Synthese van monocyt-targeting Peptide Amfifiel micellen voor beeldvorming van atherosclerose
Summary
Dit document stelt een methode waarbij de synthese en de karakterisering van monocyt-targeting peptide Amfifiel micellen en de corresponderende testen om te testen voor biocompatibiliteit en het vermogen van de micel binden aan monocyten.
Abstract
Atherosclerose is een belangrijke bijdrage aan hart-en vaatziekten, de belangrijkste oorzaak van overlijden wereldwijd, die 17,3 miljoen doden per jaar beweert. Atherosclerose is ook de belangrijkste oorzaak van plotselinge dood en myocardinfarct, aangespoord door unstable plaques die scheuren en occlude van het bloedvat zonder waarschuwing. Huidige imaging modaliteiten kan niet differentiëren tussen stabiele en de instabiele plaques die scheuren. Peptide amfifielen micellen (PAMs) kunnen dit nadeel overwinnen als ze kunnen worden gewijzigd met een verscheidenheid van targeting wordt die specifiek aan zieke weefsels binden. Monocyten zijn gebleken te zijn van vroege markers van atherosclerose, terwijl grote opeenstapeling van monocyten geassocieerd met plaques vatbaar wordt voor scheuren. Vandaar, nanodeeltjes die zijn op monocyten gericht kan kan worden gebruikt om te discrimineren verschillende stadia van atherosclerose. Te dien einde, hier, beschrijven we een protocol voor de bereiding van monocyt-targeting PAMs (monocyte chemoattractant protein-1 (MCP-1) PAMs). MCP-1 PAMs zelf worden geassembleerd door synthese onder milde voorwaarden aan formulier nanodeeltjes van 15 nm in diameter met in de buurt van neutrale oppervlakte lading. In vitro, PAMs bleken te zijn biocompatibel en had een hoge bindende affiniteit voor monocyten. De hierin beschreven methoden tonen belofte voor een brede waaier van toepassingen in atherosclerose, alsmede andere ontstekingsziekten.
Introduction
Cardiovasculaire aandoeningen moeten nog worden de belangrijkste doodsoorzaken wereldwijd met ongeveer 17,3 miljoen doden wereldwijd1. Cardiovasculaire aandoeningen zijn bijgedragen door atherosclerose, een toestand waarin plaques in de slagaders, waardoor remmende bloed en zuurstof stroom aan de cellen van het lichaam,2,3 opbouwen. De progressie van aderverkalking houdt de verdikking en de verharding van de slagaders door een ontstekingsreactie, onregelmatige lipide metabolisme en plaque-opbouw, leidt tot plaque breuk en myocardiaal infarct4,5. Endotheliale cellen express cytokines en hechting moleculen, waaronder MCP-1, dat zich aan de C-C chemokine receptor (CCR2 bindt) gevonden op het oppervlak van de monocyten6,7,8. Geoxideerde cholesterol omgezet in monocyten macrofagen in de vroege fase van de vorming van de plaque, die de ontstekingsreactie in de regio versterkt en leidt tot weefsel schade en de vorming van onstabiele of kwetsbare plaques9, 10.
Traditioneel, wordt atherosclerose geëvalueerd door de beoordeling van luminal stenose door de anatomische geschikt zijn met behulp van angiografie of echografie11,12. Deze methoden kunnen echter alleen bepalen ernstige vernauwing van de arteriële muur en niet het beginstadium van atherosclerose, als eerste plaque groei arteriële remodelleren veroorzaakt voor het onderhouden van de grootte van de slagader en bloed stroom tarief12,13, 14. Daarom, angiograms underrepresent atherosclerose prevalentie. Bovendien berekend noninvasive beeldvormingstechnieken zoals één foton emissie tomografie, positron emissie tomografie en magnetische resonantie beeldvorming zijn onlangs gebruikt om plaque morfologie karakteriseren als zij eerste details bieden kunnen en karakterisering van plaques. Echter, deze modaliteiten zijn vaak beperkt door het gebrek aan gevoeligheid, ruimtelijke resolutie, of vereisen het gebruik van ioniserende straling, waardoor imaging plaque progressie in verschillende stadia veel meer uitdagende15,16, 17. Een imaging bezorgingssysteem dat specifiek plaques in verschillende stadia van atherosclerose zou identificeren moet nog worden ontwikkeld.
