptide  (diINF‐7). These  findings provide evidence  that  the endosomal  sequestration of our  siRNA 

loaded nanogels partially abrogates the potential RNAi outcome. 

While the magnitude of target gene suppression may be a good indicator for the success of an siRNA 

treatment, evaluation of the kinetics of the RNAi effect  is perhaps a more favourable parameter to 

210  

summary & general conclusions | CHAPTER 8 

 

decide on the efficacy of the treatment. The time‐window that the siRNA therapy is able to keep the 

intracellular protein titers below the threshold that  is necessary to obtain the desired downstream 

phenotype,  will  strongly  determine  the  dosage  frequency  in  clinical  therapy.  In  CHAPTER  6,  we 

therefore analyzed the kinetics of gene  inhibition for dex‐HEMA‐co‐TMAEMA nanogels with varying 

crosslink  density  and  compared  the  results with  a  commercially  available  lipid‐based  transfection 

reagent,  i.e.  lipofectamine™RNAiMAX. The  transfection experiments  revealed  that  the duration of 

gene  silencing  (as assessed  in Huh‐7 cells with  firefly  luciferase and EGFP as  target  respectively)  is 

largely  independent on  the  type of  carrier used. The magnitude of downregulation does however 

differ  for  the  investigated nanogel  formulations with  in general  lower gene  silencing efficiency  for 

higher crosslinked nanogels. Most  likely, the extent of gene silencing  is governed by the amount of 

siRNA  that  is  initially delivered  in  the  cell  cytoplasm while  the  recovery of  gene  expression  to  its 

steady state  level  is caused by sequential cell divisions that dilute the  intracellular siRNA pool until 

insufficient active drug resides  in the cytoplasm. In addition, we found that application of PCI, even 

48 hours post‐transfection, was  able  to  improve  and  lengthen  the RNAi outcome  for our dextran 

nanogels, with up to 25% additional gene suppression. In conclusion, this result indicates that PCI is 

able  to  liberate  a  fraction  of  the  siRNA  (‐loaded  nanogels)  that  remain  trapped  in  intracellular 

compartments, which can be  regarded as a potential strategy  to prolong  the  therapeutic  response 

when endosomal escape is effect‐limiting, albeit that further optimization is required. 

From  the previous  chapters  it may be  clear  that  to  achieve  an  intracellular  time‐controlled  siRNA 

delivery and  to evaluate  to what extent  this may  contribute  to a more durable gene  inhibition, a 

transition of  siRNA  loaded nanogels  from  the endosomal  lumen  into  the  cytoplasm  is  imperative. 

Following pioneering work by Van Thienen et al.,[8]  CHAPTER 7 discusses  the design of hybrid  lipid‐

enveloped nanogels  (LENs), where a multifunctional  lipid shell  is entrusted with  the  task  to bypass 

the major extracellular barriers to allow disposition of biodegradable siRNA  loaded nanogels  in the 

target  cell  cytoplasm.  These  hybrid  nanocomposites  can  be  prepared  by  using  liposomes  as 

nanoreactors  for  selective  UV  polymerization  of  dex‐HEMA  in  their  aqueous  core.  SiRNA  can  be 

loaded into LENs by passive hydration of a preformed lipid film with an encapsulation efficiency (non‐

optimized)  of  >30%.  Both  extrusion  and  probe  sonication  are  successfully  applied  for  LENs 

production, as evidenced by dynamic light scattering. Although a majority of liposomal drug delivery 

systems  for  RNAi  typically  comprises  a  cationic  lipid,  we  chose  to  use  a  charge  neutral  lipid 

combination for LENs development  instead, consisting of an equimolar mixture of DOPC and DOPE. 

In  spite  of  this,  preliminary  cellular  experiments  suggested  that  Huh‐7  cells  still  quantitatively 

internalize DOPC:DOPE coated LENs. Future experiments on LENs will be oriented toward a further 

optimization of the siRNA encapsulation efficiency and the assessment of their RNAi potential. 

211  

CHAPTER 8 | summary & general conclusions 

 

212  

GENERAL CONCLUSIONS 

In conclusion, this thesis comprises a novel FRET based approach for the intracellular assessment of 

small  interfering  RNA  (siRNA)  integrity,  which  could  aid  in  clarifying  the  correlation  between 

intracellular  siRNA  fate  and  the  eventual  RNAi  outcome.  Besides  siRNA  stability,  this  thesis  also 

describes  the  design  of  cationic  and  biodegradable  nanogels  for  the  time‐controlled  delivery  of 

siRNA. We  provide  evidence  that  these  nanogels  can  effectively  deliver  active  siRNA  across  the 

cellular barrier,  leading to substantial and durable gene silencing. Endosomal escape  is  identified as 

the predominant barrier confining the full RNAi potential, opening up new opportunities to further 

improve  this  delivery  concept.  It  is  conceivable  that,  although  RNAi  can  generally  be  applied  to 

interfere with  the  expression of  virtually  any  gene,  several distinct  in  vivo delivery  agents will be 

needed depending on the disease target and the chosen route of administration. Our nanogels may 

well claim a future position in this ensemble of siRNA delivery systems. 

REFERENCE LIST 

 1.   Haussecker D., The business of RNAi therapeutics, Hum. Gene Ther. 2008, 19: 451‐462. 2.   Behlke M.A., Chemical modification of siRNAs for in vivo use, Oligonucleotides. 2008, 18: 305‐319. 3.   de Fougerolles A.R., Delivery vehicles for small interfering RNA in vivo, Hum. Gene Ther. 2008, 19: 125‐132. 4.   Whelan J., First clinical data on RNAi, Drug Discov. Today 2005, 10: 1014‐1015. 5.   Jagannath  A.  and  Wood  M.J.,  Localization  of  double‐stranded  small  interfering  RNA  to  cytoplasmic 

processing bodies  is Ago2 dependent and results  in up‐regulation of GW182 and Argonaute‐2, Mol. Biol. Cell 2009, 20: 521‐529. 

