leverans av friska proteiner direkt till mänskliga celler för att ersätta felaktiga proteiner - anses vara en av de mest direkta och säkra metoderna för behandling av sjukdomar. Men dess effektivitet har begränsats av låg leveranseffektivitet och den dåliga stabiliteten hos proteiner, som ofta bryts ner och smälts av cellernas proteasenzymer innan de når sitt avsedda mål.
I vad som kan signalera ett stort framsteg inom proteinerapi, forskare vid UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science har utvecklat en ny intracellulär leveransplattform som använder nanokapslar som består av en enda proteinkärna med ett tunt polymerskal som kan konstrueras för att antingen försämras eller förbli stabilt baserat på cellmiljön .
Deras forskning visas den 29 december i tidningen januari 2010 Naturnanoteknik och är för närvarande tillgänglig online.
"För proteiner i allmänhet, det är mycket svårt att korsa cellmembranet. Proteaset kommer vanligtvis att smälta det, gör stabiliteten till ett problem, "sa huvudstudieförfattaren Yunfeng Lu, en UCLA -professor i kemisk och biomolekylär teknik. "Här, vi har kunnat använda denna nya teknik för att stabilisera proteinet, gör det mycket enkelt att korsa cellmembranet, tillåter proteinet att fungera korrekt när det är inne i cellen. Det här är en av våra största prestationer. "
Nanokapslar är submikroskopiska behållare som består av en fet eller vattenhaltig kärna - i detta fall ett enda protein - omgiven av en tunn, permeabelt polymermembran ungefär flera till tiotals nanometer tjockt. Membranen i nanokapslarna som används i den nya UCLA -leveransmetoden kan brytas ned eller förbli intakta beroende på storleken på de molekylära substraten som deras inbäddade protein måste interagera med.
Icke nedbrytbara nanokapslar är mer stabila, och små molekylära substrat kan lätt diffundera till proteinet inbäddat inuti. Kapselns icke-nedbrytbara hud skyddar under tiden lasten från proteasattacker och stabiliserar proteinet från andra faktorer, som varierande temperaturer och pH -nivåer.
Dock, en icke-nedbrytbar hud kan också förhindra att substrat med större molekylvikt når det inbäddade proteinet. För att proteinet ska kunna interagera med ett stort substrat, en nedbrytbar hud kan också användas.
När protein -nanokapseln tas upp av cellen, det kommer att stanna inom endosomen initialt. Endosomer har i allmänhet lägre pH -nivåer än den yttre cellulära miljön; det lägre pH utlöser nedbrytningen av polymerhudskiktet, frigör proteinlasten intracellulärt.
Forskargruppen, ledd av studiens medförfattare Yi Tang, en UCLA -professor i kemisk och biomolekylär teknik, har också visat att sådana hudlager också kan brytas ned genom att införliva komponenter som är känsliga för proteaser. Detta tillvägagångssätt kommer också att möjliggöra en mer riktad tillförsel av proteinerna.
Den nya studien har visat att flera proteiner nu kan levereras till celler med hög effektivitet och aktivitet men låg toxicitet, möjliggör möjliga tillämpningar inom proteinterapier, vacciner, cellulär bildbehandling, tumörspårning, cancerterapier och till och med kosmetika.
"Att täcka proteinets nyttolast med ett polymert skal ger extra stabilitet i cirkulationen, där det finns gott om proteaser för att bryta ner det nakna proteinet, "sa Lily Wu, professor i medicinsk och molekylär farmakologi vid David Geffen School of Medicine vid UCLA och författare till studien. "Detta kommer helt klart att vara fördelaktigt för att förbättra leveransens effektivitet.
"Ytterligare, förmågan att leverera last intracellulärt och att kontrollera frisättningen av proteinlasten med pH eller andra miljöparametrar är mycket viktig, "sa hon." Förbättra säkerheten, effektivitet och riktad leverans av protein nyttolast är den moderna medicinens heliga gral. Den nya teknologin lovar alla dessa aspekter och det är därför det är så spännande för mig. "
"Just nu, många tillgängliga proteinerapi fungerar bara utanför cellen eftersom det har varit svårt att leverera proteinerna inuti cellen, "sa Tatiana Segura, en UCLA-professor i kemisk och biomolekylär teknik och en medförfattare till en studie.
Teamet hoppas att den nya tekniken kommer att fungera som en leveransplattform för alla typer av proteiner eller proteindroger. Även om studien, när den ursprungligen lämnades in, beskrev användningen av tekniken med fem olika proteiner, på den korta tiden sedan, laget har expanderat till mer än två dussin olika proteiner.
"Jag tror att det viktiga nästa steget är att tillämpa denna teknik i ett relevant, modell för preklinisk sjukdom, "Wu sa." Baserat på de lovande resultaten av förbättrad effektivitet vid leverans till celler, Jag räknar med förbättrad effekt även i prekliniska djurmodeller.
"I det långa loppet, förhoppningen är att utveckla ny teknik som kan göra skillnad i patienternas liv, "sa hon." Jag känner mig oerhört lyckligt lottad som får samarbeta med denna elitgrupp kemiska ingenjörer om detta spännande projekt. "
