Journal of microbiology, epidemiology and immunobiologyJournal of microbiology, epidemiology and immunobiologyЖурнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии0372-93112686-7613Central Research Institute for Epidemiology1862610.36233/0372-9311-575rnweceORIGINAL RESEARCHESОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯResearch ArticleSelective suppression of influenza A/H5N1 virus replication in vitro using nanocomplexes consisting of siRNA and aminopropylsilanol nanoparticlesСелективное подавление репликации вируса гриппа A/H5N1 in vitro с помощью нанокомплексов, состоящих из siRNA и наночастиц аминопропилсиланолаhttps://orcid.org/0000-0002-7108-9036RepkovaMarina N.РепковаМарина Николаевна
Russian Federation

Cand. Sci. (Chem.), researcher, Laboratory of nucleic acids

к. х. н., н. с. лаб. нуклеиновых кислот

zarytova@niboch.ncs.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2423-3805LevinaAsya S.ЛевинаАся Сауловна
Russian Federation

Cand. Sci. (Chem.), senior researcher, Laboratory of nucleic acids

к. х. н., с. н. с. лаб. нуклеиновых кислот

zarytova@niboch.ncs.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8164-4091MazurkovOleg Yu.МазурковОлег Юрьевич
Russian Federation

Cand. Sci. (Biol.), researcher, Department of prevention and treatment of especially dangerous infections

к. б. н., н. с. отдела профилактики и лечения особо опасных инфекций

zarytova@niboch.ncs.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5146-8979MakarevichElena V.МакаревичЕлена Викторовна
Russian Federation

researcher, Department of prevention and treatment of especially dangerous infections

н. с. отдела профилактики и лечения особо опасных инфекций

zarytova@niboch.ncs.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9554-4462FilippovaEkaterina I.ФилипповаЕкатерина Игоревна
Russian Federation

Cand. Sci. (Biol.), researcher, Department of prevention and treatment of especially dangerous infections

к. б. н., н. с. отдела профилактики и лечения особо опасных инфекций

zarytova@niboch.ncs.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1896-2684MazurkovaNatalya A.МазурковаНаталья Алексеевна
Russian Federation

D. Sci. (Biol.), leading researcher, Department of prevention and treatment of especially dangerous infections

д. б. н., в. н. с. отдела профилактики и лечения особо опасных инфекций

zarytova@niboch.ncs.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9579-9972ZarytovaValentina F.ЗарытоваВалентина Филипповна
Russian Federation

D. Sci. (Chem.), leading researcher, Laboratory of nucleic acids

д. х. н., г. н. с. лаб. нуклеиновых кислот

zarytova@niboch.ncs.ruInstitute of Chemical Biology and Fundamental MedicineИнститут химической биологии и фундаментальной медициныState Research Center of Virology and Biotechnology “Vector”Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор»14122024101679480215082024Copyright ©; 2024, Repkova M.N., Levina A.S., Mazurkov O.Y., Makarevich E.V., Filippova E.I., Mazurkova N.A., Zarytova V.F.Copyright ©; 2024, Репкова М.Н., Левина А.С., Мазурков О.Ю., Макаревич Е.В., Филиппова Е.И., Мазуркова Н.А., Зарытова В.Ф.2024Repkova M.N., Levina A.S., Mazurkov O.Y., Makarevich E.V., Filippova E.I., Mazurkova N.A., Zarytova V.F.Репкова М.Н., Левина А.С., Мазурков О.Ю., Макаревич Е.В., Филиппова Е.И., Мазуркова Н.А., Зарытова В.Ф.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://microbiol.crie.ru/jour/article/view/18626

Relevance. Studies on model systems have confirmed the effectiveness of antisense oligonucleotides, including those that contain photoactive groups, for the modification of nucleic acids. However, this strategy has not yet found wide application due to the lack of successful methods for the intracellular delivery. The development of effective preparations capable of acting on target nucleic acids in cells is an urgent task.

The aim of the study is to create nanocomplexes consisting of aminopropylsilanol nanoparticles and short interfering RNA (siRNA) to study their effect on target nucleic acids by the example of inhibition of influenza A virus replication in vitro.

