| 
							
      					 | 
  					 
  					
    					 | 
   					 
   										
    					Molecular engineering of dendrimer nanovectors for siRNA delivery and gene silencing  | 
  					 
  					  										
						Yu Cao1, Xiaoxuan Liu2, Ling Peng1( ) | 
					 
															
						1. Aix-Marseille Université, CNRS, Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille, UMR 7325, Equipe Labellisée Ligue Contre le Caner, 13288 Marseille, France 2. State Key Laboratory of Natural Medicines and Jiangsu Key Laboratory of Drug Discovery for Metabolic Diseases, Center of Drug Discovery, Center of Advanced Pharmaceuticals and Biomaterials, China Pharmaceutical University, Nanjing 210009, China | 
					 
										
						 | 
					 
				 
				
				
					
						
							
								
									
		
		 
          
          
            
              
				
								                
													
													    | 
													    	
														 | 
													 
													
													
													
														
															
													
													    | 
													     		                            						                            																	    Abstract  Small interfering RNA (siRNA) therapeutics hold great promise to treat a variety of diseases, as long as they can be delivered safely and effectively into cells. Dendrimers are appealing vectors for siRNA delivery by virtue of their well-defined molecular architecture and multivalent cooperativity. However, the clinical translation of RNA therapeutics mediated by dendrimer delivery is hampered by the lack of dendrimers that are of high quality to meet good manufacturing practice standard. In this context, we have developed small amphiphilic dendrimers that self-assemble into supramolecular structures, which mimic high-generation dendrimers synthesized with covalent construction, yet are easy to produce in large amount and superior quality. Indeed, the concept of supramolecular dendrimers has proved to be very promising, and has opened up a new avenue for dendrimer-mediated siRNA delivery. A series of self-assembling supramolecular dendrimers have consequently been established, some of them out-performing the currently available nonviral vectors in delivering siRNA to various cell types in vitro and in vivo, including human primary cells and stem cells. This short review presents a brief introduction to RNAi therapeutics, the obstacles to their delivery and the advantages of dendrimer delivery vectors as well as our bio-inspired structurally flexible dendrimers for siRNA delivery. We then highlight our efforts in creating self-assembling amphiphilic dendrimers to construct supramolecular dendrimer nanosystems for effective siRNA delivery as well as the related structural alterations to enhance delivery efficiency. The advent of self-assembling supramolecular dendrimer nanovectors holds great promise and heralds a new era of dendrimer-mediated delivery of RNA therapeutics in biomedical applications. 
																										     | 
														 
																												
												        														
															| Keywords 
																																																				gene therapy  
																		  																																				RNAi therapeutics  
																		  																																				dendrimer  
																		  																																				nanovectors  
																		  																																				gene silencing  
																																			  
															 | 
														 
																												
														 																											    														
															| 
																																Corresponding Author(s):
																Ling Peng   
																													     		
													     	 | 
														 
																																										
															| 
																															Just Accepted Date: 12 January 2017  
																																														Online First Date: 31 March 2017   
																																														Issue Date: 06 November 2017
																														 | 
														 
														 
                                                         | 
														 
														 
														
														
														
												 
												
												
                                                    
													
								             
                                             
            
					            
								            								            
								            								                                                        
								            
								                
																																												
															| 1 | 
															 
														     Bobbin M L, Rossi J J. RNA interference (RNAi)-based therapeutics: Delivering on the promise? Annual Review of Pharmacology and Toxicology, 2016, 56(1): 103–122
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1146/annurev-pharmtox-010715-103633
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 2 | 
															 
														     Haussecker D, Kay M A. Drugging RNAi. Science, 2015, 347(6226): 1069–1070
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1126/science.1252967
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 3 | 
															 
														     Crunkhorn S. Trial watch: Pioneering RNAi therapy shows antitumour activity in humans. Nature Reviews. Drug Discovery, 2013, 12(3): 178–178
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1038/nrd3962
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 4 | 
															 
