Formulering en karakterisering van bioactieve stof die nanoschijven bevat

Summary

Hier beschrijven we de productie en karakterisering van bioactieve stoffen die nanoschijven bevatten. Amfotericine B nanoschijven worden als voorbeeld genomen om het protocol stapsgewijs te beschrijven.

Abstract

De term nanoschijf verwijst naar een discreet type nanodeeltje dat bestaat uit een tweelaags lipide, een steigereiwit en een geïntegreerd bioactief middel. Nanoschijven zijn georganiseerd als een schijfvormige lipide bilayer waarvan de omtrek wordt begrensd door het steigereiwit, meestal een lid van de uitwisselbare apolipoproteïnefamilie. Talrijke hydrofobe bioactieve stoffen zijn efficiënt opgelost in nanoschijven door hun integratie in het hydrofobe milieu van de lipide bilayer van het deeltje, wat een grotendeels homogene populatie deeltjes oplevert in het bereik van 10-20 nm in diameter. De formulering van nanoschijven vereist een nauwkeurige verhouding van individuele componenten, een geschikte sequentiële toevoeging van elke component, gevolgd door badsonificatie van het formuleringsmengsel. Het amfipathische scaffold-eiwit maakt spontaan contact met en reorganiseert het gedispergeerde dubbellaagse mengsel van lipide / bioactieve stof om een discrete, homogene populatie van nanoschijfdeeltjes te vormen. Tijdens dit proces gaat het reactiemengsel over van een ondoorzichtig, troebel uiterlijk naar een geklaard monster dat, wanneer het volledig is geoptimaliseerd, geen neerslag oplevert bij centrifugeren. Karakteriseringsstudies omvatten de bepaling van de oplosefficiëntie van bioactieve stoffen, elektronenmicroscopie, gelfiltratiechromatografie, ultraviolet zichtbare (UV / Vis) absorptiespectroscopie en / of fluorescentiespectroscopie. Dit wordt normaal gesproken gevolgd door een onderzoek naar biologische activiteit met behulp van gekweekte cellen of muizen. In het geval van nanoschijven die een antibioticum bevatten (d.w.z. het macrolide polyeenantibioticum amfotericine B), kan hun vermogen om de groei van gist of schimmels te remmen als functie van concentratie of tijd worden gemeten. Het relatieve gemak van formulering, veelzijdigheid met betrekking tot componenten, deeltjesgrootte op nanoschaal, inherente stabiliteit en waterige oplosbaarheid maakt talloze in vitro en in vivo toepassingen van nanoschijftechnologie mogelijk. In dit artikel beschrijven we een algemene methodologie om nanoschijven die amfotericine B bevatten te formuleren en te karakteriseren als het hydrofobe bioactieve middel.

Introduction

Ontluikende discoïdale lipoproteïnen met hoge dichtheid (HDL’s) zijn van nature voorkomende voorlopers van het veel overvloedigere bolvormige HDL dat aanwezig is in de menselijke bloedsomloop. Deze ontluikende deeltjes, ook wel pre-ß HDL genoemd, bezitten unieke en onderscheidende structurele eigenschappen¹. Inderdaad, in plaats van te bestaan als een sferoïdaal deeltje, zijn ontluikende HDL’s schijfvormig. Uitgebreide structurele karakteriseringsstudies op natuurlijke en gereconstitueerde discoïdale HDLs hebben aangetoond dat ze bestaan uit een fosfolipide bilayer waarvan de omtrek wordt begrensd door een amfipathisch uitwisselbaar apolipoproteïne (apo), zoals apoA-I. In het metabolisme van menselijke lipoproteïneën bouwen circulerende ontluikende HDL’s lipiden op uit perifere cellen en rijpen ze tot bolvormige HDLs in een proces dat afhankelijk is van belangrijke eiwitmediatoren, waaronder de ATP-bindingscassettetransporter A1 en lecithine: cholesterolacyltransferse². Dit proces vertegenwoordigt een cruciaal onderdeel van de omgekeerde cholesteroltransportroute die wordt beschouwd als beschermend tegen hartaandoeningen. Gewapend met deze kennis en het vermogen om discoïdale HDLs te reconstitueren, hebben onderzoekers deze deeltjes gebruikt als een therapeutische interventie om atherosclerose³ te behandelen. In wezen bevordert de infusie van gereconstitueerd HDL (rHDL) bij patiënten cholesterolefflux uit plaqueafzettingen en brengt het terug naar de lever voor omzetting in galzuren en uitscheiding uit het lichaam. Verschillende biotechnologie/farmaceutische bedrijven volgen deze behandelingsstrategie⁴.