6.   Jarve A., Muller  J., Kim  I.H., Rohr K. et al., Surveillance of siRNA  integrity by FRET  imaging, Nucleic Acids Research 2007, 1‐13. 

7.   Remaut  K.,  Lucas  B.,  Raemdonck  K.,  Braeckmans  K.  et  al.,  Can we  better  understand  the  intracellular behavior of DNA nanoparticles by  fluorescence  correlation  spectroscopy?,  Journal of Controlled Release 2007, 121: 49‐63. 

8.   Van Thienen T.G., Lucas B., Flesch F.M., van Nostrum C.F. et al., On the synthesis and characterization of biodegradable  dextran  nanogels with  tunable  degradation  properties, Macromolecules  2005,  38:  8503‐8511. 

  

 

 

   

213  

 

 

214  

 

samenvatting en algemene besluiten | APPENDIX A 

215  

  APPENDIX A | SAMENVATTING EN 

ALGEMENE BESLUITEN      

   

APPENDIX A | samenvatting en algemene besluiten  

 

216  

 

samenvatting en algemene besluiten | APPENDIX A 

A SAMENVATTING VAN HET DOCTORAAL PROEFSCHRIFT 

Het is slechts 11 jaar geleden dat Andrew Fire and Craig Mello in hun Nature publicatie de vreemde 

observatie beschreven dat de exogene toediening van dubbelstrengig RNA (dsRNA) aan de nematode 

C. elegans resulteerde in de onderdrukking van het complementaire gen. Zij waren de eersten die de 

term RNA interference (RNAi) hanteerden en werden voor hun ontdekking beloond met de Nobelprijs 

voor Geneeskunde  en  Fysiologie  in  2006. Dit  doet  reeds  vermoeden  dat  het  hier  een  belangrijke 

wetenschappelijke  doorbraak  betreft.  RNAi  is  dan  ook  daadwerkelijk  een  ‘hot  topic’  in  de  exacte 

wetenschap, hetgeen we verder ook kunnen afleiden uit de immense financiële investeringen van de 

afgelopen jaren en de uitgebreide wetenschappelijke output omtrent RNAi die men vandaag reeds in 

de vakliteratuur kan terugvinden. 

In essentie  is RNAi een  intracellulair mechanisme dat actief  is  in eukaryote  cellen en waarvan het 

biochemisch  raderwerk  in  de  loop  van  de  evolutie  bewaard  is  gebleven. De  RNAi machine wordt 

geactiveerd door de introductie van dsRNA in het cytoplasma van de doelwitcel, hetgeen uiteindelijk 

leidt  tot  de  sequentie‐specifieke  onderdrukking  van  een  doelwitgen  op  het  posttranscriptioneel 

niveau (HOOFDSTUK 1). Naar aanleiding van de ontdekking in 2001 dat RNAi ook functioneel zou zijn in 

menselijke cellen, nam het onderzoek naar hoe dit mechanisme zou kunnen gemanipuleerd worden 

voor  therapeutische  doeleinden  een  hoge  vlucht.  RNAi  biedt  immers  vele mogelijkheden  voor  de 

behandeling  van  ziekten  met  een  gekende  genetische  oorzaak,  waaronder  diverse  kankers, 

neurondegeneratieve  aandoeningen,  maar  ook  virale  infecties.  RNAi  therapeutica  bieden 

daarenboven het voordeel messenger RNA  (mRNA) als doelwit  te hebben,  in  tegenstelling  tot vele 

conventionele geneesmiddelen waarvan de werking meestal beperkt is tot het eiwitniveau. Met het 

ontrafelen  van het menselijk  genoom  en onze  toenemende  kennis omtrent de  functionaliteit  van 

menselijke genen, zou RNAi kunnen  leiden tot een brede waaier van geneesmiddelen tegen eender 

welk (genetisch) klinisch doelwit.  

Intensief  onderzoek  heeft  kleine  intermediaire  dsRNA  fragmenten,  afgekort  als  siRNAs  (small 

interfering RNAs), geïdentificeerd als de authentieke effectoren van de genetische interferentie. Deze 

RNA moleculen kunnen eenvoudig op grote schaal aangemaakt worden via chemische synthese en in 

het merendeel van de publicaties  tot op heden omtrent RNAi  therapeutica, staan siRNAs centraal. 

217  

APPENDIX A | samenvatting en algemene besluiten  

 

Uiteindelijk  is men nu  in  staat  siRNAs  te ontwerpen die,  in  functie  van hun nucleotide  sequentie, 

mogelijks elk gentranscript kunnen onderdrukken. In  iets meer dan 10  jaar sinds de ontdekking van 

RNAi  waren  we  reeds  getuige  van  de  overgang  van  siRNA  naar  de  klinische  testfase,  hetgeen 

nogmaals het belang en de mogelijkheden van RNAi onderstreept. Tabel 8.1 (zie hoofdstuk 8, pagina 

208) toont een overzicht van de siRNA therapeutica die tot op heden reeds werden geëvalueerd  in 

klinische testen of in de toekomst aan evaluatie zullen onderworpen worden. 

Deze data tonen aan dat de siRNAs in de meer gevorderde stadia van klinische evaluatie vooral lokaal 

worden  toegediend,    geformuleerd  als  een  0.9% NaCl  zoutoplossing. Wetenschappers  zijn  het  er 

echter over eens dat, om het  therapeutisch potentieel van RNAi  in de breedte  te verzilveren, een 

efficiënte  afgifte  van  siRNA  in  het  menselijk  lichaam  het  belangrijkste  obstakel  blijft.  Zoals 

samengevat in HOOFDSTUK 1 bestaan er vele extra‐ en intracellulaire barrières voor nucleïnezuren als 

geneesmiddel die overwonnen dienen te worden om hen een veilige doortocht naar het cytoplasma 

van de doelwitcel  te  garanderen.  In  dit proefschrift wordt  voornamelijk de  focus  geplaatst op de 

hindernissen op cellulair niveau. Aangezien het RNAi raderwerk hoofdzakelijk  is gelokaliseerd  in het 

cytoplasma, moeten siRNAs  immers  intact overheen de cellulaire membraan worden geloodst.   Het 

sterk negatief geladen  karakter  van  siRNA  (≥ 40 negatieve  ladingen per molecule) en hun  relatief 

grote  afmetingen  (~14  kDa)    laten  niet  zomaar  toe  dat  deze  spontaan  door  cellen  worden 

opgenomen. Onder meer om deze  reden vormt het evalueren van nanoscopische dragers voor de 

formulatie  en  afgifte  van  small  RNAs  een  belangrijk  segment  in  het  onderzoek  rond  RNAi.  Zowel 

virale  als  niet‐virale  afgifteystemen  (of  vectoren) werden  reeds  ontwikkeld  voor  de  intracellulaire 

vrijgave van RNAi effectoren, waarvan de virale vectoren ontegensprekelijk de meest efficiënte zijn. 

