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Mascotte-Cruz JU, Vera A, Leija L, Lopez-Salas FE, Gradzielski M, Koetz J, Gatica-García B, Rodríguez-Oviedo CP, Valenzuela-Arzeta IE, Escobedo L, Reyes-Corona D, Gutierrez-Castillo ME, Maldonado-Berny M, Espadas-Alvarez AJ, Orozco-Barrios CE, Martinez-Fong D. Focused ultrasound on the substantia nigra enables safe neurotensin-polyplex nanoparticle-mediated gene delivery to dopaminergic neurons intranasally and by blood circulation. DISCOVER NANO 2024; 19:60. [PMID: 38564106 PMCID: PMC10987469 DOI: 10.1186/s11671-024-04005-9] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Grants] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 12/18/2023] [Accepted: 03/27/2024] [Indexed: 04/04/2024]
Abstract
Neurotensin-polyplex nanoparticles provide efficient gene transfection of nigral dopaminergic neurons when intracerebrally injected in preclinical trials of Parkinson's disease because they do not cross the blood-brain barrier (BBB). Therefore, this study aimed to open BBB with focused ultrasound (FUS) on the substantia nigra to attain systemic and intranasal transfections and evaluate its detrimental effect in rats. Systemically injected Evans Blue showed that a two-pulse FUS opened the nigral BBB. Accordingly, 35 μL of neurotensin-polyplex nanoparticles encompassing the green fluorescent protein plasmid (79.6 nm mean size and + 1.3 mV Zeta-potential) caused its expression in tyrosine hydroxylase(+) cells (dopaminergic neurons) of both substantiae nigrae upon delivery via internal carotid artery, retro-orbital venous sinus, or nasal mucosa 30 min after FUS. The intracarotid delivery yielded the highest transgene expression, followed by intranasal and venous administration. However, FUS caused neuroinflammation displayed by infiltrated lymphocytes (positive to cluster of differentiation 45), activated microglia (positive to ionized calcium-binding adaptor molecule 1), neurotoxic A1 astrocytes (positive to glial fibrillary acidic protein and complement component 3), and neurotrophic A2 astrocytes (positive to glial fibrillary acidic protein and S100 calcium-binding protein A10), that ended 15 days after FUS. Dopaminergic neurons and axonal projections decreased but recuperated basal values on day 15 after transfection, correlating with a decrease and recovery of locomotor behavior. In conclusion, FUS caused transient neuroinflammation and reversible neuronal affection but allowed systemic and intranasal transfection of dopaminergic neurons in both substantiae nigrae. Therefore, FUS could advance neurotensin-polyplex nanotechnology to clinical trials for Parkinson's disease.
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Affiliation(s)
- Juan U Mascotte-Cruz
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Av. Instituto Politécnico Nacional No. 2508, San Pedro Zacatenco, 07360, Ciudad de México, México
| | - Arturo Vera
- Departamento de Ingeniería Eléctrica-Bioelectrónica, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Ciudad de Mexico, México
| | - Lorenzo Leija
- Departamento de Ingeniería Eléctrica-Bioelectrónica, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Ciudad de Mexico, México
| | - Francisco E Lopez-Salas
- Departamento de Biología Molecular y Biotecnología, Instituto de Investigaciones Biomédicas, Universidad Nacional Autónoma de México Instituto de Investigaciones Biomédicas, Ciudad de Mexico, México
| | - Michael Gradzielski
- Institut für Chemie, Stranski-Laboratorium für Physikalische und Theoretische Chemie, Technische Universität Berlin, Berlin, Germany
| | - Joachim Koetz
- Institut für Chemie , Universität Potsdam, Potsdam, Germany
| | - Bismark Gatica-García
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Av. Instituto Politécnico Nacional No. 2508, San Pedro Zacatenco, 07360, Ciudad de México, México
- Nanoparticle Therapy Institute, Aguascalientes, México
| | | | - Irais E Valenzuela-Arzeta
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Av. Instituto Politécnico Nacional No. 2508, San Pedro Zacatenco, 07360, Ciudad de México, México
| | - Lourdes Escobedo
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Av. Instituto Politécnico Nacional No. 2508, San Pedro Zacatenco, 07360, Ciudad de México, México
| | | | - M E Gutierrez-Castillo
- Centro Interdisciplinario de Investigaciones y Estudios Sobre Medio Ambiente y Desarrollo, Departamento de Biociencias e Ingeniería, Instituto Politécnico Nacional, Ciudad de Mexico, México
| | - Minerva Maldonado-Berny
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Av. Instituto Politécnico Nacional No. 2508, San Pedro Zacatenco, 07360, Ciudad de México, México
| | - Armando J Espadas-Alvarez
- Centro Interdisciplinario de Investigaciones y Estudios Sobre Medio Ambiente y Desarrollo, Departamento de Biociencias e Ingeniería, Instituto Politécnico Nacional, Ciudad de Mexico, México
| | - Carlos E Orozco-Barrios
- CONAHCYT - Unidad de Investigaciones Médicas en Enfermedades Neurológicas, Hospital de Especialidades "Dr. Bernardo Sepúlveda", Centro Médico Nacional Siglo XXI, Instituto Mexicano del Seguro Social, Ciudad de Mexico, México
| | - Daniel Martinez-Fong
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Av. Instituto Politécnico Nacional No. 2508, San Pedro Zacatenco, 07360, Ciudad de México, México.
- Nanoparticle Therapy Institute, Aguascalientes, México.
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