Materials and methods. MDCK cells, influenza virus A/chicken/Kurgan/05/2005 (A/H5N1), aminopropylsilanol nanoparticles, and native and modified siRNA molecules.

Results and discussion. We have prepared unique Si~NH2/siRNA nanocomplexes, which consist of aminopropylsilanol nanoparticles and siRNA molecules, which enable cell penetration and selective interaction with target nucleic acids, respectively. The antiviral activity of the proposed nanocomplexes has been studied on MDCK cells infected with the influenza A/H5N1 virus. It has been shown that the double-stranded siRNA molecules in the nanocomplexes, which act by the RNA interference mechanism, are more efficient in inhibiting the replication of the influenza virus than the corresponding single-stranded RNA fragments. The most effective nanocomplex that contained siRNA targeted at the chosen region of mRNA segment 5 of the viral genome reduced virus replication in the culture by a factor of 630. We have shown that non-agglomerated and water-soluble aminopropylsilanol nanoparticles are low-toxic, capable of delivering siRNA into cells and protecting siRNA in the Si~NH2/siRNA nanocomplexes from hydrolysis by cellular nucleases.

Conclusion. The biological activity of the created nanocomplexes has been demonstrated by the example of highly effective selective suppression of influenza A/chicken/Kurgan/05/2005 virus replication in the cellular system.

Актуальность. Вирусы гриппа, относящиеся к семейству Orthomyxoviridae, широко распространены в природе и часто являются причиной возникновения пандемий. Появление новых штаммов вируса, устойчивых к лекарственным препаратам, вызывает потребность в разработке новых эффективных лекарственных форм, селективно действующих на вирусы гриппа А.

Цель работы — создание нанокомплексов, состоящих из наночастиц аминопропилсиланола (АПС) и малых интерферирующих РНК (siRNA), и исследование их воздействия на нуклеиновые кислоты-мишени на примере ингибирования репликации вируса гриппа А в клеточной системе.

Материалы и методы. В работе использовали клетки MDCK, вирус гриппа A/chicken/Kurgan/05/2005 (A/H5N1), наночастицы АПС, нативные и модифицированные молекулы siRNA.

Результаты и обсуждение. Созданы уникальные нанокомплексы Si~NH2/siRNA, состоящие из наночастиц АПС и иммобилизованных на них молекул siRNA, обеспечивающих соответственно проникновение в клетки и селективное взаимодействие с нуклеиновыми кислотами-мишенями. Противовирусную активность предложенных нанокомплексов исследовали на клетках MDCK, заражённых вирусом гриппа A/H5N1. Показано, что двухцепочечные молекулы siRNA в составе нанокомплексов, действующие по механизму РНК-интерференции, более эффективно подавляют репликацию вируса гриппа по сравнению с соответствующими одноцепочечными фрагментами РНК. Наиболее эффективный нанокомплекс, содержащий siRNA, нацеленную на выбранный участок 5-го сегмента мРНК вирусного генома, снижал репликацию вируса гриппа А в культуре клеток в 630 раз. Показано, что неагломерированные, растворимые в водных растворах наночастицы АПС являются малотоксичными, способными доставлять siRNA в клетки и защищать siRNA в составе нанокомплексов Si~NH2/siRNA от гидролиза клеточными нуклеазами.

Заключение. Продемонстрирована высокая биологическая активность созданных нанокомплексов на примере селективного и высокоэффективного подавления репликации вируса гриппа A/chicken/Kurgan/05/2005 в клеточной системе.