														     Castanotto D, Rossi J J. The promises and pitfalls of RNA-interference-based therapeutics. Nature, 2009, 457(7228): 426–433
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1038/nature07758
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 5 | 
															 
														     Fire A, Xu S, Montgomery M K, Kostas S A, Driver S E, Mello C C. Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature, 1998, 391(6669): 806–811
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1038/35888
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 6 | 
															 
														     Bernstein E, Caudy A A, Hammond S M, Hannon G J. Role for a bidentate ribonuclease in the initiation step of RNA interference. Nature, 2001, 409(6818): 363–366
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1038/35053110
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 7 | 
															 
														     Ameres S L, Martinez J, Schroeder R. Molecular basis for target RNA recognition and cleavage by human RISC. Cell, 2007, 130(1): 101–112
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1016/j.cell.2007.04.037
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 8 | 
															 
														     Hutvágner G, Zamore P D. A microRNA in a multiple-turnover RNAi enzyme complex. Science, 2002, 297(5589): 2056–2060
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1126/science.1073827
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 9 | 
															 
														     Yin H, Kanasty R L, Eltoukhy A A, Vegas A J, Dorkin J R, Anderson D G. Non-viral vectors for gene-based therapy. Nature Reviews. Genetics, 2014, 15(8): 541–555
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1038/nrg3763
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 10 | 
															 
														     Kanasty R, Dorkin J R, Vegas A, Anderson D. Delivery materials for siRNA therapeutics. Nature Materials, 2013, 12(11): 967–977
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1038/nmat3765
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 11 | 
															 
														     Whitehead K A, Langer R, Anderson D G. Knocking down barriers: Advances in siRNA delivery. Nature Reviews. Drug Discovery, 2009, 8(2): 129–138
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1038/nrd2742
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 12 | 
															 
														     Liu X, Rocchi P, Peng L. Dendrimers as non-viral vectors for siRNA delivery. New Journal of Chemistry, 2012, 36(2): 256–263
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1039/C1NJ20408D
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 13 | 
															 
														     Ravina M, Paolicelli P, Seijo B, Sanchez A. Knocking down gene expression with dendritic vectors. Mini-Reviews in Medicinal Chemistry, 2010, 10(1): 73–86
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.2174/138955710791112569
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 14 | 
															 
														     Tomalia D A, Christensen J B, Boas U. Dendrimers, Dendrons, and Dendritic Polymers: Discovery, Applications, and the Future.London: Cambridge University Press, 2012, 100–105
														     															 | 
																  
																														
															| 15 | 
															 
														     Walter M V, Malkoch M. Simplifying the synthesis of dendrimers: Accelerated approaches. Chemical Society Reviews, 2012, 41(13): 4593–4609
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1039/c2cs35062a
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 16 | 
															 
														     Tomalia D A B H, Dewald J, Hall M, Kallos G, Martin S, Roeck J, Ryder J, Smith P. A new class of polymers: Starburst-dendritic macromolecules. Polymer Journal, 1985, 17(1): 117–132
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1295/polymj.17.117
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 17 | 
															 
														     Haensler J, Szoka F C. Polyamidoamine cascade polymers mediate efficient transfection of cells in culture. Bioconjugate Chemistry, 1993, 4(5): 372–379
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1021/bc00023a012
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 18 | 
															 
														     Kukowska-Latallo J F, Bielinska A U, Johnson J, Spindler R, Tomalia D A, Baker J R. Efficient transfer of genetic material into mammalian cells using Starburst polyamidoamine dendrimers. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1996, 93(10): 4897–4902
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1073/pnas.93.10.4897
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 19 | 
															 
														     Eichman J D, Bielinska A U, Kukowska-Latallo J F, Baker J R Jr. The use of PAMAM dendrimers in the efficient transfer of genetic material into cells. Pharmaceutical Science & Technology Today, 2000, 3(7): 232–245
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1016/S1461-5347(00)00273-X
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 20 | 
															 
														     Guillot-Nieckowski M, Eisler S, Diederich F. Dendritic vectors for gene transfection. New Journal of Chemistry, 2007, 31(7): 1111–1127
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1039/B614877H
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 21 | 
															 