Tegelijkertijd heeft het vermogen om deze deeltjes in het laboratorium te genereren geleid tot een vlaag van onderzoeksactiviteiten die heeft geleid tot nieuwe toepassingen en nieuwe technologieën. Een prominente toepassing betreft het gebruik van rHDL-deeltjes als een miniatuurmembraan om transmembraaneiwitten te huisvesten in een native-achtige omgeving⁵. Tot op heden zijn honderden eiwitten met succes opgenomen in discoïdale rHDL, en onderzoek heeft aangetoond dat deze eiwitten zowel inheemse conformatie als biologische activiteit behouden als receptoren, enzymen, transporters, enz. Van deze deeltjes, aangeduid als “nanodiscs”, is ook aangetoond dat ze vatbaar zijn voor structurele karakterisering, vaak met een hoge resolutie⁶. Deze benadering van onderzoek naar transmembraaneiwitten wordt erkend als superieur aan studies met detergentenmicellen of liposomen en vordert als gevolg daarvan snel. Het is belangrijk om te erkennen dat er twee verschillende methoden zijn gemeld die in staat zijn om een rHDL te vormen. De “cholaatdialyse” methode¹³ is populair voor toepassingen die verband houden met de opname van transmembraaneiwitten in de rHDL bilayer⁵. In wezen omvat deze formuleringsmethode het mengen van een tweelaagse fosfolipide, een steigereiwit en het transmembraaneiwit van belang in een buffer die het detergent natriumcholaat (of natriumdeoxycholaat; micelmolecuulgewicht [MW] van 4.200 Da) bevat. Het reinigingsmiddel lost de verschillende reactiecomponenten effectief op, waardoor het monster kan worden gedialyseerd tegen buffergebrek aan reinigingsmiddel. Tijdens de dialysestap, als het wasmiddel uit het monster wordt verwijderd, vormt zich spontaan een rHDL. Wanneer deze benadering wordt gebruikt om een transmembraaneiwit van belang in de val te lokken, worden de productdeeltjes nanodiscs⁵ genoemd. Pogingen om deze methode te gebruiken om hydrofobe bioactieve stoffen met kleine moleculen (MW <1.000 Da) op te nemen, zijn echter grotendeels mislukt. In tegenstelling tot transmembraaneiwitten kunnen bioactieve stoffen met kleine moleculen samen met het wasmiddel uit de dialysezak ontsnappen, waardoor hun opname-efficiëntie in rHDLs sterk afneemt. Dit probleem werd opgelost door detergentia weg te laten uit het formuleringsmengsel¹⁴. In plaats daarvan worden de componenten achtereenvolgens aan een waterige buffer toegevoegd, te beginnen met de tweelaagse die lipide vormt, waardoor een stabiel bioactief middel wordt gevormd dat rHDL bevat, een nanoschijf genoemd. Anderen hebben rHDL gebruikt voor de opname en het transport van in vivo beeldvormende middelen⁷. Meer recent zijn gespecialiseerde rHDL, bestaande uit een apolipoproteïnesteiger en de anionische glycerofosfolipide, cardiolipine, gebruikt in ligandbindingsstudies. Deze deeltjes bieden een platform voor studies naar de interactie van cardiolipine met verschillende in water oplosbare liganden, waaronder calcium, cytochroom c en het antikankermiddel doxorubicine⁸.