Ondanks hun  efficiëntie  is het  klinisch  gebruik  van  virale  vectoren  gelimiteerd door  tot op heden 

onoverkoombare veiligheidsproblemen, hetgeen het onderzoek voedt naar niet‐virale alternatieven. 

De meerderheid  van wetenschappelijke  publicaties  beschrijft  hierin  het  gebruik  van  synthetische 

vetten  en  polymeren  voor  de  complexatie  en  intracellulaire  afgifte  van  siRNA,  waarvan  enkele 

belangrijke voorbeelden ook in HOOFDSTUK 1 worden aangehaald.  

Behalve  siRNA  afgifte,  bespreekt  dit  hoofdstuk  eveneens  de meest  voorname  parameters  die  de 

grootteorde en levensduur van het RNAi effect beïnvloeden. Genonderdrukking via siRNAs is volledig 

reversibel en meer  inzichten  in de kinetiek van dit effect zullen cruciaal zijn voor het opstellen van 

een  geschikt  doseringsschema.  In  de  context  van  een  meer  duurzaam  RNAi  effect  worden 

genonderdrukking op het transcriptioneel niveau (transcriptional gene silencing of TGS), het gebruik 

van  mathematische  modellen  en  combinatoriële  RNAi  (coRNAi)  kort  besproken  als  nieuwe 

strategieën voor de verdere optimalisatie van genetische interferentie. 

218  

samenvatting en algemene besluiten | APPENDIX A 

In het exponentieel groeiende veld van RNAi, gaat er behalve naar methodes voor verbeterde siRNA 

afgifte ook aandacht uit naar de stabiliteit en afbraak van siRNA. Het is essentieel bij het gebruik van 

siRNA als geneesmiddel dat de stabiliteit van de siRNA duplex en zijn vatbaarheid voor afbraak door 

nucleasen in biologische media wordt nagegaan. Naakt siRNA (i.e. niet geformuleerd in virale of niet‐

virale nanoscopische dragers) wordt snel afgebroken door exo‐ en endonucleasen, hetgeen leidt tot 

een  zeer  korte  halfwaardetijd  in  de  algemene  circulatie.  De  literatuur  bevat  daarom  ook  vele 

publicaties die chemische modificaties en  formulatie  strategieën bespreken met als doel de  siRNA 

stabiliteit  en  farmacokinetiek  te  verbeteren. Met  betrekking  tot  het  belang  van  de  intracellulaire 

siRNA stabiliteit zijn de meningen echter verdeeld. Tegenstrijdige rapporten of de siRNA integriteit al 

dan niet een  invloed zou hebben op het  levensduur van het RNAi effect maakt de correlatie tussen 

beide  nog  niet  beslissend.  Technieken  om  de  siRNA  integriteit  na  te  gaan,  volgend  op  cellulaire 

opname,  zijn daarom van belang om het  intracellulair  lot van  siRNA  te verifiëren.  In HOOFDSTUK  2 

wordt een methode voorgesteld, gebaseerd op fluorescentie resonantie energie transfer (FRET), om 

de stabiliteit van dubbel fluorescent gemerkt siRNA te evalueren in de cellulaire micro‐omgeving. De 

methode  werd  gevalideerd  door  het  wegvallen  van  FRET  te  detecteren  in  functie  van  siRNA 

degradatie  door  RNase  A  of  door  incubatie  in  celextracten.  In  deze  experimenten  werd  de 

verhouding  van  acceptor  fluorescentie  tot  donor  fluorescentie  bij  donor  excitatie  (FA/FD  ratio) 

gebruikt als parameter voor de  stabiliteit van  zowel enkelstrengig  (ssRNA) als dubbelstrengig RNA 

(dsRNA).  Dergelijke  technieken  kunnen  bruikbaar  zijn  om  de  correlatie  tussen  het  intracellulair 

gedrag van  siRNA en het uiteindelijke biologische effect meer  in detail  te bestuderen,  zoals  reeds 

gedeeltelijk aangetoond in de literatuur.  

Zoals  reeds aangehaald  is het  transiënte effect een mogelijk nadeel van het gebruik van  siRNA als 

therapeuticum,  waardoor  meerdere  toedieningen  noodzakelijk  zullen  zijn  om  het  therapeutisch 

effect  gedurende  langere  tijd  aan  te  houden.  Een  concept  om  een meer  robust  RNAi  effect  te 

verkrijgen  is via de gecontroleerde vrijstelling van  siRNA  in het  cytoplasma van de doelwitcel. Het 

ontwerpen van nanoscopische dragers die  fungeren als een  intracellulair depot, zou een verlengde 

genonderdrukking  kunnen  verwezenlijken  door  de  intracytoplasmatische  siRNA  concentratie 

gedurende  langere  tijd  in  het  therapeutisch  venster  te  houden.  In  navolging  van  de  brede 

toepasbaarheid van hydrogelen als matrices voor gecontroleerde afgifte van geneesmiddelen en hun 

veelvuldig  gebruik  in  een  biofarmaceutische  context,  werd  in  deze  thesis  de  focus  geplaatst  op 

dextraan  hydrogelen  als  dragers  voor  siRNA.  Hydrogelen  kunnen  gedefinieerd  worden  als  3D 

netwerken, opgebouwd uit hydrofiele polymeren, die  in staat zijn om grote hoeveelheden water of 

fysiologische  vloeistof  op  te  nemen.  Sinds  hun  introductie  voor  biologisch  gebruik  bijna  50  jaar 

219  

APPENDIX A | samenvatting en algemene besluiten  

 

geleden,  nemen  hydrogelen  een  belangrijke  plaats  in  voor  allerhande  biomedische  en 

farmaceutische toepassingen.  

