Focused ultrasound on the substantia nigra enables safe neurotensin-polyplex nanoparticle-mediated gene delivery to dopaminergic neurons intranasally and by blood circulation
Juan U. Mascotte-Cruz,
Arturo Vera,
Lorenzo Leija,
Francisco E. Lopez-Salas,
Michael Gradzielski,
Joachim Koetz,
Bismark Gatica-García,
C. P. Rodríguez-Oviedo,
Irais E. Valenzuela-Arzeta,
Lourdes Escobedo,
David Reyes-Corona,
ME. Gutierrez-Castillo,
Minerva Maldonado-Berny,
Armando J. Espadas-Alvarez,
Carlos E. Orozco-Barrios,
Daniel Martinez-Fong
Affiliations
Juan U. Mascotte-Cruz
Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados
Arturo Vera
Departamento de Ingeniería Eléctrica-Bioelectrónica, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados
Lorenzo Leija
Departamento de Ingeniería Eléctrica-Bioelectrónica, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados
Francisco E. Lopez-Salas
Departamento de Biología Molecular y Biotecnología, Instituto de Investigaciones Biomédicas, Universidad Nacional Autónoma de México Instituto de Investigaciones Biomédicas
Michael Gradzielski
Institut für Chemie, Stranski-Laboratorium für Physikalische und Theoretische Chemie, Technische Universität Berlin
Joachim Koetz
Institut für Chemie , Universität Potsdam
Bismark Gatica-García
Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados
C. P. Rodríguez-Oviedo
Nanoparticle Therapy Institute
Irais E. Valenzuela-Arzeta
Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados
Lourdes Escobedo
Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados
David Reyes-Corona
Nanoparticle Therapy Institute
ME. Gutierrez-Castillo
Centro Interdisciplinario de Investigaciones y Estudios Sobre Medio Ambiente y Desarrollo, Departamento de Biociencias e Ingeniería, Instituto Politécnico Nacional
Minerva Maldonado-Berny
Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados
Armando J. Espadas-Alvarez
Centro Interdisciplinario de Investigaciones y Estudios Sobre Medio Ambiente y Desarrollo, Departamento de Biociencias e Ingeniería, Instituto Politécnico Nacional
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
Daniel Martinez-Fong
Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados
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.