De focus van deze studie ligt op de formulering van rHDL die een stabiel opgenomen hydrofoob bioactief middel (d.w.z. nanoschijf) bezitten. Het vermogen van deze middelen om te integreren in het lipidemilieu van discoïdale rHDL-deeltjes verleent ze effectief waterige oplosbaarheid. Als zodanig hebben nanoschijven het potentieel voor in vivo therapeutische toepassingen. Bij het formuleren van nanoschijven zijn specifieke incubatie- / reactieomstandigheden vereist om met succes discrete hydrofobe bioactieve stoffen in het productdeeltje op te nemen, en het doel van dit rapport is om gedetailleerde praktische informatie te bieden die kan worden gebruikt als een fundamentele sjabloon voor het maken van nieuwe nanoschijfdeeltjes voor specifieke toepassingen. In de context van dit manuscript zijn de termen nanodisc en nanodisk dus niet uitwisselbaar. Terwijl nanodisc verwijst naar een rHDL geformuleerd om een transmembraaneiwit te bevatten dat is ingebed in zijn lipide bilayer⁵, verwijst de term nanodisk naar een rHDL geformuleerd om hydrofobe bioactieve stoffen met een laag molecuulgewicht (< 1.000 Da) op te nemen, zoals amfotericine B¹⁴.

Er zijn verschillende methoden beschikbaar voor de verwerving van geschikte steigereiwitten. Het is mogelijk om steigereiwitten te kopen van fabrikanten [bijv. apoA-I (SRP4693) of apoE4 (A3234)], maar de kosten kunnen een beperkende factor zijn. Een voorkeursbenadering is om recombinante steigereiwitten tot expressie te brengen in Escherichia coli. Protocollen zijn gepubliceerd voor humaan apoA-I⁹, apoE4¹⁰, evenals het insect hemolymfe-eiwit apolipophorin-III¹¹. Voor de hierin beschreven experimenten werd gebruik gemaakt van recombinant humaan apoE4 N-terminale (NT) domein (aminozuren 1-183). De nucleotidesequentie die codeert voor menselijk apoE4-NT werd gesynthetiseerd en ingevoegd in een pET-22b (+) expressievector direct grenzend aan de vectorgecodeerde pelB-leidersequentie. Dit construct leidt tot de expressie van een pelB leader sequence-apoE4-NT fusie-eiwit. Na eiwitsynthese leidt de bacteriële pelB-leidersequentie het nieuw gesynthetiseerde eiwit naar de periplasmatische ruimte waar leider peptidase de pelB-sequentie splitst. Het resulterende apoE4-NT-eiwit, zonder sequentietags of staarten, ontsnapt vervolgens aan de bacteriën en hoopt zich op in het kweekmedium^11,12, waardoor de verwerking stroomafwaarts wordt vereenvoudigd.

Protocol

1. Transformatie, expressie en zuivering van steigereiwitcomponent BL21 bacteriële transformatie met apoE4-NT bevattend plasmideOntdooi een buisje BL21 (DE3) competente cellen op ijs gedurende 10 min. Zodra al het ijs is gesmolten, mengt u voorzichtig en voorzichtig pipet 50 μL van de cellen in een transformatiebuis op ijs. Voeg 5 μL met 50 ng plasmide-DNA (voor sequentie, zie aanvullende tabel 1) toe aan het celmengsel. Veeg voorzichtig vier of…

Representative Results

Bioactief middel nanoschijf formuleringsprocesIn de beschreven ampB-nanoschijfformuleringsprocedure wordt de reactie als voltooid beschouwd wanneer het uiterlijk van het monster overgaat van troebel naar helder (figuur 1). Deze verandering geeft aan dat nanoschijven zijn gevormd en dat het bioactieve middel is opgelost. Vaak absorberen bioactieve stoffen licht in het zichtbare golflengtegebied (bijv. AmpB, curcumine, luteïne, co-enzym Q10) en in deze gevallen…