Hydrogelen kunnen worden aangemaakt in diverse geometrieën. HOOFDSTUK 3 beschrijft de aanmaak 

van  microscopische  biodegradeerbare  dextraan  hydrogelen  (i.e.  microgelen)  via  zowel  een  w/w 

emulsie  in  polyethyleenglycol  als  een  w/o  emulsie  in  minerale  olie.  Voorgevormde  microgelen, 

bestaande  uit  dextraan  hydroxyethyl methacrylaat  (dex‐HEMA)  en  verder  gefunctionaliseerd met 

kationische methacrylaat monomeren (2‐(dimethylamino)ethyl methacrylaat of DMAEMA), bleken in 

staat  siRNA  op  te  nemen  via  elektrostatische  aantrekking. De HEMA  groepen  zijn  gekoppeld  aan 

dextraan  via  een  onstabiele  ester  binding.  Hydrolyse  van  deze  ester  functie,  klieft  de  verbinding 

tussen de dextraan ketens, waardoor het gelnetwerk langzaam uit elkaar valt en het gecomplexeerde 

siRNA wordt vrijgesteld. Aangezien de degradatie snelheid van dex‐HEMA microgelen bepaald wordt 

door de initiële dichtheid aan crosslinks, kan de vrijstellingskinetiek van siRNA gecontroleerd worden 

door de dichtheid van het hydrogel netwerk te laten variëren. 

Een primaire vereiste om de efficiëntie van het voorgestelde siRNA afgifte systeem te bepalen, is het 

vertalen  ervan  naar  nanoscopische  dimensies  om  cellulaire  internalisatie  mogelijk  te  maken. 

HOOFDSTUK  4  presenteert  een  overzicht  van  enkele  opvallende  applicaties waarin  nanoscopische 

hydrogelen (nanogelen) gebruikt worden als geneesmiddeldragers voor de gecontroleerde vrijstelling 

van  diverse  therapeutica.  Ondanks  het  toenemend  aantal  publicaties  omtrent  nanogelen  for 

farmaceutische  toepassingen het voorbije decennium, zijn de  rapporten die nanogelen beschrijven 

voor  siRNA  afgifte  tot op heden nog op  één hand  te  tellen. De  aanmaak  van positief  geladen  en 

hydrolyseerbare  dex‐HEMA  nanogelen  via  een  inverse  mini‐emulsie  fotopolymerisatie  staat 

beschreven  in  HOOFDSTUK  5.  In  vergelijking  met  hoofstuk  3  werd  ditmaal  een  methacrylaat 

monomeer  met  een  kwaternaire  stikstofgroep  (2‐(trimethylammonium)ethyl  methacrylaat  of 

TMAEMA)  gekozen  voor  copolymerisatie  met  dex‐HEMA.  Dankzij  de  incorporatie  van  positieve 

ladingen  in  het  nanogel  netwerk,  hebben  deze  een  grote  ladingscapaciteit  voor  siRNA.  Confocale 

microscopie  en  flow  cytometrie  leverden  het  bewijs  dat  grote  hoeveelheden  siRNA  beladen 

nanogelen  efficiënt  konden  opgenomen  worden  door  humane  hepatoma  cellen  (Huh‐7)  onder 

behoud van de celviabiliteit. Het wordt algemeen aangenomen dat voor het merendeel van de niet‐

virale dragers de  cellulaire  internalisatie gebeurt  via endocytose, waarbij een grote  fractie  van de 

opgenomen  partikels  uiteindelijk  eindigt  in  verzuurde  (endo)lysosomen.  Dit  bleek  ook  voor  onze 

kationische nanogelen het geval. Ongeacht deze nadelige  intracellulaire eindbestemming,  toonden 

onze  experimenten  toch  een  substantiële  en  sequentie‐specifieke  onderdrukking  aan  van  het 

luciferase  gen  na  transfectie  met  afbreekbare  dex‐HEMA  nanogelen.  Dit  is  een  onrechtstreekse 

aanwijzing dat een deel van het gecomplexeerd siRNA het cytoplasma bereikt alwaar het opgenomen 

220  

samenvatting en algemene besluiten | APPENDIX A 

wordt in het RNAi raderwerk. Bovendien bleek het RNAi effect bijna afwezig wanneer de transfectie 

werd  uitgevoerd  met  stabiele  (niet  afbreekbaar  door  hydrolyse  bij  fysiologische  pH)  dextraan 

nanogelen, hetgeen doet  vermoeden dat dex‐HEMA hydrolyse een  invloed heeft op de efficiëntie 

van siRNA afgifte. Anderzijds kon het genonderdrukkende effect markant verbeterd worden door het 

toepassen  van  gevalideerde  endosomolytische  hulpmiddelen,  zoals  fotochemische  internalisatie 

(PCI) en de co‐complexatie van siRNA beladen nanogelen met een fusogeen peptide afgeleid van de 

hemagluttinine HA2  subeenheid  van het  influenza  virus. Deze data  leveren het bewijs  aan dat de 

endolysosomale accumulatie van de siRNA nanogelen nefast is voor een optimale siRNA afgifte in het 

cytoplasma van de doelwitcel. 

