Схема стратегии биообратимой анионной маскировки. Химическая модификация лизинов, подвергшихся воздействию поверхности, с помощью сульфированных маскирующих реагентов позволяет образовывать комплексы и последующую доставку белковых грузов с катионными липидами. После выхода из эндоцитов реагенты отщепляются за счет присутствия саморазрушающейся, окислительно-восстановительной дисульфидной связи, бесследно доставляя белок-груз в цитоплазму клетки. Изображение:
Центральная научная служба ACS
(2024). DOI: 10.1021/accentsci.4c00071
Междисциплинарное сотрудничество позволило разработать способ «маскировки» белков так, чтобы их можно было захватывать липидными наночастицами, которые похожи на крошечные пузырьки жира. Эти пузырьки достаточно малы, чтобы проникнуть со своим скрытым грузом в живые клетки, где белки раскрываются и оказывают свой терапевтический эффект.
Обобщаемый метод может привести к перепрофилированию тысяч коммерческих белковых продуктов, включая антитела, для биологических исследований и терапевтического применения.
Статья группы «Биореверсивная анионная маскировка обеспечивает внутриклеточную доставку белков с помощью ионизируемых липидных наночастиц». опубликовано 14 мая в Центральная научная служба ACS. Ведущий автор — докторант Азмайн Аламгир, который работает в лабораториях состарших авторов статьи, Криса Алаби, доцента химической и биомолекулярной инженерии Корнельского инженерного факультета, и Мэтта ДеЛизы, профессора инженерии и директора Уильяма Л. Льюиса. из Корнельского института биотехнологии.
Проект начался с единственной цели: объединить опыт группы DeLisa в разработке белковых терапевтических средств с акцентом лаборатории Алаби на внутриклеточную доставку биологических препаратов.
Чтобы некоторые лекарства могли повлиять на биологию клетки и, в конечном итоге, вылечить болезнь, им необходимо проникнуть внутрь клетки и достичь определенного пространства. Это похоже на ремонт сломанной трубы в доме: сантехнику необходимо получить доступ к определенной комнате, чтобы устранить утечку.
Терапия на основе белка имеет много достоинств — они могут иметь более специфические эффекты, с меньшей токсичностью и ослабленным иммунным ответом, — но простота доставки не входит в их число. Белки большие и громоздкие, и им не так легко диффундировать в клетки, как это делают маленькие молекулы. Это одна из причин, по которой малые молекулы являются преобладающим источником лекарств в фармацевтической промышленности: они могут легко диффундировать в клетки без средств доставки.
За прошедшие годы группа ДеЛизы разработала широкий спектр интересных и потенциально эффективных белковых препаратов. К сожалению, практическая польза этих белков была ограничена отсутствием метода внутриклеточной доставки. Хотя генная терапия — биомедицинская технология, которая может оказывать терапевтический эффект путем доставки гена для экспрессии в клетки-мишени — была вариантом, этот метод имеет неоднозначную историю из-за проблем с безопасностью для людей.
«Мы искали умный способ эффективного введения наших сконструированных белков внутрь клеток, особенно в контексте трансляции, который работал бы не только в клетках, культивируемых в лабораторных условиях, но также был бы эффективен и безопасен на животных моделях и, в конечном итоге, на людях. », — сказала ДеЛиза.
«Когда Азмейн связал нашу группу с группой Криса, одна из идей, которая всплыла на поверхность, заключалась в том, зачем использовать это в качестве генной терапии, если мы можем доставить его в виде уже готового белка? И это нас очень воодушевило».
Лаборатория Алаби столкнулась с собственными проблемами. По словам Алаби, хотя у команды был опыт доставки нуклеиновых кислот в клетки с использованием наночастиц, им еще предстоит найти способ сделать то же самое с «глобулярными мягкими белками» из-за ограниченного опыта лаборатории в производстве достаточных количеств белков для тестирования.
«Мы рассматривали это как хороший мост между нашими исследовательскими группами, чтобы создать это новое пространство, над которым, я не думаю, что многие люди работали в то время, и сделать это таким образом, чтобы это было масштабируемо и эффективно», — сказал Алаби. .
У исследователей возникла широкая идея использования подхода биоконъюгации, который позволил бы загружать белки в липидные наночастицы, которые образуются вокруг нуклеиновых кислот. Основным преимуществом этого подхода было то, что липидные наночастицы были ключевым компонентом успешных вакцин против COVID-19, разработанных компаниями Pfizer-BioNTech и Moderna.
«В то время эта технология действительно развивалась», — сказал Аламгир.
Эти вакцины работали, доставляя полезную нагрузку в виде информационной РНК, которая представляет собой нуклеиновые кислоты. Теперь исследователи будут использовать ту же концепцию доставки липидных наночастиц – даже те же материалы – но с белковой нагрузкой. Хитрость заключалась в том, чтобы сделать белки более похожими на нуклеиновые кислоты.
Исследователи обнаружили, что они могут добиться этого, «замаскировав» белки отрицательно заряженным ионом, чтобы они соединялись с положительно заряженными липидами электростатически.
«Суть нашей стратегии концептуально очень проста», — сказал Аламгир. «Мы берем белки и специально реконструируем их поверхности, придавая им отрицательные заряды, чтобы они выглядели как нуклеиновые кислоты и могли аналогичным образом собираться в наночастицы, если в их состав входят характерные липиды».
Одна из трудностей, с которой столкнулась команда, заключалась в том, что условия, при которых нуклеиновые кислоты соединяются или образуют комплекс с липидами, довольно суровы — слишком суровы для белков.
«Нам пришлось использовать более мягкие условия и слегка модифицированную рецептуру, в которую мы добавили дополнительные липиды», — сказал Алаби. «Таким образом, как со стороны биоконъюгации белков, так и со стороны липидов, нам пришлось настроить формулу, чтобы она работала так же хорошо».
Команда, в которую входил аспирант и соавтор Сувик Госал, успешно продемонстрировала метод маскировки с помощью лизин-реактивных сульфированных соединений, убивающих раковые клетки с помощью рибонуклеазы А и ингибирующих передачу сигналов опухоли с помощью моноклональных антител иммуноглобулина G (IgG).
Дополнительным преимуществом химии биоконъюгации, используемой командой, является то, что процесс обратим. Химическая метка, добавленная к белку, удаляется, как только она попадает в цитоплазму клетки. А поскольку метод биоконъюгации нацелен на лизин — тип аминокислоты, который в изобилии содержится в природных белках, — этот метод можно воспроизвести практически для любого белка.
«Это потенциально позволит взять множество готовых белков, которые в настоящее время доступны у многих дистрибьюторов медико-биологических наук и биотехнологических компаний, и перепрофилировать их для новых внутриклеточных применений», — сказал Аламгир.
Предоставлено Корнельским университетом