Nanodeeltjes hebben aangetoond een opkomende platform voor in-vivo plaque targeting en diagnostiek18,19,20,21. In het bijzonder zijn PAMs voordelig vanwege hun chemische diversiteit en de mogelijkheid om een verscheidenheid van wordt, composities, maten, vormen en oppervlakte functionalization22tegemoet te komen. Peptide amfifielen (BK) bestaan uit een hydrofiele, peptide “headgroup” gekoppeld aan een hydrofobe staart, die doorgaans lipiden; deze structuur amfifiele verleent zelfassemblerende mogelijkheden en zorgt voor een multivalent weergave van peptiden op het oppervlak van het deeltje22,23,24. De headgroups peptide kan invloed hebben op de vorm van de deeltjes via vouwen en waterstof binding tussen peptiden25. Peptiden die spatel door β-sheet interactie is aangetoond dat het vormen van een verlengde micellen, terwijl α-Helix bevestiging beide bolvormig en verlengde micellen22,23,24, vormen kan 25,26,27. Polyethyleenglycol (PEG) linkers die schild van de oppervlakte lading van de peptide kunnen worden geplaatst tussen de hydrofiele peptide en de hydrofobe staart van PAMs, verbetering van de beschikbaarheid van de nanoparticle in de systemische circulatie28, 29 , 30 , 31. PAMs zijn ook voordelig omdat ze biocompatibel en is aangetoond dat ze hebben een breed scala aan toepassingen32,33. De oplosbaarheid in water van micellen biedt een voordeel ten opzichte van andere nanoparticle-gebaseerde systemen zoals bepaalde polymere nanodeeltjes die niet oplosbaar is in water en moeten worden opgeschort in solubilizers voor injecties34. Bovendien, maakt de mogelijkheid om PAMs die demonteren maken in reactie op een specifieke stimuli PAMs een aantrekkelijke kandidaat voor gecontroleerde intracellulaire drug delivery35.
Door binding aan de receptor CCR2 en zich ophopen in de aortaboog, werden PAMs eerder ontwikkeld voor monocyt gericht op voor het controleren van de verschillende stadia van atherosclerotische laesies in de aorta9. In ApoE– / – muizen, monocyt accumulatie verhoogt proportioneel plaque progressie36. Bovendien bleek dat patiënten met breuk-gevoelig, alsnog plaques hogere hoeveelheden monocyten37 bevatten. De wijziging van PAMs te nemen MCP-1 is daarom nuttig, omdat het zorgt voor meer doelgerichtheid specificiteit en differentiatie tussen atherosclerotische laesies van de vroege – en late-stadium. Deze proof-of-concept studies ook verifiëren dat PAMs zijn veilig genoeg om te worden pre-clinically gebruikt en worden leeggemaakt renally38. Aangezien monocyten en ontsteking karakteristiek voor andere ziekten zijn, hebben MCP-1 PAMs het potentieel om te worden gebruikt voor therapeutische en diagnostische toepassingen in andere ziekten buiten atherosclerose8,39,40 , 41.
Hierin, rapporteren we de fabricage van uiterst schaalbare en zelf gemonteerd MCP-1 PAMs dat aangetoond van het deeltje optimale omvang, oppervlakte lading en selectieve richten aan monocyten voor verbeterde beeldbewerkingstoepassingen in atherosclerose.
Protocol
Representative Results
Discussion
MCP-1 PAMs zijn een veelbelovende moleculaire beeldvorming platform, bestaande uit een hydrofiele targeting peptide en hydrofobe staart die de zelf samengestelde aard van de nanoparticle drijft. Deze micel monocyt-targeting kan bereid worden door eenvoudige synthese en zuivering stappen van het MCP-1 peptide en DSPE-PEG (2000)-MCP-1. PAMs hebben vele gunstige kenmerken voor in vivo moleculaire beeldvorming zoals hun zelf-assemblage onder milde voorwaarden, intrinsieke biologische afbreekbaarheid en structurele e…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs wil erkennen de financiële steun van de University of Southern California, de National Heart, Lung, en Blood Institute (NHLBI), R00HL124279, Eli en jongevrouw brede Innovation Award en de L.K. Whittier Stichting Non-kanker Translationeel onderzoek Award toegekend aan EJC. De auteurs bedanken het centrum voor elektronenmicroscopie en belichten, Center of Excellence in NanoBiophysics Center of Excellence voor moleculaire karakterisering en Translational Imaging Center aan de University of Southern California voor bijstand in instrumentale opstellingen.
