Наноловушки для виротоксинов ВИЧ и хемокинов на основе биодеградируемых полимерных наночастиц
|
Введение
Литературный обзор
1.1 Хемокины и их роль в воспалительных процессах…………………………………6
1.2 Роль рецептора CCR5 при ВИЧ инфицировании…………………………………...7
1.3 Строение рецептора CCR5…………………………………………………………...9
1.4 Актуальность работы и задачи. Моделирование структуры наноловушек……..11
1.5 Полимолочная кислота……………………………………………………………..14
1.5.1 Наночастицы на основе полимолочной кислоты………………………………..18
1.6 Полилизин…
1.7 Гепарин……………………………………………………………………………...22
1.8 Твердофазный синтез пептидов…
2 Экспериментальная часть
2.1 Материалы…
2.2 Оборудование…
2.3 Методики экспериментов………………………………………………………….31
2.3.1 Твердофазный синтез пептидов Nt и ECL……………………………………..31
2.3.2 Синтез полилизина
2.3.3 Получение многослойных наночастиц
2.3.4 Цитотоксичность наночастиц и пептидов……………………………………..35
2.3.5 Стабильность наноловушек в сыворотке крови человека……………………..35
2.3.6 Исследование клеточной адгезии………………………………………………36
2.3.7 Исследование проникновения наноловушек в клетки………………………..37
2.3.8 Исследование взаимодействия наноловушек с пептидом V3………………..37
3 Результаты и обсуждение…
3.1 Получение наноловушек и исследование их стабильности и цитотоксичности.39
3.2 Исследование влияния наноловушек на адгезию моноцитов
3.3 Исследование взаимодействия наноловушек с пептидом V3 методом плазмонного резонанса
Выводы
Список литературы
Литературный обзор
1.1 Хемокины и их роль в воспалительных процессах…………………………………6
1.2 Роль рецептора CCR5 при ВИЧ инфицировании…………………………………...7
1.3 Строение рецептора CCR5…………………………………………………………...9
1.4 Актуальность работы и задачи. Моделирование структуры наноловушек……..11
1.5 Полимолочная кислота……………………………………………………………..14
1.5.1 Наночастицы на основе полимолочной кислоты………………………………..18
1.6 Полилизин…
1.7 Гепарин……………………………………………………………………………...22
1.8 Твердофазный синтез пептидов…
2 Экспериментальная часть
2.1 Материалы…
2.2 Оборудование…
2.3 Методики экспериментов………………………………………………………….31
2.3.1 Твердофазный синтез пептидов Nt и ECL……………………………………..31
2.3.2 Синтез полилизина
2.3.3 Получение многослойных наночастиц
2.3.4 Цитотоксичность наночастиц и пептидов……………………………………..35
2.3.5 Стабильность наноловушек в сыворотке крови человека……………………..35
2.3.6 Исследование клеточной адгезии………………………………………………36
2.3.7 Исследование проникновения наноловушек в клетки………………………..37
2.3.8 Исследование взаимодействия наноловушек с пептидом V3………………..37
3 Результаты и обсуждение…
3.1 Получение наноловушек и исследование их стабильности и цитотоксичности.39
3.2 Исследование влияния наноловушек на адгезию моноцитов
3.3 Исследование взаимодействия наноловушек с пептидом V3 методом плазмонного резонанса
Выводы
Список литературы
Наномедицина – быстро развивающееся междисциплинарное направление медицинской науки, в котором используются достижения нанобиотехнологии для диагностики и лечения различных заболеваний, а также в регенеративной медицине. [1]. Разработанные методы и подходы наномедицины являются чрезвычайно перспективными в решении ряда медицинских проблем с максимальной селективностью и эффективностью на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровнях. Стремительное развитие нанотехнологий и их применение в медицине способствовали появлению на рынке ряда инновационных нанофармацевтических препаратов и наноустройств [2]. Кроме того, этот процесс способствовал более эффективному сотрудничеству между научными центрами и фармацевтической промышленностью и переносу результатов научных исследований на промышленный выпуск лекарственных препаратов.
