Biofysici hebben een methode ontwikkeld om het oppervlak van micro- en nanodeeltjes - kleine structuren van een duizendste tot een miljoenste millimeter - te modificeren door ze te bedekken met biologische moleculen. Op deze manier ontworpen, de deeltjes kunnen dienen als zowel therapeutische als diagnostische middelen, het leveren van medicijnen aan kankercellen.

Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces . De auteurs zijn onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT), het Instituut voor Bioorganische Chemie van de Russische Academie van Wetenschappen (IBCh RAS), National Research Nuclear University MEPhI, Sechenov Universiteit, en Macquarie University (Australië).

Rond 1900, Paul Ehrlich, de winnaar van de 1908 Nobelprijs voor fysiologie of geneeskunde, beoogde medicijnen die een component zouden hebben die ziekteverwekkers in het lichaam herkent en een andere component die op het doelwit inwerkt. Gebruikelijk, dergelijke medicijnen richten zich op receptoren op het oppervlak van de beschadigde cellen. Deze receptoren stellen het middel ook in staat de cel te herkennen. Een dergelijk universeel systeem kan worden gebruikt voor diagnostiek, therapie, of allebei. Wanneer therapie en diagnostiek worden gecombineerd, dit staat bekend als theranostica.

Om een ​​systeem te maken met een therapeutische en een diagnostische component, een "moleculaire lijm" is nodig om de twee delen bij elkaar te houden. Deze lijm kan worden gerealiseerd als eiwitten die door binding aan elkaar een stabiel complex kunnen vormen. Een van de meest stabiele complexen van deze soort is het barnase-barstar-eiwitpaar. Er is een waarde die bekend staat als de bindingsconstante die karakteriseert hoe sterk de moleculen in een complex zijn gekoppeld. De bindingsconstante van het barnase-barstar-complex is 1, 000 tot 1 miljoen keer groter dan die van de antigeen-antilichaamcomplexen, die de basis vormen van onze immuunrespons.

Barnase en barstar kunnen worden gebruikt om verschillende functionele modules voor theranostica te ontwikkelen. Bijvoorbeeld, barnase kan worden gebonden aan therapeutische middelen - antilichamen, verdovende middelen, fluorescerende moleculen, enz. - terwijl barstar kan worden gefuseerd met een targeting-agent. Dit concept werd voorgesteld door Sergey Deyev, het hoofd van het Molecular Immunology Laboratory van IBCh RAS. De twee modules worden vervolgens gecombineerd, het vormen van een bifunctionele verbinding, die therapeutische en diagnostische eigenschappen heeft, en maakt gerichte medicijnafgifte mogelijk. Door barnase en barstar te fuseren met verschillende therapeutische en diagnostische moleculen, onderzoekers kunnen een reeks theranostische middelen ontwikkelen op basis van hetzelfde principe. Deze moleculaire structuren kunnen gedragen worden op het oppervlak van nano- of microdeeltjes. De deeltjes zelf kunnen hulpeigenschappen hebben, inclusief fluorescentie of het vermogen om te worden vernietigd bij blootstelling aan straling, het doden van de omliggende schadelijke cellen, zoals kankercellen. Op een klein deeltje kunnen tientallen moleculaire structuren van verschillende typen worden afgezet. mogelijk de therapeutische effecten ervan vergroten.

Moleculaire montagekit

Het idee om nano- en microdeeltjes te gebruiken om medicijnen af ​​te leveren wordt actief onderzocht in veel laboratoria. De Russische en Australische onderzoekers ontwikkelden een op nanodeeltjes gebaseerd theranostisch middel met behulp van het barnase-barstar-eiwitcomplex en bestudeerden de eigenschappen ervan.

"De meeste van de momenteel gebruikte methoden voor het chemisch koppelen van biomoleculen aan nanodeeltjes hebben ernstige gebreken, " zegt hoofdauteur Victoria Shipunova, een onderzoeker bij het Nanobiotechnology Lab van het MIPT en een senior onderzoeker bij het Molecular Immunology Lab van het Institute of Bioorganic Chemistry. "De ruimtelijke oriëntatie van de biomoleculen is slecht gecontroleerd, en ze ondervinden problemen bij het binden aan hun doelen. De dichtheid van de gekoppelde moleculen is vrij laag, en de procedure is tijdrovend."

"We hebben een methode ontwikkeld op basis van het barnase-barstar-eiwitpaar dat de ruimtelijke structuur van de targeting-moleculen niet verandert. Twee andere voordelen zijn de hoge specificiteit en snelle koppeling:het duurt slechts enkele minuten voordat alle modules zijn gebonden, " ze legt uit.

De onderzoekers gebruikten met siliciumdioxide gecoate deeltjes als dragers voor hun moleculaire complex. De primaire doelwitten van de in het artikel beschreven biostructuren zijn kankercellen, herkenbaar aan de HER2/neu-oncomarker op hun oppervlak, weergegeven als een rode uitgroei in figuur 2. HER2/neu is een eiwit dat verantwoordelijk is voor celgroei en -deling en aanwezig is in gezonde cellen. In kankercellen, echter, dit eiwit is in overmaat - of tot overexpressie gebracht - waardoor ze ongecontroleerd kunnen groeien en delen.

De onderzoekers gebruikten een molecuul uit de klasse van ontworpen ankyrine-repeat-eiwitten, of DARPins, als het richtmiddel dat het HER2/neu-eiwit herkent. Getoond als lichtblauwe klokvormige structuren in figuren 1 en 2, DARPins zijn kleine en zeer stabiele eiwitten die selectief kunnen binden aan het doelmolecuul. Naast een DARPin-molecuul, die kankercellen herkent, de structuur moet een molecuul bevatten dat in staat is zich aan het oppervlak van het dragerdeeltje te binden, dat wil zeggen tot siliciumdioxide. Voor deze, de onderzoekers gebruikten een siliciumdioxide-bindend peptide verkregen door rationeel ontwerp aan de Macquarie University. Als resultaat, ze creëerden de volgende structuur:een nano- of microdeeltje is bedekt met siliciumdioxide, waaraan de barnase-DARPin-module is bevestigd via het siliciumdioxide-bindende peptide gefuseerd met barstar (figuur 1). belangrijk, elk van de betrokken elementen kan worden gewijzigd of zelfs vervangen, het wijzigen van de eigenschappen van de algehele structuur. Op een manier, het is vergelijkbaar met een moleculaire kit van bouwstenen, die op vele manieren kan worden gemonteerd, produceren van verschillende therapeutische middelen.

In werkelijkheid, de onderzoekers hebben een universele montagemethode ontwikkeld, waardoor een aantal moleculen met therapeutisch en diagnostisch potentieel gemakkelijk kunnen worden gecombineerd, met behoud van hun ruimtelijke structuur en eigenschappen.