Materials
| 1,2-ethanedithiol | VWR | E0032 | for peptide synthesis |
| 10 mL disposable serological pipets | VWR | 89130-898 | for cell culture |
| 15 mL centrifuge tubes, polypropylene | VWR | 89401-566 | for various applications |
| 2,5-dihydroxybenzoic acid, 99% | Fisher Scientific | AC165200050 | for MALDI |
| 25 mL disposable serological pipets | VWR | 89130-900 | for cell culture |
| 2-Mercaptoethanol, 50 mM | ThermoFisher Scientific | 31350010 | for cell culture |
| 5 mL disposable serological pipets | VWR | 89130-896 | for cell culture |
| 50 mL centrifuge tubes | VWR | 89039-658 | for various applications |
| 75 cm2 culture flask | Fisher Scientific | 13-680-65 | for cell culture |
| 75 mL reaction vessel | Protein Technologies | 3000005 | for peptide synthesis |
| 96-wells cell culture plate | VWR | 40101-346 | for MTS assay |
| Acetonitrile, HPLC grade | Fisher Scientific | A998SK-4 | for HPLC purification |
| Borosilicate glass, 1 dram | VWR | 66011-041 | for PAM synthesis |
| Borosillicate glass pipet, Long tips | VWR | 14673-043 | for various applications |
| Coverslip, 0.16-0.19 mm, 22 x 22 mm | Fisher Scientific | 12-542B | for confocal microscopy |
| Cy5 amine | Abcam | ab146463 | for peptide conjugation |
| Diethyl ether, ACS grade | Fisher Scientific | E138-1 | for peptide precipitation |
| Disposable syringes, 20 mL | Fisher Scientific | 14-817-54 | for HPLC purification |
| Double neubauer ruled hemocytometer | VWR | 63510-13 | for cell counting |
| DSPE-PEG(2000) amine | Avanti | 880128P | for peptide conjugation |
| DSPE-PEG(2000) maleimide | Avanti | 880126P | for peptide conjugation |
| DSPE-PEG(2000)-NHS ester | Nanocs | PG2-DSNS-10K | for conjugation to Cy5 |
| Dulbecco's modified eagle medium-high glucose | Sigma Aldrich | D5796-500ML | for cell culture |
| Fetal bovine serum, qualified, heat inactivated | ThermoFisher Scientific | 10438026 | for cell culture |
| Fmoc-L-Ala-OH /HBTU | Protein Technologies | PS3-H5-A | for peptide synthesis |
| Fmoc-L-Arg(Pbf)-OH /HBTU | Protein Technologies | PS3-H5-RBF | for peptide synthesis |
| Fmoc-L-Asn(Trt)-OH /HBTU | Protein Technologies | PS3-H5-NT | for peptide synthesis |
| Fmoc-L-Cys(Trt)-OH /HBTU | Protein Technologies | PS3-H5-CT | for peptide synthesis |
| Fmoc-L-Gln(Trt)-OH /HBTU | Protein Technologies | PS3-H5-QT | for peptide synthesis |
| Fmoc-L-Ile-OH /HBTU | Protein Technologies | PS3-H5-I | for peptide synthesis |
| Fmoc-L-Leu-OH /HBTU | Protein Technologies | PS3-H5-L | for peptide synthesis |
| Fmoc-L-Lys(Boc)-OH /HBTU | Protein Technologies | PS3-H5-KBC | for peptide synthesis |
| Fmoc-L-Phe-OH /HBTU | Protein Technologies | PS3-H5-F | for peptide synthesis |
| Fmoc-L-Ser(tBu)-OH /HBTU | Protein Technologies | PS3-H5-SB | for peptide synthesis |
| Fmoc-L-Thr(tBu)-OH /HBTU | Protein Technologies | PS3-H5-TB | for peptide synthesis |
| Fmoc-L-Tyr(tBu)-OH /HBTU | Protein Technologies | PS3-H5-YB | for peptide synthesis |
| Fmoc-L-Val-OH /HBTU | Protein Technologies | PS3-H5-V | for peptide synthesis |
| Fmoc-Lys(Boc)-wang resin, 100-200 mesh | Novabiochem | 856013 | for peptide synthesis |
| Formic acid, optima LC/MS grade | Fisher Scientific | A117-50 | for HPLC purification |