Discussion

Formulering van een bioactief middel dat nanoschijven bevat, biedt een handige methode om anders onoplosbare hydrofobe verbindingen op te lossen. Omdat de nanoschijven van het bioactieve middel van het product volledig oplosbaar zijn in waterige media, bieden ze een nuttige toedieningsmethode voor een breed scala aan hydrofobe moleculen (tabel 1). Deze omvatten kleine moleculen, natuurlijke en synthetische drugs, fytonutriënten, hormonen, enz. De formuleringsstrategie volgt meestal een standaardprotocol…

Materials

Amphotericin B	Cayman Chemical Company	11636	ND Formulation & Standard Preparation
Ampicillin	Fisher Scientific	BP17925	Transformation & Expansion
ApoE4-NT Plasmid	GenScript	N/A	Transformation
Baffled Flask	New Brunswick Scientific	N/A	Expansion & Expression
BL21 competent E coli	New England Biolabs	C2527I	Transformation
Centrifuge bottles	Nalgene	3140-0250	Expression
Chloroform	Fisher Scientific	G607-4	ND Formulation
DMSO	Sigma Aldrich	472301	Standard Prepartation
Dymyristoylphosphatidylcholine	Avanti Lipids	850345P	ND Formulation
Erlenmeyer flask	Bellco Biotechnology	N/A	Expansion & Expression
Falcon Tubes	Sarstedt Ag & Co	D51588	Yeast Viability Assay
Glass borosilicate tubes	VWR	47729-570	ND Formulation
GraphPad (Software)	Dotmatics	N/A	Yeast Viability Assay
Heated Sonication Bath	VWR	N/A	ND Formulaton
Heating and Nitrogen module	Thermo Scientific	TS-18822	ND Formulation
HiTrap Heparin HP (5 mL)	GE Healthcare	17-0407-03	Purification
Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside	Fisher Scientific	BP1755	Expression
J-25 Centrifuge	Beckman Coulter	J325-IM-2	Expression
JA-14 Rotor	Beckman Coulter	339247	Expression
Lyophilizer	Labconco	7755030	ND Formulation
Methanol	Fisher Scientific	A452-4	ND Formulation
Nitrogen gas	Praxair	UN1066	ND Formulation
NZCYM media	RPI Research Products	N7200-1000.0	Expansion & Expression
Pet-22B vector	GenScript	N/A	Transformation
Petri dish	Fisher Scientific	FB0875718	Transformation & Expansion
Quartz Cuvettes	Fisher Brand	14385 928A	Spectral Analysis
Shaking Incubator	New Brunswick Scientific	M1344-0004	Transformation, Expansion, & Expression
Slide-A-Lyzer Buoys	Thermo Scientific	66430	Purification
SnakeSkin Dialysis Tubing	Thermo Scientific	68100	Purification
SnakeSkin Dialysis Tubing	Thermo Scientific	88243	Purification
Sodium Chloride	Fisher Scientific	S271	Purification
Sodium Phosphate dibasic	Fisher Scientific	S374-500	Purification
Sodium Phosphate monobasic	Fisher Scientific	BP329-500	Purification
Spectra/POR Weighted Closures	Spectrum Medical Industries	132736	Purification
Spectrophotometer	Shimadzu UV-1800	220-92961-01	spectral analysis
Tabletop Centrifuge	Beckman Coulter	366816	ND Formulation
UVProbe 2.61 (Software)	Shimadzu	N/A	Spectral Analysis
Vacuum filter	Millipore	9004-70-0	Expression & Purification
Vacuum pump	GAST Manufacturing Inc	DOA-P704-AA	Expression & Purification
Vortex	Fisher Scientific	12-812	ND Formulation
Yeast	N/A	BY4741	Yeast Viability Assay
Yeast Extract-Peptone-Dextrose	BD	242820	Yeast Viability Assay