de levering van gezonde eiwitten rechtstreeks in menselijke cellen om defecte eiwitten te vervangen - wordt beschouwd als een van de meest directe en veilige benaderingen voor de behandeling van ziekten. Maar de effectiviteit ervan is beperkt door een lage afgifte-efficiëntie en de slechte stabiliteit van eiwitten, die vaak worden afgebroken en verteerd door de protease-enzymen van cellen voordat ze hun beoogde doel bereiken.

In wat een belangrijke vooruitgang zou kunnen betekenen in eiwittherapieën, onderzoekers van de UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science hebben een nieuw intracellulair leveringsplatform ontwikkeld dat gebruikmaakt van nanocapsules die bestaan ​​uit een enkele eiwitkern met een dunne polymeerschil die kan worden ontworpen om ofwel af te breken of stabiel te blijven op basis van de cellulaire omgeving .

Hun onderzoek verschijnt op 29 december in de editie van januari 2010 van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie en is momenteel online beschikbaar.

"Voor eiwitten in het algemeen, het is erg moeilijk om het celmembraan te passeren. De protease zal het gewoonlijk verteren, stabiliteit een probleem maken, " zei hoofdonderzoeksauteur Yunfeng Lu, een UCLA hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering. "Hier, we hebben deze nieuwe technologie kunnen gebruiken om het eiwit te stabiliseren, waardoor het heel gemakkelijk is om het celmembraan te passeren, waardoor het eiwit eenmaal in de cel goed kan functioneren. Dit is een van onze grootste successen."

Nanocapsules zijn submicroscopische containers die zijn samengesteld uit een olieachtige of waterige kern - in dit geval een enkel eiwit - omgeven door een dunne, permeabel polymeermembraan van ongeveer enkele tot tientallen nanometer dik. De membranen van de nanocapsules die worden gebruikt in de nieuwe UCLA-afgiftemethode kunnen degraderen of intact blijven, afhankelijk van de grootte van de moleculaire substraten waarmee hun ingebedde eiwit moet interageren.

Niet-afbreekbare nanocapsules zijn stabieler, en kleine moleculaire substraten kunnen gemakkelijk diffunderen naar het eiwit dat erin is ingebed. De niet-afbreekbare huid van de capsule beschermt ondertussen de lading tegen protease-aanvallen en stabiliseert het eiwit tegen andere factoren, zoals variërende temperaturen en pH-waarden.

Echter, een niet-afbreekbare huid kan ook voorkomen dat substraten met een hoger molecuulgewicht het ingebedde eiwit bereiken. Om ervoor te zorgen dat het eiwit kan interageren met een groot substraat, een afbreekbare huid kan ook worden gebruikt.

Wanneer de eiwit-nanocapsule door de cel wordt opgenomen, het zal aanvankelijk binnen het endosoom blijven. Endosomen hebben over het algemeen lagere pH-waarden dan de buitenste cellulaire omgeving; de lagere pH veroorzaakt de afbraak van de polymeerhuidlaag, het intracellulair vrijgeven van de eiwitlading.

Het onderzoeksteam, geleid door studie co-auteur Yi Tang, een UCLA hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering, heeft ook aangetoond dat dergelijke huidlagen ook kunnen worden afgebroken door componenten op te nemen die gevoelig zijn voor proteasen. Deze aanpak zal ook zorgen voor een meer gerichte levering van de eiwitten.

De nieuwe studie heeft aangetoond dat meerdere eiwitten nu aan cellen kunnen worden afgeleverd met een hoge efficiëntie en activiteit maar met een lage toxiciteit, waardoor potentiële toepassingen in eiwittherapieën mogelijk zijn, vaccins, cellulaire beeldvorming, tumor volgen, kankertherapieën en zelfs cosmetica.

"Het afdekken van de eiwitlading met een polymere schaal zorgt voor extra stabiliteit in de circulatie, waar er veel proteasen zijn om het naakte eiwit af te breken, " zei Lily Wu, hoogleraar medische en moleculaire farmacologie aan de David Geffen School of Medicine aan de UCLA en auteur van de studie. "Dit zal duidelijk voordelig zijn bij het verbeteren van de doeltreffendheid van de levering.

"Verder, het vermogen om lading intracellulair af te leveren en het vrijkomen van de eiwitlading te controleren door pH of andere omgevingsparameters is erg belangrijk, "zei ze. "Het verbeteren van de veiligheid, efficiëntie en gerichte levering van eiwitlading is de heilige graal van de moderne geneeskunde. Deze nieuwe technologie is veelbelovend in al deze aspecten en daarom is het zo spannend voor mij."

"Direct, veel beschikbare eiwittherapieën werken alleen buiten de cel omdat het moeilijk is om de eiwitten in de cel af te leveren, " zei Tatiana Segura, een UCLA-hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering en een co-auteur van een studie.

Het team hoopt dat de nieuwe technologie zal dienen als een leveringsplatform voor elk type eiwit of eiwitmedicijn. Hoewel de studie, wanneer oorspronkelijk ingediend, beschreef het gebruik van de technologie met vijf verschillende eiwitten, in de korte tijd sinds, het team is uitgebreid tot meer dan twee dozijn verschillende eiwitten.

"Ik denk dat de belangrijke volgende stap is om deze technologie toe te passen in een relevante, preklinisch ziektemodel, " zei Wu. "Op basis van de veelbelovende resultaten van verbeterde efficiëntie van levering in cellen, Ik verwacht ook een verbeterde werkzaamheid in preklinische diermodellen.

"Op lange termijn, de hoop is om nieuwe technologie te ontwikkelen die een verschil kan maken in het leven van patiënten, " zei ze. "Ik voel me buitengewoon gelukkig dat ik met deze elitegroep van chemische ingenieurs aan dit opwindende project kan samenwerken."