Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2 Non-viral Options for In Vitro Gene Delivery into Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.1
Naked DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2
Compacted DNA (DNA NPs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.3
Liposomes and Lipoplexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4
NP-Based Gene Delivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3 Types of NPs Used for In Vitro Gene Delivery into Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1
Inorganic NPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2
Organic NPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3
Composite NPs and Other NPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4 Application of NPs in Stem Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.1
NP-Based Gene Delivery for Stem Cell Isolation and Culture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2
NP-Based Gene Delivery for Inducing Differentiation of Stem Cells . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3
Stem Cells as Carriers of NPs or DNA NPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5 NP-Based Gene Delivery for Transgenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1
NP-Based Gene Delivery into Sperm (nanoSMGT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2
NP-Based Gene Delivery into Oocytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.3
NP-Based Gene Delivery into Embryos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6 Factors Affecting Gene Delivery Efficiency of NPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.1
Cell Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2
Cell Cycle Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.3
Cell Culture Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.4
Cell Density and Passaging . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.5
DNA (Vector Design) Quality and Quantity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.6
NP Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.7
NP:DNA Ratio (Nitrogen:Phosphate Ratio), Concentration and Incubation Period 76
6.8
Controlled Intracellular Release of DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.9
Cytotoxicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.10 Stability, Storage and Shelf-Life of NPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
1 Introduction
Genes can be introduced into mammalian cells primarily by two methods: non-viral
and viral vector methods. The viral vector method is very efficient in gene delivery
but carries safety risks and could be a biohazard. Integration and accidental
re-activation of viral vectors into the host genome may result in aberrant gene
expression, immune reaction and carcinogenesis. Possible recombination of viral
vector with endogenous retroviral sequences may also form a self-replicative virus
to cause diseases or induce mutations. Non-viral gene delivery methods are therefore, attractive. Electroporation and lipid-based gene delivery (lipofection) have
been a common methodology for years. However, in recent years, nanoparticle
(NP)-based gene delivery methods have aroused intense interest among researchers
owing to their convenience in manufacturing, handling and use (Fig. 1). The
versatility of the nanotechnology platform has allowed tailoring of NPs for their
size, contents and surface electronic properties by relatively simple physical and/or
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P. Pushp et al.
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2 Non-viral Options for In Vitro Gene Delivery into Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.1
Naked DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2
Compacted DNA (DNA NPs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.3
Liposomes and Lipoplexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4
NP-Based Gene Delivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3 Types of NPs Used for In Vitro Gene Delivery into Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1
Inorganic NPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2
Organic NPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3
Composite NPs and Other NPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4 Application of NPs in Stem Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.1
NP-Based Gene Delivery for Stem Cell Isolation and Culture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2
NP-Based Gene Delivery for Inducing Differentiation of Stem Cells . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3
Stem Cells as Carriers of NPs or DNA NPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5 NP-Based Gene Delivery for Transgenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1
NP-Based Gene Delivery into Sperm (nanoSMGT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2
NP-Based Gene Delivery into Oocytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.3
NP-Based Gene Delivery into Embryos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6 Factors Affecting Gene Delivery Efficiency of NPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.1
Cell Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2
Cell Cycle Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.3
Cell Culture Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.4
Cell Density and Passaging . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
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DNA (Vector Design) Quality and Quantity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.6
NP Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.7
NP:DNA Ratio (Nitrogen:Phosphate Ratio), Concentration and Incubation Period 76
6.8
Controlled Intracellular Release of DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.9
Cytotoxicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.10 Stability, Storage and Shelf-Life of NPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
1 Introduction
Genes can be introduced into mammalian cells primarily by two methods: non-viral
and viral vector methods. The viral vector method is very efficient in gene delivery
but carries safety risks and could be a biohazard. Integration and accidental
re-activation of viral vectors into the host genome may result in aberrant gene
expression, immune reaction and carcinogenesis. Possible recombination of viral
vector with endogenous retroviral sequences may also form a self-replicative virus
to cause diseases or induce mutations. Non-viral gene delivery methods are therefore, attractive. Electroporation and lipid-based gene delivery (lipofection) have
been a common methodology for years. However, in recent years, nanoparticle
(NP)-based gene delivery methods have aroused intense interest among researchers
owing to their convenience in manufacturing, handling and use (Fig. 1). The
versatility of the nanotechnology platform has allowed tailoring of NPs for their
size, contents and surface electronic properties by relatively simple physical and/or
52
P. Pushp et al.