| Glycerol | VWR | M152-1L | for confocal microscopy |
| Hand tally counter | Fisher Scientific | S90189 | for cell counting |
| Magnetic stir bars, egg-shaped | VWR | 58949-006 | for peptide conjugation |
| Methanol, ACS certified | Fisher Scientific | A412-4 | for PAM synthesis |
| MTS cell proliferation colorimetric assay kit | VWR | 10191-104 | for MTS assay |
| N,N-Dimethylformamide, sequencing grade | Fisher Scientific | BP1160-4 | for peptide synthesis |
| N-Methylmorpholine | Protein Technologies | S-1L-NMM | for peptide synthesis |
| Paraformaldehyde | Fisher Scientific | AC416780250 | for fixing cells |
| PBS, pH 7.4 | ThermoFisher Scientific | 10010049 | for various applications |
| Penicillin/streptomycin, 10,000 U/mL | ThermoFisher Scientific | 15140122 | for cell culture |
| Peptide synthesis vessel, 25 mL | Fisher Scientific | CG186011 | for peptide synthesis |
| Phosphotungstic acid | Fisher Scientific | A248-25 | for TEM |
| Piperidine | Spectrum | P1146-2.5LTGL | for peptide synthesis |
| Plain glass microscope slide 75 x 25 mm | Fisher Scientific | 12-550-A3 | for confocal microscopy |
| Reagent reservoirs, sterile | VWR | 95128093 | for cell culture |
| Self-closing tweezer | TedPella | 515 | for TEM |
| TEM support film | TedPella | 01814F | for TEM |
| Trifluoroacetic acid | Fisher Scientific | BP618-500 | for peptide cleavage and HPLC purification |
| Triisopropylsilane | VWR | TCT1533-5ml | for peptide cleavage |
| Trypan blue solution, 0.4% | ThermoFisher Scientific | 15250061 | for cell counting |
| Tweezer, general purpose-serrated | VWR | 231-SA-SE | for confocal microscopy |
| WEHI-274.1 | ATCC | ATCC CRL-1679 | murine monocyte |
| automated benchtop peptide synthesizer | Protein Technologies | PS3 Benchtop Peptide Synthesizer | |
| α- cyano- 4- hydroxycinnamic acid, 99% | Sigma Aldrich | 476870-2G | for MALDI |
Referências
- Mozaffarian, D., et al. Heart Disease and Stroke Statistics-2016 Update: A Report From the American Heart Association. Circulation. 133 (4), e38-e60 (2016).
- Falk, E. Pathogenesis of atherosclerosis. J. Am. Coll. Cardiol. 47 (8, Suppl. C), C7-C12 (2006).
- Rahmani, M., Cruz, R. P., Granville, D. J., McManus, B. M. Allograft Vasculopathy Versus Atherosclerosis. Circ. Res. 99 (8), 801-815 (2006).
- Luis, A. J. Atherosclerosis. Nature. 407 (6801), 233-241 (2000).
- Libby, P., Ridker, P. M., Hansson, G. K. Progress and challenges in translating the biology of atherosclerosis. Nature (London, U. K). 473 (7347), 317-325 (2011).
- Boring, L., Gosling, J., Cleary, M., Charo, I. F. Decreased lesion formation in CCR2-/- mice reveals a role for chemokines in the initiation of atherosclerosis. Nature (London). 394 (6696), 894-897 (1998).
- Szmitko, P. E., et al. New Markers of Inflammation and Endothelial Cell Activation. Circulation. 108 (16), 1917-1923 (2003).
- Deshmane, S. L., Kremlev, S., Amini, S., Sawaya, B. E. Monocyte Chemoattractant Protein-1 (MCP-1): An Overview. J. Interferon Cytokine Res. 29 (6), 313-326 (2009).
- Chung, E. J., et al. Monocyte-Targeting Supramolecular Micellar Assemblies: A Molecular Diagnostic Tool for Atherosclerosis. Adv. Healthcare Mater. 4 (3), 367-376 (2015).
