Proteinpas hjælper nanopartikler med at komme forbi immunsystemet

Kroppens immunsystem findes til at identificere og ødelægge fremmedlegemer, om det er bakterier, vira, snavs eller splinter. Desværre, nanopartikler designet til at levere medicin, og implanterede enheder som f.eks. pacemakere eller kunstige led, er lige så fremmed og underkastet det samme svar.

Nu, forskere ved University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science og Penn's Institute for Translational Medicine and Therapeutics har fundet ud af en måde at skaffe et "pas" til sådanne terapeutiske apparater, gør dem i stand til at komme forbi kroppens sikkerhedssystem.

Undersøgelsen blev udført af professor Dennis Discher, kandidatstuderende Pia Rodriguez, Takamasa Harada, David Christian og Richard K. Tsai og postdoktor Diego Pantano fra Molecular and Cell Biophysics Lab in Chemical and Biomolecular Engineering på Penn.

Det blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

"Fra din krops perspektiv, "Rodriguez sagde, "et pilespids for tusind år siden og en pacemaker i dag behandles ens - som en udenlandsk invader.

"Vi vil rigtig gerne have ting som pacemakere, suturer og køretøjer til levering af lægemidler for ikke at forårsage en inflammatorisk reaktion fra det medfødte immunsystem. "

Det medfødte immunsystem angriber fremmedlegemer på en generel måde. I modsætning til det adaptive immunsystems indlærte reaktion, som omfatter de målrettede antistoffer, der dannes efter en vaccination, det medfødte immunsystem forsøger at ødelægge alt det ikke anerkender som en del af kroppen.

Dette svar har mange cellulære komponenter, herunder makrofager - bogstaveligt talt "store spisere" - som finder, opsluge og ødelægge angribere. Proteiner i blodserum fungerer sammen med makrofager; de klæber til objekter i blodstrømmen og tiltrækker makrofagernes opmærksomhed. Hvis makrofagen bestemmer, at disse proteiner sidder fast i en udenlandsk invader, de vil spise det eller signalere andre makrofager til at danne en barriere omkring det.

Nanopartikler til levering af lægemidler udløser naturligvis dette svar, så forskernes tidligere forsøg på at omgå det involverede belægning af partiklerne med polymer "børster". Disse børster stikker ud fra nanopartiklen og forsøger fysisk at blokere forskellige blodserumproteiner fra at klistre til overfladen.

Imidlertid, disse børster bremser kun makrofag-signalproteinerne, så Discher og kolleger forsøgte en anden tilgang:Overbeviser makrofagerne om, at nanopartiklerne var en del af kroppen og ikke skulle ryddes.

I 2008, Dischers gruppe viste, at det humane protein CD47, findes på næsten alle pattedyrscellemembraner, binder sig til en makrofagreceptor kendt som SIRPa hos mennesker. Som en patruljerende grænsevagt, der inspicerer et pas, hvis en makrofags SIRPa binder til en celles CD47, den fortæller makrofagen, at cellen ikke er en invaderende og skal have lov til at fortsætte.

"Der kan være andre molekyler, der hjælper med at dæmpe makrofagresponset, "Discher sagde." Men menneskelig CD47 er klart en, der siger:'Spis mig ikke'. "

Siden offentliggørelsen af ​​denne undersøgelse har andre forskere bestemte den kombinerede struktur af CD47 og SIRPa sammen. Ved hjælp af disse oplysninger, Dischers gruppe var i stand til beregningsmæssigt at designe den mindste sekvens af aminosyrer, der ville fungere som CD47. Dette "minimale peptid" skulle foldes og passe godt nok ind i receptoren af ​​SIRPa for at tjene som et gyldigt pas.

Efter kemisk syntetisering af dette minimale peptid, Dischers team knyttet det til konventionelle nanopartikler, der kunne bruges i en række forskellige eksperimenter.

"Nu, enhver kan lave peptidet og lægge det på, hvad de vil, "Sagde Rodriguez

Forskningsteamets eksperimenter brugte en musemodel til at demonstrere bedre billeddannelse af tumorer og såvel som forbedret effektivitet af en partikel, der leverer anti-kræftmedicin.

Da dette minimale peptid en dag kan blive knyttet til en lang række lægemiddelleveringsbiler, forskerne vedhæftede også antistoffer af den type, der kunne bruges til at målrette kræftceller eller andre former for sygt væv. Ud over et bevis på konceptet for terapi, disse antistoffer tjente også til at tiltrække makrofagernes opmærksomhed og sikre, at det minimale peptids pas blev kontrolleret og godkendt.

"Vi viser, at peptidet faktisk hæmmer makrofagets reaktion, "Discher sagde." Vi tvinger interaktionen og overvælder den derefter. "

Testen af ​​dette minimale peptids effekt var hos mus, der var genetisk modificerede, så deres makofager havde SIRPa -receptorer, der ligner mennesker. Forskerne injicerede to slags nanopartikler - dem med peptidpasset og uden - og målte derefter, hvor hurtigt musenes immunsystem rensede dem.

"Vi brugte forskellige fluorescerende farvestoffer på de to slags nanopartikler, så vi kunne tage blodprøver hvert 10. minut og måle, hvor mange partikler af hver slags der var tilbage ved hjælp af flowcytometri, "Sagde Rodriguez." Vi injicerede de to partikler i et 1-til-1-forhold og 20-30 minutter senere, der var op til fire gange så mange partikler med peptidet tilbage. "

Selv at give terapeutiske nanopartikler en ekstra halv time, før de spises af makrofager, kan være en stor velsignelse for behandlinger. Sådanne nanopartikler skal muligvis tage et par ture gennem den makrofag-tunge milt og lever for at finde deres mål, men de skulle ikke blive i kroppen på ubestemt tid. Andre kombinationer af udvendige proteiner kan være passende til mere permanente enheder, såsom pacemakerkabler, gør dem i stand til at skjule sig for immunsystemet i længere perioder.

Selvom mere forskning er nødvendig, før sådanne applikationer bliver en realitet, at reducere peptidet til en sekvens på kun få aminosyrer var et kritisk trin. Den relative enkelhed af dette pasmolekyle, der lettere skal syntetiseres, gør det til en mere attraktiv komponent til fremtidige terapier.

"Det kan laves rent i en maskine, "Discher sagde, "og let ændret under syntesen for at fastgøre til alle slags implanterede og injicerede ting, med det mål at narre kroppen til at acceptere disse ting som 'selv'. "