Функциональные биоматериалы, которые имеют в своей структуре биологически активные элементы, занимают одно из ведущих мест в наномедицинских разработках. Такие биоматериалы активно взаимодействуют с биологическими системами и имитируют биологические процессы [3].В основе этих взаимодействий и всех происходящих invivo биологических процессов, лежит принцип молекулярного распознавания – способности биологических молекул распознавать и связывать с высокой селективностью комплементарные молекулы. Молекулярное распознавание относится к одному из основных понятий супрамолекулярной химии и представляет собой процесс избирательного связывания, где одна молекула («рецептор») взаимодействует с высокой аффинностью и селективностью с другой молекулой («лиганд»). Образование лиганд-рецепторных комплексов вызывает изменения в структуре клеточных рецепторов и стимулирует прохождение реакций, связанных с биологической активностью различных биомолекул [4]. Многочисленные лиганд-рецепторные взаимодействия в живом организме образуют сложные и перекрещивающиеся сигнальные пути, что усложняет создание искусственных наносистем для применения invivo. Многообещающей альтернативой, имитирующей природные механизмы распознавания, может быть использование отдельных лиганд-рецепторных пар. Материалы или среды, которые несут в своем составе многофункциональные биомолекулы или их смеси, способные к высокоаффинному взаимодействию с одним или несколькими дополнительными партнерами и имитирующие природные механизмы распознавания, называются биомиметическими материалами [5]. При применении биомиметических материалов принцип молекулярного распознавания основывается на взаимодействии с биомиметической поверхностью, в отличие от других систем, где взаимодействие с биомолекулами или клетками основано на неспецифических механизмах. Очевидно, что такие процессы являются более управляемыми, поскольку на них оказывает влияние структурная комплементарность партнеров и их можно моделировать, тщательно подбирая условия эксперимента.
В настоящее время предложено большое количество биоматериалов для медицинского применения. Среди них наиболее перспективными являются материалы на основе гидрофильных биодеградируемых и биосовместимых полимеров, которые сохраняют свои функциональные характеристики не дезактивируются при взаимодействии с белками крови и других биологических жидкостей (biofouling) при их длительном контакте. Процесс иммобилизации лиганда на поверхности биоматериала является одной из важнейших задач в разработке биомиметиков. При иммобилизации лиганда важно сохранить его биологическая активность, т.е. способность связывать комплементарную молекулу. Такие комплексы должны обладать свойствами, максимально приближенным к свойствам, проявляемым в естественных условиях. Предпочтительным является придание аффинным партнерам надлежащей пространственной организации для возможности максимально эффективного комплементарного взаимодействия. Таким образом, нужно подобрать как можно более мягкий способ иммобилизации лиганда, который бы не изменял пространственную конформацию молекулы. В реакции между функциональными группами лиганда и поверхностью биоматериала не должно образовываться потенциально токсичных продуктов[6]. Чтобы усилить специфическое связывание и селективность биомиметических молекул, в структуру поверхности биоматериала могут быть введены дополнительные компоненты, например, для имитации липидных или углеводных молекул клеточной мембраны, которые способствуют неспецифическому взаимодействию. Важным условием является то, что между лигандом и поверхностью выбранного биоматериала не должно происходить неспецифического взаимодействия, и биоматериал должен обеспечивать равномерную доступность лиганда для соответствующего комплементарного партнера.