Terwijl de omvang van de genonderdrukking een goede  indicator kan zijn voor het succes van een 

siRNA behandeling,  is de kinetiek van het RNAi effect hiervoor misschien beter geschikt. De tijd dat 

de siRNA behandeling de  intracellulaire concentratie van het doelwit proteïne beneden de drempel 

kan  houden  die  nodig  is  om  het  gewenste  fenotype  te  bekomen,  zal  in  belangrijke  mate  de 

doseringsfrequentie  bepalen  in  klinische  therapie.  In  HOOFDSTUK  6 wordt  o.a.  om  deze  reden  de 

kinetiek  van  genonderdrukking  nagegaan  voor  dex‐HEMA‐co‐TMAEMA  nanogelen met  variërende 

crosslink densiteit. De transfectie experimenten toonden aan dat de kinetiek van genonderdrukking 

grotendeels  onafhankelijk  is  van  de  gebruikte  nanogel  formulatie.  De  grootteorde  van  het 

onderdrukkend effect daarentegen bleek wel te verschillen met  in het algemeen een kleiner effect 

voor  sterker  gecrosslinkte  nanogelen.  Het  lijkt  aannemelijk  te  veronderstellen  dat  het maximaal 

biologisch effect bepaald wordt door de hoeveelheid siRNA dat initieel het cytoplasma bereikt terwijl 

het herstel van de genexpressie naar steady‐state gedicteerd wordt door sequentiële celdelingen die 

de intracellulaire pool van actief siRNA gestaag reduceren. Daarbij werd eveneens aangetoond dat de 

toepassing van PCI, zelfs 48 h post‐transfectie, het RNAi effect  in belangrijke mate kon verbeteren 

(tot 25% bijkomende genonderdrukking) en verlengen. Dit resultaat geeft aan dat PCI in staat is om 

een fractie van de siRNA beladen nanogelen, die in een vesiculaire micro‐omgeving gestrand waren, 

vrij te stellen. Dit vormt een mogelijke strategie om de therapeutische respons te verlengen  in het 

geval dat de endosomale barriere limiterend is, alhoewel deze strategie verdere optimalisatie vereist. 

Uit de vorige hoofdstukken blijkt duidelijk dat om een  intracellulaire gecontroleerde vrijstelling van 

siRNA  mogelijk  te  maken  en  de  implicaties  na  te  gaan  in  de  context  van  een  meer  duurzame 

genonderdrukking,  een  verbeterde  overgang  van  siRNA  beladen  nanogelen  van  het  endosomale 

lumen naar het  cytoplasma  cruciaal  is.  In navolging  van  vernieuwend onderzoek, uitgevoerd door 

Van Thienen et al.  in 2005 bediscussieert HOOFDSTUK 7 het ontwerp van nanogelen omgeven door 

een  vetlaagje  (lipid‐enveloped  nanogels  or  LENs).  De multifunctionele  lipide mantel wordt  in  dit 

concept  belast met  de  opdracht  om  de  belangrijkste  extracellulaire  barrières  te  overwinnen  (i.e. 

221  

APPENDIX A | samenvatting en algemene besluiten  

 

222  

stabiliteit  in  de  bloedstroom,  vermijden  van  opsonizatie  en  een  verbeterde  mobiliteit  in  de 

extracellulaire  matrix).  Bovendien  anticiperen  we  op  basis  van  literatuurgegevens  een  positieve 

invloed op de accumulatie van intacte nanogelen in het cytoplasma, die daar als siRNA depot kunnen 

fungeren. Hiertoe  kan  beroep  gedaan worden  op  fusogene  lipiden,  die  de  eigenschap  hebben  te 

versmelten met de endosomale membraan. Deze vorm van hybride nanopartikels werd aangemaakt 

door  liposomen  in te schakelen als nanoreactor voor de selectieve UV polymerisatie van dex‐HEMA 

in  hun  waterig  lumen.  Het  opladen  met  siRNA  gebeurt  door  passieve  hydratatie  van  een 

voorgevormde  lipide film waarbij een encapsulatie efficiëntie werd bereikt van 30%. Zowel extrusie 

als  ultrasonicatie  werden  succesvol  ingezet  voor  de  aanmaak  van  LENs,  zoals  aangetoond  via 

dynamische  lichtverstrooiing. In contrast met de vele  liposomale formulaties voor RNAi die meestal 

een  kationisch  lipide  bevatten  voor  complexatie met  het  anionisch  siRNA, werd  in  dit  hoofdstuk 

geopteerd voor een equimolaire mix van neutrale  lipiden. Ondanks hun  ladingsneutraliteit, kon via 

flow  cytometrie  toch  een  duidelijke  dosis  afhankelijke  Huh‐7  cellulaire  opname  waargenomen 

worden  in  preliminaire  experimenten.  Naar  de  toekomst  toe  zullen  LENs  experimenten  zich 

hoofdzakelijk concentreren op de verdere optimalisatie van siRNA encapsulatie en het evalueren van 

hun RNAi potentieel. 

 

ALGEMENE BESLUITEN 

Samenvattend  beschrijft  dit  proefschrift  een  nieuwe  methode,  gebaseerd  op  FRET,  met  als 

voornaamste doel de in situ evaluatie van siRNA stabiliteit in levende cellen. Deze methode moet het 

mogelijk  maken  om  bijkomende  informatie  te  verkrijgen  omtrent  de  correlatie  tussen  de 

intracellulaire siRNA  integriteit en het uiteindelijke RNAi effect. Daarnaast werd een nieuw concept 

voorgesteld  voor  de  intracellulaire  gecontroleerde  vrijstelling  van  siRNA.  Hiertoe  werd  siRNA 

gecomplexeerd  in  biodegradeerbare  nanoscopische  hydrogelen  (i.e.  nanogelen).  Significante 

onderdrukking van een reportergen vormde een onrechtstreekse aanwijzing dat deze nanogelen  in 

staat  zijn  actief  siRNA  in  het  cytoplasma  van  de  doelwitcel  af  te  leveren.  Het  ontsnappen  van 

geïnternaliseerde  nanogelen  uit  de  endosomen  werd  echter  geïdentificeerd  als  de  voornaamste 

cellulaire  barrière,  hetgeen  het  RNAi  potentieel  gedeeltelijk  beperkt.  Tegelijkertijd  biedt  deze 

observatie nieuwe opportuniteiten om het nanogel concept verder te verfijnen. Het  is aannemelijk 

dat afhankelijk van de te behandelen pathologie en de toedieningswijze, een grote verscheidenheid 

aan siRNA dragers nodig zal zijn wanneer siRNAs de stap zetten naar nieuwe klinische toepassingen. 