aminopropylsilanol nanoparticlesnanocomplexessiRNAantiviral activityinfluenza A/H5N1 virusнаночастицы аминопропилсиланолананокомплексыsiRNAпротивовирусная активностьвирус гриппа A/H5N1Российский Научный ФондRussian Science Foundation23-25-00230Belgrad J., Fakih H.H., Khvorova A. Nucleic acid therapeutics: successes, milestones, and upcoming innovation. Nucl. Acid Ther. 2024;34(2):52–72. DOI: https://doi.org/10.1089/nat.2023.0068Singh L., Kruger H.G., Maguire G.E.M., et al. The role of nanotechnology in the treatment of viral infections. Ther. Adv. Infect. Dis. 2017;4(4):105–31. DOI: https://doi.org/10.1177/2049936117713593Springer A.D., Dowdy S.F. GalNAc-siRNA conjugates: leading the way for delivery of RNAi therapeutics. Nucl. Acid Ther. 2018;28(3):109–19. DOI: https://doi.org/10.1089/nat.2018.0736Adesina S.K., Akala E.O. Nanotechnology approaches for the delivery of exogenous siRNA for HIV therapy. Mol. Pharm. 2015;12(12):4175–87. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.molpharmaceut.5b00335Anwar S., Mir F., Yokota T. Enhancing the effectiveness of oligonucleotide therapeutics using cell-penetrating peptide conjugation, chemical modification, and carrier-based delivery strategies. Pharmaceutics 2023;15(4):1130. DOI: https://doi.org/10.3390/pharmaceutics15041130Kaczmarek J.C., Kowalski P.S., Anderson D.G. Advances in the delivery of RNA therapeutics: from concept to clinical reality. Genome Med. 2017;9(1):60. DOI: https://doi.org/10.1186/s13073-017-0450-0Uchida S., Perche F., Pichon C., Cabral H. Nanomedicine-based approaches for mRNA delivery. Mol. Pharm. 2020;17(10):3654–84. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.molpharmaceut.0c00618Hajj K.A., Whitehead K.A. Tools for translation: non-viral materials for therapeutic mRNA delivery. Nat. Rev. Mater 2017;2(10): 1–17. DOI: https://doi.org/10.1038/natrevmats.2017.56Sato Y., Okabe N., Note Y., et al. Hydrophobic scaffolds of pH-sensitive cationic lipids contribute to miscibility with phospholipids and improve the efficiency of delivering short interfering RNA by small-sized lipid nanoparticles. Acta Biomater. 2020;102(15):341–50. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.11.022Cox A., Lim S.A., Chung E.J. Strategies to deliver RNA by nanoparticles for therapeutic potential. Mol. Aspect. Med. 2022;83:100991. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mam.2021.100991Levina A.S., Repkova M.N., Netesova N.A., et al. Substantial antiviral potential of deoxyribozymes fixed on anatase nanoparticles against influenza A viruses in vitro and in vivo. J. Pharm. Sci. 2024;113(5):1202–8. DOI: https://doi.org/10.1016/j.xphs.2023.10.028Repkova M.N., Levina A.S., Ismagilov Z.R., et al. Effective inhibition of newly emerged A/H7N9 virus with oligonucleotides targeted to conserved regions of the virus genome. Nucleic Acid Ther. 2021;31(6):436–42. DOI: https://doi.org/10.1089/nat.2021.0061Levina A., Repkova M., Shikina N., et al. Pronounced therapeutic potential of oligonucleotides fixed on inorganic nanoparticles against highly pathogenic H5N1 influenza A virus in vivo. Eur. J. Pharm. Biopharm. 2021;162:92–8. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ejpb.2021.03.006Levina A., Repkova M., Kupryushkin M., et al. In vivo hypotensive effect of aminosilanol-based nanocomposites bearing antisense oligonucleotides. J. Drug Deliv. Sci. Technol. 2022;75:103612. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jddst.2022.103612Levina A.S., Repkova M.N., Shikina N.V., et al. Non-agglomerated silicon–organic nanoparticles and their nanocomplexes with oligonucleotides: synthesis and properties. Beilstein J. Nanotechnol. 2018;9:2516–25. DOI: https://doi.org/10.3762/bjnano.9.234Репкова М.Н., Мазурков О.Ю., Филиппова E.