In vivo toxicity screening of classic Gemini and Monoolein nanoparticles using zebrafish embryos

Abstract

Gene therapy and drug delivery have evolved and gained great importance over the last years as approaches with great potential in the treatment of genetic diseases and targeted drug delivery. However, achieving efficient delivery through an appropriate vector constitutes a major challenge. Cationic liposomes are one of the most versatile non-viral vectors that have been investigated as an alternative to their viral counterparts. In this regard, their safety profile is a key feature for their validation as proficient nanovehicles for drugs or genetic material delivery to targeted cells, tissues and organisms. The ZET assay is the most often used assay to evaluate the potential toxic effects on fish embryo when exposed to xenobiotics and pharmacological compounds. The toxicity test in zebrafish embryos (Danio rerio) - ZET - is a method approved by the OECD (Organization for Economic Co-Operative Development) that has emerged as an intermediate “tool” to cumbersome and technically challenging analysis in cell culture and ethically sensitive studies in rodents. The aim of this project was to assess if different nanoparticles, constituted by mixtures of gemini [cationic surfactants of m-s-m type with different tail (m = 12 or 14) and spacer (s = 2, 5 or 12) sizes] and monoolein [neutral helper lipid], can represent any risk for the organism and its embryonic development. This analysis was supplemented by conventional cytotoxicity tests using reference cell lines. The obtained results suggest that zebrafish embryos constitute an informative and reliable in vivo model to fast-track the toxicity of lipid-based nanoparticles.

A terapia genética e entrega controlada de fármacos evoluiu e ganhou grande importância nos últimos anos como abordagens com grande potencial para o tratamento de doenças genéticas e transporte de fármacos a um alvo específico. No entanto, a sua entrega eficiente através de um vetor adequado, constitui um grande desafio. Os lipossomas catiónicos são um exemplo de vetores não virais e versáteis que têm sido estudados como uma alternativa aos seus homólogos virais. Neste contexto, o perfil de segurança das nanopartículas é uma característica essencial para a sua validação como nanoveículos eficientes para entrega de drogas ou de material genético, a células, tecidos e organismos alvo. O ensaio ZET é o mais frequentemente usado para avaliar os potenciais efeitos tóxicos em embriões de peixes quando expostos a xenobióticos e compostos farmacológicos. O teste de toxicidade em embriões de peixe-zebra (Danio rerio) - ZET - é um método aprovado pela OCDE (Organização de Cooperação para o Desenvolvimento Económico), que surgiu como uma "ferramenta" intermediária à análise complexa e tecnicamente exigente em cultura de células e estudos, eticamente sensível, em roedores. O objetivo deste projeto foi avaliar se as diferentes nanopartículas, compostas por misturas de gemini [surfactantes catiónicos do tipo m-s-m com diferentes tamanhos de cadeia (m = 12 ou 14) e espaçador (s = 2, 5 ou 12)] e monoleína [lípido neutro adjuvante], podem representar qualquer risco para o organismo e para o seu desenvolvimento embrionário. Esta análise foi complementada por testes convencionais de (cito)toxicidade, utilizando uma linha celular de referência. Os resultados obtidos sugerem que os embriões de peixe-zebra constituem um modelo in vivo informativo e fidedigno para rápida avaliação da toxicidade associada a nanopartículas constituídas à base de lípidos.