Het is best mogelijk dat ook nanogelen hierin hun plaats zullen opeisen. 

curriculum vitae | APPENDIX B 

223  

  APPENDIX B | CURRICULUM VITAE 

     

   

APPENDIX B | curriculum vitae  

 

224  

 

curriculum vitae | APPENDIX B 

B PERSONALIA 

Name  RAEMDONCK 

First name  KOEN 

Nationality  Belgian 

Place and date of birth  Dendermonde, 28‐08‐1981 

Marital status  Married 

Private address  Nieuwbrugkaai 70 

  9000 Gent 

Telephone  + 32 (0)485 28 08 12 

Professional address  Lab of General Biochemistry and Physical Pharmacy 

  Faculty of Pharmaceutical Sciences – Ghent University 

  Harelbekestraat 72 

  9000 Ghent 

Telephone  +32 (0)9 264 80 95 

Fax  +32 (0)9 264 81 89  

E‐mail:   [email protected] 

URL  http://www.biofys.ugent.be 

 

 

 

 

225  

APPENDIX B | curriculum vitae  

 

LANGUAGES 

Dutch  mother tongue 

English  fluent 

French  good 

 

DEGREES 

June, 2004  pharmacist with great distinction 

  Faculty of Pharmaceutical Sciences, Ghent University 

 

INTERNATIONAL PEER REVIEWED PUBLICATIONS 

Raemdonck K., Remaut K., Lucas B., Sanders N.N., Demeester J., and De Smedt S.C., In situ analysis of 

single‐stranded and duplex siRNA integrity in living cells. Biochemistry 2006, 45: 10614‐10623. 

Remaut K., Lucas B., Raemdonck K., Braeckmans K., Demeester J., and De Smedt S.C., Can we better 

understand  the  intracellular  behavior  of  DNA  nanoparticles  by  fluorescence  correlation 

spectroscopy?. Journal of Controlled Release 2007, 121: 49‐63. 

Remaut K., Lucas B., Raemdonck K., Braeckmans K., Demeester J., and De Smedt S.C., Protection of 

oligonucleotides  against  enzymatic  degradation  by  pegylated  and  nonpegylated  branched 

polyethyleneimine. Biomacromolecules 2007, 8: 1333‐1340. 

Van  Thienen  T.G.,  Raemdonck  K.,  Demeester  J.,  and  De  Smedt  S.C.,  Protein  release  from 

biodegradable dextran nanogels. Langmuir 2007, 23: 9794‐9801. 

Buyens K.,  Lucas B., Raemdonck K., Braeckmans K., Vercammen  J., Hendrix  J., Engelborghs Y., De 

Smedt  S.C.,  and  Sanders N.N., A  fast  and  sensitive method  for measuring  the  integrity  of  siRNA‐

carrier complexes in full human serum. Journal of Controlled Release 2008, 126: 67‐76. 

226  

curriculum vitae | APPENDIX B 

Raemdonck K., Van Thienen T.G., Vandenbroucke R.E., Sanders N.N., Demeester  J., and De Smedt 

S.C., Dextran microgels  for  time‐controlled delivery of siRNA. Advanced Functional Materials 2008, 

18: 993‐1001. 

Raemdonck K., Vandenbroucke R.E., Demeester J., Sanders N.N., and De Smedt S.C., Maintaining the 

silence: reflections on long‐term RNAi. Drug Discovery Today 2008, 13: 917‐931. 

Raemdonck K., Naeye B., Buyens K., Vandenbroucke R.E., Høgset A., Demeester  J., De Smedt S.C., 

Biodegradable  dextran  nanogels  for  RNAi:  focusing  on  endosomal  escape  and  intracellular  siRNA 

delivery,  Advanced  Functional  Materials  2009,  19:  1406‐1415.  Press  release  (2009‐05‐28)  on 

www.pcibiotech.com. 

Raemdonck K., Demeester  J., De Smedt S.C., Advanced nanogel engineering  for drug delivery, Soft 

Matter 2009, 5: 707‐715. Invited.  

Naeye B., Raemdonck K., Demeester J., and De Smedt S.C., PEGylation strategies for cationic dextran 

nanogels as siRNA delivery agents. Manuscript in preparation. 

 

CONFERENCE PROCEEDINGS 

Raemdonck K., Remaut K., Lucas B., Sanders N.N., Demeester J., De Smedt S.C., Real‐time Monitoring 

of Single‐Stranded and Duplex Short Interfering RNA Integrity inside living cells. Proceedings of the 9th 

European Symposium on Controlled Drug Delivery 2006, 241‐243. 

Raemdonck K., Remaut K., Lucas B., Sanders N.N., Demeester J., De Smedt S.C., Real‐time Monitoring 

of Single‐Stranded and Duplex Short  Interfering RNA  Integrity  inside  living cells. Molecular Therapy 

2006, 13: S273. 

Raemdonck  K., Demeester  J., De  Smedt  S.C.,  Intracellular  time‐controlled  delivery  of  siRNA  from 

cationic nanogel depots. Molecular Therapy 2008, 16: S245. 

 

 

227  

APPENDIX B | curriculum vitae  

 

ORAL PRESENTATIONS (presenting author) 

Raemdonck K., Remaut K., Lucas B., Sanders N.N., Demeester  J., De Smedt S.C.,  In  situ analysis of 

single‐stranded  and  duplex  siRNA  integrity  in  living  cells.  Spring  Meeting  of  the  Belgian‐Dutch 

Biopharmaceutical Society, Janssen Pharmaceutica, Beerse (Belgium), May 22th 2006. 