														     Mintzer M A, Simanek E E. Nonviral vectors for gene delivery. Chemical Reviews, 2009, 109(2): 259–302
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1021/cr800409e
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 22 | 
															 
														     Behr J P. The proton sponge: A trick to enter cells the viruses did not exploit. CHIMIA International Journal for Chemistry, 1997, 51(1-2): 34–36
														     															 | 
																  
																														
															| 23 | 
															 
														     Liu X, Liu C, Catapano C V, Peng L, Zhou J, Rocchi P. Structurally flexible triethanolamine-core poly(amidoamine) dendrimers as effective nanovectors to deliver RNAi-based therapeutics. Biotechnology Advances, 2014, 32(4): 844–852
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2013.08.001
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 24 | 
															 
														     Biswas S, Torchilin V. Dendrimers for siRNA delivery. Pharmaceuticals, 2013, 6(2): 161–183
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.3390/ph6020161
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 25 | 
															 
														     Kang H, DeLong R, Fisher M H, Juliano R L. Tat-conjugated PAMAM dendrimers as delivery agents for antisense and siRNA oligonucleotides. Pharmaceutical Research, 2005, 22(12): 2099–2106
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1007/s11095-005-8330-5
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 26 | 
															 
														     Zhou J, Wu J, Hafdi N, Behr J P, Erbacher P, Peng L. PAMAM dendrimers for efficient siRNA delivery and potent gene silencing. Chemical Communications, 2006, 22: 2362–2364
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1039/b601381c
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 27 | 
															 
														     Wu J, Zhou J, Qu F, Bao P, Zhang Y, Peng L. Polycationic dendrimers interact with RNA molecules: Polyamine dendrimers inhibit the catalytic activity of Candida ribozymes. Chemical Communications, 2005, 3: 313–315
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1039/b414241a
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 28 | 
															 
														     Venkatesh S, Workman J L. Histone exchange, chromatin structure and the regulation of transcription. Nature Reviews. Molecular Cell Biology, 2015, 16(3): 178–189
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1038/nrm3941
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 29 | 
															 
														     Liu X, Wu J, Yammine M, Zhou J, Posocco P, Viel S, Liu C, Ziarelli F, Fermeglia M, Pricl S, et al. Structurally flexible triethanolamine core PAMAM dendrimers are effective nanovectors for DNA transfection in vitro and in vivo to the mouse thymus. Bioconjugate Chemistry, 2011, 22(12): 2461–2473
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1021/bc200275g
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 30 | 
															 
														     Liu X, Liu C, Laurini E, Posocco P, Pricl S, Qu F, Rocchi P, Peng L. Efficient delivery of sticky siRNA and potent gene silencing in a prostate cancer model using a generation 5 triethanolamine-core PAMAM dendrimer. Molecular Pharmaceutics, 2012, 9(3): 470–481
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1021/mp2006104
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 31 | 
															 
														     Posocco P, Liu X, Laurini E, Marson D, Chen C, Liu C, Fermeglia M, Rocchi P, Pricl S, Peng L. Impact of siRNA overhangs for dendrimer-mediated siRNA delivery and gene silencing. Molecular Pharmaceutics, 2013, 10(8): 3262–3273
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1021/mp400329g
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 32 | 
															 
														     Shen X C, Zhou J, Liu X, Wu J, Qu F, Zhang Z L, Pang D W, Quelever G, Zhang C C, Peng L. Importance of size-to-charge ratio in construction of stable and uniform nanoscale RNA/dendrimer complexes. Organic & Biomolecular Chemistry, 2007, 5(22): 3674–3681
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1039/b711242d
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 33 | 
															 
														     Liu X, Rocchi P, Qu F Q, Zheng S Q, Liang Z C, Gleave M, Iovanna J, Peng L. PAMAM dendrimers mediate siRNA delivery to target Hsp27 and produce potent antiproliferative effects on prostate cancer cells. ChemMedChem, 2009, 4(8): 1302–1310
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1002/cmdc.200900076
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 34 | 
															 