- Chung, E. J. Targeting and therapeutic peptides in nanomedicine for atherosclerosis. Exp Biol Med (Maywood). 241 (9), 891-898 (2016).
- Sanz, J., Fayad, Z. A. Imaging of atherosclerotic cardiovascular disease. Nature (London, U. K.). 451 (7181), 953-957 (2008).
- Tarkin, J. M., et al. Imaging Atherosclerosis. Circ. Res. 118 (4), 750-769 (2016).
- Hennerici, M., Baezner, H., Daffertshofer, M. Ultrasound and arterial wall disease. Cerebrovasc Dis. 17 Suppl 1, 19-33 (2004).
- Nissen, S. E. Application of intravascular ultrasound to characterize coronary artery disease and assess the progression or regression of atherosclerosis. Am J Cardiol. 89 (4A), 24B-31B (2002).
- Khalil, M. M., Tremoleda, J. L., Bayomy, T. B., Gsell, W. Molecular SPECT Imaging: An Overview. Int J Mol Imaging. 2011, 796025 (2011).
- Lerakis, S., et al. Imaging of the vulnerable plaque: noninvasive and invasive techniques. Am J Med Sci. 336 (4), 342-348 (2008).
- Sun, Z. H., Rashmizal, H., Xu, L. Molecular imaging of plaques in coronary arteries with PET and SPECT. J Geriatr Cardiol. 11 (3), 259-273 (2014).
- Godin, B., et al. Emerging applications of nanomedicine for the diagnosis and treatment of cardiovascular diseases. Trends Pharmacol. Sci. 31 (5), 199-205 (2010).
- Branco de Barros, A. L., Tsourkas, A., Saboury, B., Cardoso, V. N., Alavi, A. Emerging role of radiolabeled nanoparticles as an effective diagnostic technique. EJNMMI Res. 2 (1), 31-39 (2012).
- Jayagopal, A., Linton, M. F., Fazio, S., Haselton, F. R. Insights into atherosclerosis using nanotechnology. Curr. Atheroscler. Rep. 12 (3), 209-215 (2010).
- Khodabandehlou, K., Masehi-Lano, J. J., Poon, C., Wang, J., Chung, E. J. Targeting cell adhesion molecules with nanoparticles using in vivo and flow-based in vitro models of atherosclerosis. Exp Biol Med (Maywood). 242 (8), 799-812 (2017).
- Trent, A., Marullo, R., Lin, B., Black, M., Tirrell, M. Structural properties of soluble peptide amphiphile micelles. Soft Matter. 7 (20), 9572-9582 (2011).
- Hartgerink, J. D., Beniash, E., Stupp, S. I. Peptide-amphiphile nanofibers: A versatile scaffold for the preparation of self-assembling materials. Proceedings of the National Academy of Sciences. 99 (8), 5133-5138 (2002).
- Missirlis, D., et al. Effect of the Peptide Secondary Structure on the Peptide Amphiphile Supramolecular Structure and Interactions. Langmuir. 27 (10), 6163-6170 (2011).
- Zhong, L., Johnson, W. C. Environment affects amino acid preference for secondary structure. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 89 (10), 4462-4465 (1992).
- Shimada, T., Lee, S., Bates, F. S., Hotta, A., Tirrell, M. Wormlike Micelle Formation in Peptide-Lipid Conjugates Driven by Secondary Structure Transformation of the Headgroups. J. Phys. Chem. B. 113 (42), 13711-13714 (2009).
- Missirlis, D., et al. Linker Chemistry Determines Secondary Structure of p5314-29 in Peptide Amphiphile Micelles. Bioconjugate Chem. 21 (3), 465-475 (2010).
- Elbert, D. L., Hubbell, J. A. Surface treatments of polymers for biocompatibility. Annu. Rev. Mater. Sci. 26, 365-394 (1996).
- Xue, Y., O’Mara, M. L., Surawski, P. P. T., Trau, M., Mark, A. E. Effect of Poly(ethylene glycol) (PEG) Spacers on the Conformational Properties of Small Peptides: A Molecular Dynamics Study. Langmuir. 27 (1), 296-303 (2011).