De Smedt S.C., Lucas B., Remaut K., Raemdonck K., Braeckmans K., Sanders N.N., Demeester J., Can 

we  better  understand  the  intracellular  behaviour  of  nucleic  acid  containing  nanoparticles  by 

fluorescence  correlation  spectroscopy?  Nanomedicine  and  drug  delivery  symposium,  Omaha, 

Nebraska (USA), October 8th‐10th 2006. 

Raemdonck K., Demeester  J., De Smedt S.C., Dextran micro‐and nanogels  for controlled  release of 

siRNA.  Pre‐satellite  Meeting  of  the  Pharmaceutical  Sciences  World  Congres,  Amsterdam  (The 

Netherlands), April 20th‐21st 2007. 

Naeye B., Raemdonck K., Demeester  J. and De Smedt S.C., Optimization of biodegradable dextran 

nanogels for controlled siRNA delivery.  MediTrans 2nd annual meeting, Rehovot (Israel), March 26th‐

29th 2009. 

Raemdonck K., Naeye B., Demeester J., De Smedt S.C., Evaluation of a dextran nanogel concept for 

intracellular siRNA delivery. EuroNanoMedicine, Bled (Slovenia), September 28th‐30th 2009. 

 

POSTER PRESENTATIONS (presenting author) 

Raemdonck  K.,  Remaut  K., De  Smedt  S.C., Demeester  J.,  Studying  the  degradation  of  single‐  and 

double‐stranded short interfering RNA in living cells by means of FCS‐FRET 

• 1st Young Scientist Day of the Belgian Biophysical Society, Ghent (Belgium), May 19th 2005. 

• Biopharmacy Day,  Spring Meeting  of  the  Belgian‐Dutch  Biopharmaceutical  Society, Ghent 

(Belgium), May 20th 2005. 

 

228  

curriculum vitae | APPENDIX B 

Raemdonck K., Remaut K., De Smedt S.C., Demeester J., Real‐time monitoring of single‐stranded and 

uplex short interfering RNA integrity inside living cells 

• RNAi Europe, Amsterdam (The Netherlands), September 28th‐29th 2005. 

• Biopharmacy Day, Autumn Meeting of the Belgian‐Dutch Biopharmaceutical Society, Utrecht 

(The Netherlands), December 2nd 2005. 

 

Raemdonck  K.,  Remaut  K.,  Lucas  B.,  Sanders  N.N.,  Demeester  J.,  De  Smedt  S.C.*,  Real‐time 

Monitoring of Single‐Stranded and Duplex Short Interfering RNA Integrity inside Living Cells 

• 9th European Symposium on Controlled Drug Delivery, Noordwijk aan Zee (The Netherlands), 

April  5th‐7th 2006. 

• American Society of Gene Therapy annual meeting, Baltimore, MD  (USA) May 31st‐June 4th 

2006. 

• 33rd Annual meeting of  the Controlled Release  Society, Vienna  (Austria)  July 22nd‐July 26th 

2006 (*presenting author). 

• 13th International symposium on recent advances in drug delivery systems, Salt Lake City, UT 

(USA), February 26th‐28th 2007.  

Raemdonck  K.,  Demeester  J.,  and  De  Smedt  S.C.,  Towards  dextran  based  nanogels  for  the 

intracellular delivery of siRNA 

• 13th International symposium on recent advances in drug delivery systems, Salt Lake City, UT 

(USA), February 26th‐28th 2007. 

 

Raemdonck  K.,  Demeester  J.,  and  De  Smedt  S.C.*,  Cytosolic  nanogel  depots  for  time‐controlled 

siRNA delivery 

• 11th annual Meeting of the American Society of Gene Therapy (ASGT), Boston, MA (USA) May 

28th‐June 1st 2008 

• 2nd  International  Symposium  on  Cellular  Delivery  of  Therapeutic Macromolecules,  Cardiff 

University (Wales), June 22nd‐June 25th 2008 

• RNAi Europe, Stockholm (Sweden), September 16th‐18th 2008 

229  

APPENDIX B | curriculum vitae  

 

230  

• Right  Symposium  “RNA  interference  technology  as  Human  Therapeutic  Tool”,  Brussels 

(Belgium), November 3rd‐5th 2008 (* presenting author) 

 

Raemdonck K., Demeester J., and De Smedt S.C., Biodegradable dextran nanogels for RNAi 

• 14th international symposium on recent advances in drug delivery systems, Salt Lake City, UT 

(USA), February 15th‐18th 2009. 

 

Naeye  B.,  Raemdonck  K., Demeester  J.,  and De  Smedt  S.C.,  Pegylation  of  biodegradable  dextran 

nanogels for controlled siRNA release 

• Nanomedicine, Sant Feliu de Guixols (Spain), September 20th‐24th 2008 

 

Naeye B., Raemdonck K., Demeester  J. and De Smedt S.C., Optimization of biodegradable dextran 

nanogels for controlled siRNA delivery 

• MediTrans 2nd annual meeting, Rehovot (Israel), March 26th‐29th 2009. 

 

SCIENTIFIC COURSES 

Training  course  ‐  Particle  characterization &  Innovation  (organized  by Analis),  Sint‐Martens‐Latem 

(Belgium), September 13th, 2007. 

Flow cytometry course – learning and knowledge, BD Biosciences, Erembodegem (Belgium), February 

10th, 2009. 

Biogazelle  course  on  qPCR  experiment  design  and  data‐analysis,  Vlerick  Business  Center,  Ghent 

(Belgium), March 5th‐6th, 2009. 

 

   

231  

 

 

232  

 

 

 

| DANKWOORD 

DANKWOORD | ACKNOWLEDGMENT  

Ik ga proberen het kort te houden. Proberen dus… 

Eerst en vooral wil ik even melden dat ik een dankwoord beschouw als een nawoord, dat je hoort te 

schrijven met  een  goed  en  volledig  overzicht  van  (en  inzicht  in)  de  voorbije  jaren  en  wie  daar 

allemaal  een  voorname  rol  in  heeft  gespeeld.  Vandaar  dus  ook  de  keuze  om  het  dankwoord 

desgevallend een plaats  te geven op hetgeen uiteindelijk pagina 233  is geworden. Desalniettemin 

moet ik iedereen gelijk geven die in zijn of haar dankwoord vermeldt dat het niet vanzelfsprekend is 

een dergelijk  stukje  tekst op papier  te  zetten.  “Schrijven  is  schrappen”, vertrouwde Stefaan mij al 

allitererend  toe  in de periode dat  ik op het FFW het  schrijven van mijn masterthesis aanvatte, en 

deze stelling geldt ongetwijfeld ook voor een dankwoord, zo weet ik nu.  