														     Liu C, Liu X, Rocchi P, Qu F, Iovanna J L, Peng L. Arginine-terminated generation 4 PAMAM dendrimer as an effective nanovector for functional siRNA delivery in vitro and in vivo. Bioconjugate Chemistry, 2014, 25(3): 521–532
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1021/bc4005156
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 35 | 
															 
														     Liu X, Liu C, Chen C, Bentobji M, Cheillan F A, Piana J T, Qu F, Rocchi P, Peng L. Targeted delivery of Dicer-substrate siRNAs using a dual targeting peptide decorated dendrimer delivery system. Nanomedicine; Nanotechnology, Biology, and Medicine, 2014, 10(8): 1627–1636
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1016/j.nano.2014.05.008
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 36 | 
															 
														     Reebye V, Sætrom P, Mintz P J, Huang K W, Swiderski P, Peng L, Liu C, Liu X, Lindkær-Jensen S, Zacharoulis D, et al. Novel RNA oligonucleotide improves liver function and inhibits liver carcinogenesis in vivo. Hepatology (Baltimore, MD.), 2014, 59(1): 216–227
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1002/hep.26669
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 37 | 
															 
														     Kala S, Mak A S C, Liu X, Posocco P, Pricl S, Peng L, Wong A S T. Combination of dendrimer-nanovector-mediated small interfering RNA delivery to target akt with the clinical anticancer drug paclitaxel for effective and potent anticancer activity in treating ovarian cancer. Journal of Medicinal Chemistry, 2014, 57(6): 2634–2642
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1021/jm401907z
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 38 | 
															 
														     Cui Q, Yang S, Ye P, Tian E, Sun G, Zhou J, Sun G, Liu X, Chen C, Murai K, et al. Downregulation of TLX induces TET3 expression and inhibits glioblastoma stem cell self-renewal and tumorigenesis. Nature Communications, 2016, 7: 10637–10651
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1038/ncomms10637
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 39 | 
															 
														     Lang M F, Yang S, Zhao C, Sun G, Murai K, Wu X, Wang J, Gao H, Brown C E, Liu X, et al. Genome-wide profiling identified a set of miRNAs that are differentially expressed in glioblastoma stem cells and normal neural stem cells. PLoS One, 2012, 7(4): e36248–e36251
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1371/journal.pone.0036248
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 40 | 
															 
														     Zhou J, Neff C P, Liu X, Zhang J, Li H, Smith D D, Swiderski P, Aboellail T, Huang Y, Du Q, et al. Systemic administration of combinatorial dsiRNAs via nanoparticles efficiently suppresses HIV-1 infection in humanized mice. Molecular Therapy, 2011, 19(12): 2228–2238
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1038/mt.2011.207
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 41 | 
															 
														     Svenson S. The dendrimer paradox—High medical expectations but poor clinical translation. Chemical Society Reviews, 2015, 44(12): 4131–4144
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1039/C5CS00288E
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 42 | 
															 
														     Yu T, Liu X, Bolcato-Bellemin A L, Wang Y, Liu C, Erbacher P, Qu F, Rocchi P, Behr J P, Peng L. An amphiphilic dendrimer for effective delivery of small interfering RNA and gene silencing in vitro and in vivo. Angewandte Chemie International Edition in English, 2012, 51(34): 8478–8484
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1002/anie.201203920
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 43 | 
															 
														     Chen C, Posocco P, Liu X, Cheng Q, Laurini E, Zhou J, Liu C, Wang Y, Tang J, Col V D, et al. Mastering dendrimer self-assembly for efficient siRNA delivery: From conceptual design to in vivo efficient gene silencing. Small, 2016, 12(27): 3667–3676
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1002/smll.201503866
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 44 | 
															 
														     Márquez-Miranda V, Araya-Durán I, Camarada M B, Comer J, Valencia-Gallegos J A, González-Nilo F D. Self-assembly of amphiphilic dendrimers: The role of generation and alkyl chain length in siRNA interaction. Scientific Reports, 2016, 6: 29436–29451
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1038/srep29436
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 45 | 
															 