И. и др. Олигорибонуклеотид-содержащие нанокомплексы на основе наночастиц аминопропилсиланола как эффективные ингибиторы репликации вируса гриппа А. Вестник Московского университета. Серия 16: Биология. 2023;78(4): 267–72. Repkova M.N., Mazurkov O.YU., Filippova E.I., et al. Oligoribonucleotide-containing nanocomplexes based on aminopropylsilanol nanoparticles as effective inhibitors of influenza A virus replication. Herald of Moscow University. Series 16: Biology. 2023;78(4):267–72. DOI: https://doi.org/10.55959/MSU0137-0952-16-78-4-8 EDN: https://elibrary.ru/bqvsftLiu Y., Lou C., Yang H., et al. Silica nanoparticles as promising drug/gene delivery carriers and fluorescent nano-probes: recent advances. Curr. Cancer Drug Targets. 2011;11(2):156–63. DOI: https://doi.org/10.2174/156800911794328411Liu Y., Lou C., Yang H., et al. Silica nanoparticles as promising drug/ gene delivery carriers and fluorescent nano-probes: recent advances. Curr. Cancer Drug Targets. 2011;11(2):156–63. DOI: https://doi.org/10.2174/156800911794328411Portela A., Digard P. The influenza virus nucleoprotein: a multifunctional RNA-binding protein pivotal to virus replication. J. Gen. Virol. 2002;83(Pt. 4):723–34. DOI: https://doi.org/10.1099/0022-1317-83-4-723Ge Q., McManus M.T., Nguyen T., et al. RNA interference of influenza virus production by directly targeting mRNA for degradation and indirectly inhibiting all viral RNA transcription. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2003;100(5):2718–23. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.0437841100Khantasup K., Kopermsub P., Chaichoun K., Dharakul T. Targeted small interfering RNA-immunoliposomes as a promising therapeutic agent against highly pathogenic Avian Influenza A (H5N1) virus infection. Antimicrob. Agents Chemother. 2014;58(5):2816–24. DOI: https://doi.org/10.1128/AAC.02768-13Stoppani E., Bassi I., Dotti S., et al. Expression of a single siRNA against a conserved region of NP gene strongly inhibits in vitro replication of different influenza A virus strains of avian and swine origin. Antiviral. Res. 2015;120:16–22. DOI: https://doi.org/10.1016/j.antiviral.2015.04.017Volkov A.A., Kruglova N.S., Meschaninova M.I., et al. Selective protection of nuclease-sensitive sites in siRNA prolongs silencing effect. Oligonucleotides. 2009;19(2):191–202. DOI: https://doi.org/10.1089/oli.2008.0162Petrova Kruglova N.S., Meschaninova M.I., Venyaminova A.G., et al. 2′-O-methyl-modified anti-MDR1 fork-siRNA duplexes exhibiting high nuclease resistance and prolonged silencing activity. Oligonucleotides. 2010;20(6):297–308. DOI: https://doi.org/10.1089/oli.2010.0246Anwar S., Mir F., Yokota T. Enhancing the effectiveness of oligonucleotide therapeutics using cell-penetrating peptide conjugation, chemical modification, and carrier-based delivery strategies. Pharmaceutics. 2023;15(4):1130. DOI: https://doi.org/10.3390/pharmaceutics15041130Crooke S.T., Baker B.F., Crooke R.M., Liang X.H. Antisense technology: an overview and prospectus. Nat. Rev. Drug Discov. 2021;20(6):427–53. DOI: https://doi.org/10.1038/s41573-021-00162-zFàbrega C., Aviñó A., Navarro N., et al. Lipid and peptide-oligonucleotide conjugates for therapeutic purposes: from simple hybrids to complex multifunctional assemblies. Pharmaceutics. 2023;15(2):320. DOI: https://doi.org/10.3390/pharmaceutics15020320Setten R.L., Rossi J.J., Han S.P. The current state and future directions of RNAi-based therapeutics. Nat. Rev. Drug Discov. 2019;18(6):421–46. DOI: https://doi.org/10.1038/s41573-019-0023-6.Chernikov I.V., Vlassov V.V., Chernolovskaya E.L. Current development of siRNA bioconjugates: from research to the clinic. Front. Pharmacol. 2019;11:444. DOI: https://doi.org/10.3389/fphar.2019.00444Anguela X.M., High K.A. Entering the modern era of gene therapy. Annu. Rev. Med. 2019;70:273–88. DOI: https://doi.org/10.1146/annurev-med-012017-043332