Данная работа является частью более широкого исследования, посвящённого разработке алгоритма построения биомиметических поверхностей различной структуры для создания инновационных биоматериалов для диагностических и терапевтических целей наномедицины. В частности, одной из главных задач данной работы являлось создание полимерных многослойных наночастиц, способных к селективному связыванию хемокинов, а также патогенных белков и частиц вируса иммунодефицита человека (ВИЧ), за счет комплементарных лиганд-рецепторных взаимодействий, имитирующих природные молекулярные механизмы распознавания. Такие биоматериалыinvitro могут обеспечить эффективный инструмент для концентрирования биомаркеров ВИЧ для диагностики на ранних стадиях инфицирования, когда существующие методы анализа неэффективны или дорогостоящи. Всвоюочередь, invivoтакие биосовместимые и биодеградируемые материалы могут служить наноловушками, которые способны связывать и удалять из биологических жидкостей различные биомолекулы, в частности, хемотактические медиаторы (хемокины) при аутоиммунных и других воспалительных заболеваниях, а также патогенный белокgp120 и частицы вируса иммунодефицита человека. Таким образом, данная работа является чрезвычайно актуальной и может внести вклад в решение ряда задач современной наномедицины.
Функциональные биоматериалы, которые имеют в своей структуре биологически активные элементы, занимают одно из ведущих мест в наномедицинских разработках. Такие биоматериалы активно взаимодействуют с биологическими системами и имитируют биологические процессы [3].В основе этих взаимодействий и всех происходящих invivo биологических процессов, лежит принцип молекулярного распознавания – способности биологических молекул распознавать и связывать с высокой селективностью комплементарные молекулы. Молекулярное распознавание относится к одному из основных понятий супрамолекулярной химии и представляет собой процесс избирательного связывания, где одна молекула («рецептор») взаимодействует с высокой аффинностью и селективностью с другой молекулой («лиганд»). Образование лиганд-рецепторных комплексов вызывает изменения в структуре клеточных рецепторов и стимулирует прохождение реакций, связанных с биологической активностью различных биомолекул [4]. Многочисленные лиганд-рецепторные взаимодействия в живом организме образуют сложные и перекрещивающиеся сигнальные пути, что усложняет создание искусственных наносистем для применения invivo. Многообещающей альтернативой, имитирующей природные механизмы распознавания, может быть использование отдельных лиганд-рецепторных пар. Материалы или среды, которые несут в своем составе многофункциональные биомолекулы или их смеси, способные к высокоаффинному взаимодействию с одним или несколькими дополнительными партнерами и имитирующие природные механизмы распознавания, называются биомиметическими материалами [5]. При применении биомиметических материалов принцип молекулярного распознавания основывается на взаимодействии с биомиметической поверхностью, в отличие от других систем, где взаимодействие с биомолекулами или клетками основано на неспецифических механизмах. Очевидно, что такие процессы являются более управляемыми, поскольку на них оказывает влияние структурная комплементарность партнеров и их можно моделировать, тщательно подбирая условия эксперимента.
В настоящее время предложено большое количество биоматериалов для медицинского применения. Среди них наиболее перспективными являются материалы на основе гидрофильных биодеградируемых и биосовместимых полимеров, которые сохраняют свои функциональные характеристики не дезактивируются при взаимодействии с белками крови и других биологических жидкостей (biofouling) при их длительном контакте. Процесс иммобилизации лиганда на поверхности биоматериала является одной из важнейших задач в разработке биомиметиков. При иммобилизации лиганда важно сохранить его биологическая активность, т.е. способность связывать комплементарную молекулу. Такие комплексы должны обладать свойствами, максимально приближенным к свойствам, проявляемым в естественных условиях. Предпочтительным является придание аффинным партнерам надлежащей пространственной организации для возможности максимально эффективного комплементарного взаимодействия. Таким образом, нужно подобрать как можно более мягкий способ иммобилизации лиганда, который бы не изменял пространственную конформацию молекулы. В реакции между функциональными группами лиганда и поверхностью биоматериала не должно образовываться потенциально токсичных продуктов[6]. Чтобы усилить специфическое связывание и селективность биомиметических молекул, в структуру поверхности биоматериала могут быть введены дополнительные компоненты, например, для имитации липидных или углеводных молекул клеточной мембраны, которые способствуют неспецифическому взаимодействию. Важным условием является то, что между лигандом и поверхностью выбранного биоматериала не должно происходить неспецифического взаимодействия, и биоматериал должен обеспечивать равномерную доступность лиганда для соответствующего комплементарного партнера.