														     Liu X, Liu C, Zhou J, Chen C, Qu F, Rossi J J, Rocchi P, Peng L. Promoting siRNA delivery via enhanced cellular uptake using an arginine-decorated amphiphilic dendrimer. Nanoscale, 2015, 7(9): 3867–3875
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1039/C4NR04759A
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 46 | 
															 
														     Nakase I, Akita H, Kogure K, Gräslund A, Langel Ü, Harashima H, Futaki S. Efficient intracellular delivery of nucleic acid pharmaceuticals using cell-penetrating peptides. Accounts of Chemical Research, 2012, 45(7): 1132–1139
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1021/ar200256e
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 47 | 
															 
														     Liu X, Zhou J, Yu T, Chen C, Cheng Q, Sengupta K, Huang Y, Li H, Liu C, Wang Y, et al. Adaptive amphiphilic dendrimer-based nanoassemblies as robust and versatile siRNA delivery systems. Angewandte Chemie International Edition in English, 2014, 53(44): 11822–11827
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1002/anie.201406764
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 48 | 
															 
														     Percec V, Wilson D A, Leowanawat P, Wilson C J, Hughes A D, Kaucher M S, Hammer D A, Levine D H, Kim A J, Bates F S, et al. Self-assembly of Janus dendrimers into uniform dendrimersomes and other complex architectures. Science, 2010, 328(5981): 1009–1014
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1126/science.1185547
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 49 | 
															 
														     Liu X, Wang Y, Chen C, Tintaru A, Cao Y, Liu J, Ziarelli F, Tang J, Guo H, Rosas R, et al. A fluorinated bola-amphiphilic dendrimer for on-demand delivery of siRNA, via specific response to reactive oxygen species. Advanced Functional Materials, 2016, 26(47): 8594–8603
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1002/adfm.201604192
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 50 | 
															 
														     Gorrini C, Harris I S, Mak T W. Modulation of oxidative stress as an anticancer strategy. Nature Reviews. Drug Discovery, 2013, 12(12): 931–947
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1038/nrd4002
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 51 | 
															 
														     Trachootham D, Alexandre J, Huang P. Targeting cancer cells by ROS-mediated mechanisms: A radical therapeutic approach? Nature Reviews. Drug Discovery, 2009, 8(7): 579–591
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1038/nrd2803
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 52 | 
															 
														     Valentine D L. Adaptations to energy stress dictate the ecology and evolution of the Archaea. Nature Reviews. Microbiology, 2007, 5(4): 316–323
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1038/nrmicro1619
														     															     															     															 | 
																  
																														
															| 53 | 
															 
														     Chen H, Viel S, Ziarelli F, Peng L. 19F NMR: A valuable tool for studying biological events. Chemical Society Reviews, 2013, 42(20): 7971–7982
														     														     	 
														     															     		https://doi.org/10.1039/c3cs60129c
														     															     															     															 | 
																  
																																										 
								             
                                             
								                                                        
                                            
                                            
								                                                        
                                            
                                            
                                            
								            
												
											    	
											        	 | 
											        	Viewed | 
											         
													
											        	 | 
											        	 | 
											         
											      	
												         | 
												        
												        	Full text 
												          	
												         | 
											        	
												        	
												        	 
												        	
												          	 
												          	
												          	
														 | 
													 
													
												         | 
												         | 
													 
													
												         | 
												        
												        	Abstract 
												          	
														 | 
												        
															
															 
															
															
												         | 
													 
													
												         | 
												         | 
													 
													
												         | 
												        Cited  | 
												        
												        	
												         | 
													 
													
												         | 
												         | 
												         | 
													 
													
													    |   | 
													    Shared | 
													       | 
												  	 
												  	
													     | 
													     | 
													     | 
											  		 
											  		
													    |   | 
													    Discussed | 
													       | 
												  	 
											 
											 
								         
                                        
  
									 | 
								 
							 
						 | 
					 
				 
			
		 |