Delivery of nucleic acid is a promising approach for genetic diseases/disorders. However, gene therapy using oligonucleotides (ONs) suffers from low transfection efficacy due to negative charges, weak cellular permeability, and enzymatic degradation. Thus, cell-penetrating peptide (CPP), is a short cationic peptide, is used to improve the cell transfection. In this thesis, new strategies for gene transfection using the CPP vectors in complex with ONs without and with nanoparticles, such as magnetic nanoparticles (MNPs, Fe₃O₄), and graphene oxide (GO), are investigated. Furthermore, the possible CPP uptake signalling pathways are also discussed.

A fragment quantitative structure-activity relationship (FQSAR) model is applied to predict new effective peptides for plasmid DNA transfection. The best-predicted peptides were able to transfect plasmids with significant enhancement compared to the other peptides. CPPs (PeptFect220 (denoted PF220), PF221, PF222, PF223, PF224) generated from the FQSAR, and standard PF14 were able to form self-assembled complexes with MNPs and GO. The formed new hybrid vectors improved the cell transfection for plasmid (pGL3), splicing correcting oligonucleotides (SCO), and small interfering RNA (siRNA). These vectors showed high cell biocompatibility and offered high transfection efficiency (> 4-fold for MNPs, 10–25-fold for GO) compared to PF14/SCO complex, which was before reported with a higher efficacy compared to the commercial lipid-based transfection vector Lipofectamine™2000. The high transfection efficiency of the novel complexes (CPP/ON/MNPs and CPP/ON/GO) may be due to their low cytotoxicity, and the synergistic effect of MNPs, GO, and CPPs. In vivo gene delivery using PF14/pDNA/MNPs was also reported. The assembly of CPPs/ON with MNPs or GO is promising and may open new venues for potent and selective gene therapy using external stimuli. The uptake signaling pathways using CPPs vectors, the RNA expression profile for PF14, with and without ON were investigated using RNA sequencing and qPCR analysis. Data showed that the signaling pathways are due to the regulation of autophagy-related genes. Our study revealed that the autophagy regulating proteins are concentration-dependent. Confocal microscopy and transmission electron microscopy have demonstrated the autophagy initiation and colocalization of ON with autophagosomes. Results showed that the cellular uptake of CPP-based transfection activates the autophagy signaling pathway. These findings may open new opportunities to use autophagy modifiers in gene therapy.

Genterapi med hjälp av av oligonukleotider (ON) har en enorm potential för behandling av olika genetiska sjukdomar. För att ha terapeutisk effekt måste dock oligonukleotiderna nå in i cellen och detta försvåras på grund av deras negativa laddningar och snabba nedbrytning. Cellpenetrerande peptider (CPP), är korta katjoniska peptider, som kan användas för att förbättra det cellulära upptaget (transfektionen) av oligonukleotider. I denna avhandling undersöks nya strategier för hur CPP tillsammans med magnetiska nanopartiklar, såsom MNP och Fe3O4, eller grafenoxid (GO) nanopartiklar, kan möjliggöra effektivare transfektion av ON.  Vidare studeras även de möjliga cellulära signalvägar som reglerar CPP-medierat upptag.

En så kallad ”fragment quantitative structure-activity relationship” (FQSAR) modell  användes för att förutsäga nya effektiva CPP för leverans av plasmider (ringformade DNA-molekyler med omkring 5000 nukleotidbaspar). De bäst prediktade peptiderna visade en signifikant ökad transfektionsförmåga jämfört med den tidigare använda peptiden PeptFect 14 (PF14). De nya peptiderna PF220, PF221, PF222, PF223 och PF224 som identifierades med FQSAR kunde dessutom bilda självmonterande komplex med MNP eller GO nanopartiklar. I cellulära försök uppvisade dessa nya hybridvektorer (CPP/MNP och CPP/GO) en klart förbättrad transfektionsförmåga av såväl plasmider, som splitsningskorrigerande oligonukleotider (SCO) och små interfererande RNA (siRNA), jämfört med PF14-nanopartikel hybridvektorer, såväl som den kommersiella lipidbaserade transfektionsvektorn Lipofectamine™ 2000. Den höga transfektionseffektiviteten hos dessa nya hybridvektorer beror troligen på deras låga cellulära toxicitet och en möjlig synergistisk effekt vid kombinationen av CPP och MNP/GO nanopartiklar. Förmågan hos en CPP/MNP hybridvektor att levera plasmider in vivo undersöktes också och transfektion av celler i såväl lunga och mjälte i behandlade djur kunde påvisas. Dessa nya hybridvektorer utgör således en ny lovande strategi för leverans av ON vid genterapi.

För att kartlägga de signalvägar som kontrollerar upptaget av CPP-baserade vektorer analyserades  genuttrycket hos celler som transfekterats med PF14 eller PF14-ON, med hjälp av  RNA-sekvensering och qPCR-analys. Resultaten påvisade att en ökning i uttrycket av flera autofagirelaterade gener sker tidigt vid transfektionen. Konfokal- och transmissionselektronmikroskopi demonstrerade vidare en ökad initiering av autofagi och samlokalisering av ON med autofagosomer. Detta visar att CPP-medierad transfektion aktiverar signalvägar som stryr autofagi och öppnar nya möjligheter att använda autofagimodifierare för att förbättra genterapi.