Een  eerste woord  van  dank  ben  ik  uiteraard  verschuldigd  aan  Stefaan &  Jo,  promotoren  van  het 

proefschrift dat u op dit punt volledig gelezen zou moeten hebben. Een wetenschappelijk labo steunt 

grotendeels  op  een  goed  uitgeruste  (infra)structuur  die  gevoed wordt  vanuit  gezonde  financiële 

fundamenten. Als directeur van het labo vervult Jo hierin een belangrijke en creatieve rol, waarvoor 

onzer appreciatie! Deeltijds wetenschappelijk bezieler en deeltijds  filosoof vat ongeveer het profiel 

van Stefaan samen. Bedankt voor de professionele steun, motivatie en de extra dosis zelfvertrouwen 

wanneer dat nodig was. Eveneens bedankt voor de vele anekdotes waarin je zelf een hoofdrol speelt 

en die iedereen van ons nog regelmatig met plezier doorvertelt (carport en dergelijke, u weet het wel 

;)). Sinds kort horen  in deze paragraaf ook Niek en Kevin Br.  thuis.  Ik wens  jullie beiden nog veel 

succes  met  het  verder  uitbouwen  van  een  wetenschappelijke  carrière  (dit  geldt  voor  iedereen 

trouwens…). 

De  laatste  jaren  is het  labo  exponentieel  gegroeid. Dit  vertaalde  zich  in  een  grote  ‘voorraad’  aan 

collega’s  waaruit  kon  geput  worden  in  geval  van  wetenschappelijke  nood.  Een  welgekomen 

extralegaal voordeel aangezien een doctoraat vervolmaken ook grotendeels steunt op advies van en 

discussies met  scientific  peers.  Bedankt  allemaal  (Bart  L.,  Farzaneh,  Roos,  Lies,  Tinneke,  Barbara, 

Stefaan  D.,  Bruno  DG,  Joanna,  Katrien,  Ine,  Sofie  T.,  Elien, Marie‐Luce,  Geertrui, Oliwia,  Chaobo, 

Broes, Hendrik, Dries, Nathalie, Kevin Bu. en Bart G.)! Er arriveerde zowaar een nanogel‐partner‐in‐

science  (NPiS)  onder  de  vorm  van  Broes. Met  ons  tweeën  gaan we  nu  resoluut  voor  die Nature 

publicatie,  zeker  nu  we  uit  goede  bron  hebben  vernomen  dat  die  garant  staat  voor  een  fles 

champagne. Het labo Algemene Biochemie en Fysische Farmacie is op meerdere vlakken uniek. Naar 

mijn bescheiden mening vormen we een hechte groep gemotiveerde onderzoekers (beetje reclame 

maken mag wel) die op en naast het werk zeer goed met elkaar kunnen opschieten. Moge het GRGN 

Social Committee nog vele activiteiten op de kalender plaatsen! 

233  

DANKWOORD | 

 

234  

In  ieder  dankwoord  wordt  (en  dit  is  meer  dan  terecht!)  ook  een  paragraaf  gereserveerd  voor 

Katharine en Bruno VdB, de beste secretariaatstandem die een onderzoekslabo zich kan wensen. Een 

kort  literatuuronderzoek  in  menig  doctoraatsdankwoord  leverde  lyrische  lofzangen  op  met  als 

voornaamste kernwoorden ‘werkijver’, ‘onmisbaar’, ‘glimlach’ en ‘grapjes’. Ik sluit mij hier volledig bij 

aan.  Misschien  nog  even  opmerken  dat  Bruno  VdB  zich  bovendien  nuttig  maakte  als  mijn 

persoonlijke ‘ping‐pong’ coach. Volgend jaar gaan we voor de sportieve doorbraak! 

Naast het wetenschappelijk werk (ping‐pongen werd onder de middag gepland red.) was er nog tijd 

voor ontspanning na de uren en  in de weekends onder de vorm van  tennis, mountainbike, menig 

cafébezoek, BBQ, wijndegustaties, festivals, weekendjes Ardennen, limericks en vooral veel gezellige 

babbels!  Special  thanks  to Bart W.,  Klaar,  Tim, Bart  L.,  Jo,  Ine,  Philippe,  Sofie  S., Olivier,  Patricia, 

Katrien,  Björn,  Birger,  Line,  Wim,  Eva,  Lieven,  Julie,  Griet,  Nathalie,  Steven,  Annelies,  Ruben, 

Kathleen, Bert… . 

Tot slot een overweldigende merci aan ma en pa, my brother and sister‐in‐law, ons meter en mijn 

Meetjeslandse  schoonfamilie voor vanalles en eigenlijk  teveel om op  te noemen  (wij weten het!). 

Details kan u lezen in mijn autobiografie die misschien ooit zal verschijnen. Iemand die hierin ook een 

niet  te  onderschatten  rol  zal  spelen  is  m’n  vraaiken,  Evelien,  mijn  steun  en  toeverlaat,  die  nu 

ongetwijfeld ook tevreden zal zijn dat het doctoraat achter de rug is… ;). Dikke kus. 

Oh ja, ook een woordje van dank aan iedereen die ik ben vergeten… 

 

Gent, oktober 2009 

Koen Raemdonck 

| DANKWOORD 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A PhD is a real way of life 

That takes you beyond nine to five 

But the effort’s in vain 

If you try to explain 

It’s ‘no pain, no gain’ to your wife 

:) 

(A PhD limerick© by Koen Raemdonck) 

235  

DANKWOORD | 

 

236