Данная работа является частью более широкого исследования, посвящённого разработке алгоритма построения биомиметических поверхностей различной структуры для создания инновационных биоматериалов для диагностических и терапевтических целей наномедицины. В частности, одной из главных задач данной работы являлось создание полимерных многослойных наночастиц, способных к селективному связыванию хемокинов, а также патогенных белков и частиц вируса иммунодефицита человека (ВИЧ), за счет комплементарных лиганд-рецепторных взаимодействий, имитирующих природные молекулярные механизмы распознавания. Такие биоматериалыinvitro могут обеспечить эффективный инструмент для концентрирования биомаркеров ВИЧ для диагностики на ранних стадиях инфицирования, когда существующие методы анализа неэффективны или дорогостоящи. Всвоюочередь, invivoтакие биосовместимые и биодеградируемые материалы могут служить наноловушками, которые способны связывать и удалять из биологических жидкостей различные биомолекулы, в частности, хемотактические медиаторы (хемокины) при аутоиммунных и других воспалительных заболеваниях, а также патогенный белокgp120 и частицы вируса иммунодефицита человека. Таким образом, данная работа является чрезвычайно актуальной и может внести вклад в решение ряда задач современной наномедицины.
1. Исследование условий наноосаждения позволило определить параметры, оптимальные для получения наночастиц полимолочной кислоты как основы для наноловушек.
2. Твердофазным методом синтезированы пептиды Nt и ECL2, соответствующие связывающим лиганды доменам рецептора ССR5, которые были модифицированы концевыми олиголизиновыми блоками.
3. Получены многослойные наночастицы полимолочной кислоты, покрытые полилизином, гепарином и пептидами за счёт только электростатических взаимодействий. Показано, что увеличение содержания пептидов в структуре наночастиц ведет к их агрегации.
4. Изучение стабильности наноловушек в сыворотке крови позволило определить, что десорбция пептидов с их поверхности происходит в течение нескольких дней.
5. Исследование адгезии моноцитов к эндотелиальным клеткам в присутствии хемокина Rantesи наноловушек показало, что наноловушки способны нивелировать активирующее адгезию действие хемокина. При этом в их структуре необходимо присутствие как гепарина, так и пептидов.Пептид ECL2 уменьшал адгезию моноцитов с такой же эффективностью, как и наноловушки с полной структурой.
6. Методом плазмонного резонанса была показана способность связывания наноловушками пептида, соответствующего петле V3 белка gp120 вируса иммунодефицита человека. Агрегация наночастиц при увеличении содержания пептидов Nt и ECL2 снижала их связывающую способность.
2. Твердофазным методом синтезированы пептиды Nt и ECL2, соответствующие связывающим лиганды доменам рецептора ССR5, которые были модифицированы концевыми олиголизиновыми блоками.
3. Получены многослойные наночастицы полимолочной кислоты, покрытые полилизином, гепарином и пептидами за счёт только электростатических взаимодействий. Показано, что увеличение содержания пептидов в структуре наночастиц ведет к их агрегации.
4. Изучение стабильности наноловушек в сыворотке крови позволило определить, что десорбция пептидов с их поверхности происходит в течение нескольких дней.
5. Исследование адгезии моноцитов к эндотелиальным клеткам в присутствии хемокина Rantesи наноловушек показало, что наноловушки способны нивелировать активирующее адгезию действие хемокина. При этом в их структуре необходимо присутствие как гепарина, так и пептидов.Пептид ECL2 уменьшал адгезию моноцитов с такой же эффективностью, как и наноловушки с полной структурой.
6. Методом плазмонного резонанса была показана способность связывания наноловушками пептида, соответствующего петле V3 белка gp120 вируса иммунодефицита человека. Агрегация наночастиц при увеличении содержания пептидов Nt и ECL2 снижала их связывающую способность.



