Forskere skaber nyt smart nanokapsel-leveringssystem til brug i proteinterapi

levering af sunde proteiner direkte ind i humane celler for at erstatte funktionssvigte proteiner - betragtes som en af ​​de mest direkte og sikre tilgange til behandling af sygdomme. Men dets effektivitet er blevet begrænset af lav leveringseffektivitet og den dårlige stabilitet af proteiner, som ofte nedbrydes og fordøjes af cellernes proteaseenzymer, før de når deres tilsigtede mål.

Hvad der kunne signalere et stort fremskridt inden for proteinterapi, forskere ved UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science har udviklet en ny intracellulær leveringsplatform, der bruger nanokapsler, der består af en enkelt-proteinkerne med en tynd polymerskal, der kan konstrueres til enten at nedbrydes eller forblive stabil baseret på det cellulære miljø .

Deres forskning vises den 29. december i januar 2010-udgaven af ​​tidsskriftet Natur nanoteknologi og er i øjeblikket tilgængelig online.

"For proteiner generelt, det er meget svært at krydse cellemembranen. Proteasen vil normalt fordøje det, gør stabilitet til et problem, " sagde hovedstudieforfatter Yunfeng Lu, en UCLA-professor i kemisk og biomolekylær teknik. "Her, vi har været i stand til at bruge denne nye teknologi til at stabilisere proteinet, gør det meget nemt at krydse cellemembranen, tillader proteinet at fungere ordentligt, når man først er inde i cellen. Dette er en af ​​vores største præstationer."

Nanokapsler er submikroskopiske beholdere sammensat af en olieagtig eller vandig kerne - i dette tilfælde et enkelt protein - omgivet af en tynd, permeabel polymermembran, der groft er flere til titusinder af nanometer tyk. Membranerne i de nanokapsler, der bruges i den nye UCLA-leveringsmetode, kan nedbrydes eller forblive intakte afhængigt af størrelsen af ​​de molekylære substrater, som deres indlejrede protein skal interagere med.

Ikke-nedbrydelige nanokapsler er mere stabile, og små molekylære substrater kan let diffundere til proteinet indlejret indeni. Kapslens ikke-nedbrydelige hud beskytter i mellemtiden lasten mod proteaseangreb og stabiliserer proteinet fra andre faktorer, som varierende temperaturer og pH-niveauer.

Imidlertid, en ikke-nedbrydelig hud kan også forhindre substrater med større molekylvægt i at nå det indlejrede protein. For at proteinet skal kunne interagere med et stort substrat, en nedbrydelig hud kan også bruges.

Når proteinet nanokapslen optages af cellen, det forbliver i endosomet i starten. Endosomer har generelt lavere pH-niveauer end det ydre cellulære miljø; den lavere pH udløser nedbrydningen af ​​polymerhudlaget, frigivelse af proteinlasten intracellulært.

Forskerholdet, ledet af studiets medforfatter Yi Tang, en UCLA professor i kemisk og biomolekylær teknik, har også vist, at sådanne hudlag også kan nedbrydes ved at inkorporere komponenter, der er følsomme over for proteaser. Denne tilgang vil også give mulighed for en mere målrettet levering af proteinerne.

Den nye undersøgelse har vist, at flere proteiner nu kan leveres til celler med høj effektivitet og aktivitet, men lav toksicitet, giver mulighed for potentielle anvendelser i proteinterapier, vacciner, cellulær billeddannelse, tumor sporing, kræftbehandlinger og endda kosmetik.

"At dække proteinets nyttelast med en polymerskal giver øget stabilitet i cirkulationen, hvor der er masser af proteaser til at nedbryde det nøgne protein, " sagde Lily Wu, professor i medicinsk og molekylær farmakologi ved David Geffen School of Medicine ved UCLA og forfatter til undersøgelsen. "Dette vil helt klart være fordelagtigt for at forbedre effektiviteten af ​​leveringen.

"Yderligere, evnen til at levere last intracellulært og kontrollere frigivelsen af ​​proteinlasten ved pH eller andre miljøparametre er meget vigtig, " sagde hun. "Forbedring af sikkerheden, effektivitet og målrettet levering af proteinnyttelast er moderne medicins hellige gral. Denne nye teknologi lover i alle disse aspekter, og det er derfor, det er så spændende for mig."

"Lige nu, mange tilgængelige proteiner virker kun uden for cellen, fordi det har været svært at levere proteinerne inde i cellen, " sagde Tatiana Segura, en UCLA professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab og en studie medforfatter.

Holdet håber, at den nye teknologi vil fungere som en leveringsplatform for enhver form for protein- eller proteinlægemiddel. Selvom undersøgelsen, når det oprindeligt blev indsendt, beskrev brugen af ​​teknologien med fem forskellige proteiner, i den korte tid siden, holdet er udvidet til mere end to dusin forskellige proteiner.

"Jeg tror, ​​det vigtige næste skridt er at anvende denne teknologi på et relevant, præklinisk sygdomsmodel, " sagde Wu. "Baseret på de lovende resultater af forbedret effektivitet af levering til celler, Jeg forventer også forbedret effektivitet i prækliniske dyremodeller.

"I det lange løb, håbet er at udvikle ny teknologi, der kan gøre en forskel i patienternes liv, " sagde hun. "Jeg føler mig ekstremt heldig over at kunne samarbejde med denne elitegruppe af kemiingeniører om dette spændende projekt."