- Canalle, L. A., Loewik, D. W. P. M., van Hest, J. C. M. Polypeptide-polymer bioconjugates. Chem. Soc. Rev. 39 (1), 329-353 (2010).
- Hamley, I. W. PEG-Peptide Conjugates. Biomacromolecules. 15 (5), 1543-1559 (2014).
- Acar, H., et al. Self-assembling peptide-based building blocks in medical applications. Adv. Drug Delivery Rev. , (2016).
- Busseron, E., Ruff, Y., Moulin, E., Giuseppone, N. Supramolecular self-assemblies as functional nanomaterials. Nanoscale. 5 (16), 7098-7140 (2013).
- Barrett, J. C., et al. Modular Peptide Amphiphile Micelles Improving an Antibody-Mediated Immune Response to Group A Streptococcus. ACS Biomater. Sci. Eng. 3 (2), 144-152 (2017).
- Toughrai, S., et al. Reduction-Sensitive Amphiphilic Triblock Copolymers Self-Assemble Into Stimuli-Responsive Micelles for Drug Delivery. Macromol. Biosci. 15 (4), 481-489 (2015).
- Swirski, F. K., et al. Monocyte accumulation in mouse atherogenesis is progressive and proportional to extent of disease. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 103 (27), 10340-10345 (2006).
- Kashiwagi, M., et al. Association of monocyte subsets with vulnerability characteristics of coronary plaques as assessed by 64-slice multidetector computed tomography in patients with stable angina pectoris. Atherosclerosis (Amsterdam, Neth). 212 (1), 171-176 (2010).
- Chung, E. J., Tirrell, M. Recent Advances in Targeted, Self-Assembling Nanoparticles to Address Vascular Damage Due to Atherosclerosis. Adv. Healthcare Mater. 4 (16), 2408-2422 (2015).
- Cassetta, L., Pollard, J. W. Cancer immunosurveillance: role of patrolling monocytes. Cell Res. 26 (1), 3-4 (2016).
- Williams, C. B., Yeh, E. S., Soloff, A. C. Tumor-associated macrophages: unwitting accomplices in breast cancer malignancy. NPJ Breast Cancer. 2, (2016).
- Richards, D. M., Hettinger, J., Feuerer, M. Monocytes and Macrophages in Cancer: Development and Functions. Cancer Microenviron. 6 (2), 179-191 (2013).
- Schick, M. J. Effect of temperature on the critical micelle concentration of nonionic detergents. Thermodynamics of micelle formation. J. Phys. Chem. 67 (9), 1796-1799 (1963).
- Marullo, R., Kastantin, M., Drews, L. B., Tirrell, M. Peptide contour length determines equilibrium secondary structure in protein-analogous micelles. Biopolymers. 99 (9), 573-581 (2013).
- Hilbich, C., Kisters-Woike, B., Reed, J., Masters, C. L., Beyreuther, K. Substitutions of hydrophobic amino acids reduce the amyloidogenicity of Alzheimer’s disease βA4 peptides. J. Mol. Biol. 228 (2), 460-473 (1992).
- Trevino, S. R., Scholtz, J. M., Pace, C. N. Amino Acid Contribution to Protein Solubility: Asp, Glu, and Ser Contribute more Favorably than the other Hydrophilic Amino Acids in RNase Sa. J. Mol. Biol. 366 (2), 449-460 (2007).
- Kim, S. W., Shi, Y. Z., Kim, J. Y., Park, K. N., Cheng, J. X. Overcoming the barriers in micellar drug delivery: Loading efficiency, in vivo stability, and micelle-cell interaction. Expert Opin Drug Delivery. 7 (1), 49-62 (2010).
- Rangel-Yagui, C. O., Pessoa, A., Tavares, L. C. Micellar solubilization of drugs. J. Pharm. Pharm. Sci. 8 (2), 147-163 (2005).
- Batrakova, E., et al. Fundamental relationships between the composition of pluronic block copolymers and their hypersensitization effect in MDR cancer cells. Pharm. Res. 16 (9), 1373-1379 (1999).
- Chen, L. J., Lin, S. Y., Huang, C. C. Effect of Hydrophobic Chain Length of Surfactants on Enthalpy-Entropy Compensation of Micellization. J. Phys. Chem. B. 102 (22), 4350-4356 (1998).
