Polymer-proteinhybrid
Polymer-protein-hybrider är en klass av nanostruktur som består av protein - polymer -konjugat (dvs komplex som består av ett protein fäst vid en eller flera polymerkedjor ). Proteinkomponenten ger generellt fördelarna med biokompatibilitet och biologisk nedbrytbarhet , eftersom många proteiner produceras naturligt av kroppen och därför tolereras väl och metaboliseras. Även om proteiner används som riktade terapiläkemedel kvarstår fortfarande de huvudsakliga begränsningarna - bristen på stabilitet och otillräckliga cirkulationstider. Därför har protein-polymerkonjugat undersökts för att ytterligare förbättra farmakologiskt beteende och stabilitet. Genom att justera den kemiska strukturen hos protein-polymer-konjugaten kan polymer-proteinpartiklar med unika strukturer och funktioner, såsom stimulusrespons, anrikning av specifika vävnadstyper och enzymaktivitet, syntetiseras. Polymer-proteinpartiklar har varit i fokus för mycket forskning nyligen eftersom de har potentiella användningsområden inklusive bioseparationer, avbildning, biosensing, gen- och läkemedelsleverans.
Typer
Enkelkedjiga protein-polymerhybrider
Att fästa en enda polymerkedja till ett specifikt ställe bort från proteinets aktiva centrum har mindre inverkan på proteinaktiviteten jämfört med slumpmässiga bindningar. I praktiken kan man använda en enkel polymerkedja för att justera det terapeutiska proteinets kemiska egenskaper. Till exempel kan konjugering av en enda kedja av den hydrofila polyetylenglykolen (PEG) öka den hydrodynamiska radien för proteinkonjugatet med 5-10 gånger. Bindning till PEG uppnåddes huvudsakligen genom kovalent konjugering via ympningsstrategin, inriktad på kemoselektiva ankargrupper. Andra polymerer, såsom oligosackarider och polypeptider, erbjuder olika egenskaper för de enzymer som är fästa vid dem.
Stimuli responsiva hybrider
Värme
Forskare konjugerade den termokänsliga polymeren poly(N-isopropylakrylamid) (pNIPAm) med det biotinigenkännande proteinet streptavidin nära dess igenkänningsställe. Vid temperaturer över den lägre kritiska lösningstemperaturen (LCST), kollapsar polymeren och blockerar bindningsstället och förhindrar således reversibelt biotin från att binda till streptavidin. Genom sampolymerisation med två olika värmekänsliga polymerer poly(sulfobetain methacrylamide) (pSBAm) och pNIPAm tillsammans, kan forskare kontrollera enzymaktivitet i ett litet temperaturfönster.
Ljus
((N,N'-dimetylakrylamid)-co-4-fenylazofenylakrylat) vid det aktiva stället för endoglykanas skapar en fotoväxlingsbar proteinhybrid. Den resulterande hybriden katalyserar hydrolysen av glykosid när den bestrålas med 350 nm UV-ljus, men blir inaktiv under 420 nm synligt ljus beroende på konformationen av den konjugerade polymeren.
Polymerskalproteinkärna
Ett polymerskal bildas genom konjugering av flera molekyler av polymerer på proteinkärnan. Polymerskalet kan antingen skydda proteinkärnan från oönskad nedbrytning eller skapa önskade interaktiva platser för gästmolekyler. Den första generationen av polymerskalproteinkärnstrukturer används huvudsakligen av polyetylenglykol (PEG)-kedjor för att öka den hydrodynamiska radien och minska immunsvaret mot proteiner. PEG-skalet kan dock minska proteinaktiviteten i den inre kärnan. Mer avancerade konstruktioner använder biologiskt nedbrytbara linkers för att uppnå programmerad frisättning av proteinkärnan i specifika vävnader. Flera terapeutiska design med biologiskt nedbrytbara PEG-skal utvecklas redan in vivo .
Direkt konjugering av polymerer ("ympa till" strategi) kan effektivt konstruera ett polymerskal med olika polymertyper, men det har låg polymerdensitet, speciellt med stora polymerer. Däremot tillåter "ympa från"-strategin bildningen av ett tätt och enhetligt polymerskal. Proteinkärnan kan också fungera som en bärare för andra terapeutiska molekyler, såsom plasmid-DNA.
Dendritpolymerskal har ett högt förhållande mellan volym och molekylvikt jämfört med traditionella polymerskal. Att använda grenade kolhydrater kan ge unika biologiska egenskaper samtidigt som den molekylära definitionen bibehålls.
Icke-kovalent konjugation
Även om kovalent konjugering har varit den dominerande strategin för att konstruera polymer-proteinhybrider, kan icke-kovalent kemi lägga till ytterligare en nivå av komplexitet och ger möjlighet att skapa högre ordningsstrukturer. Specifikt går självmontering genom icke-kovalenta interaktioner snabbt framåt. Supramolekylär självmontering kan skapa nanopartiklar, vesikler/miceller, proteinburar, etc. Metallbindande interaktioner, värd-gäst- och borsyrabaserad kemi studeras allmänt som icke-kovalenta konjugationsmetoder för att skapa polymer-proteinhybrider.
Polymer-Streptavidin-system
Streptavidin är ett protein renat från bakterien Streptomyces avidinii , som har hög affinitet för biotin. Genom att kovalent koppla streptavidin och polymerer kan väldefinierade supramolekylära konstruktioner skapas på grund av den höga specificiteten hos
Streptavidin för både biotin och dess analoger.
Med utgångspunkt i den kovalenta kärnskalsstrategin har flera polymer-streptavidinsystem utvecklats för affinitetsseparation, biosensorer och diagnostiska applikationer på grund av proteinets robusta bindningsförhållanden och stabilitet.
Streptavidin kan användas som en makroinitiator för in situ ATRP , genom ympning från strategi kan ett stökiometriskt väldefinierat polymer-proteinkonjugat syntetiseras. Polymerstreptavidinsystem kan också bemyndigas att korsa det cellulära membranet genom att konjugera med cellpenetrerande molekyler såsom peptider och membranstörande polymerer.
Polymerstreptavidinsystem kan också moduleras för att svara på vissa miljöförändringar såsom pH. Genom att införliva pH-känslig poly(propylakrylsyra) (PPAAc) i systemet kan tumörcellssuppressor p53 och cytokrom C levereras till cancerceller effektivt.
För biomolekyler som inte hämmas av biotin-streptavidin-interaktionen, har iminobiotin, en analog av biotin, använts som en pH-känslig länk som tillåter kontrollerad och reversibel sammansättning och intracellulär frisättning av lastmolekyler i sura intracellulära fack.
Protein-polymer hybrid supramolekylära strukturer
Polymer-proteinkonjugat kan också bilda en högre ordnad supramolekylär struktur via självmontering av amfifila polymerer till miceller och mikrokapslar, vilket är en av de mest lovande strategierna för att generera läkemedelsleveranssystem. Sådana system har den medfödda fördelen av snabb förberedelse, en hög läkemedelsladdningskapacitet, enkel ytdekoration och potentialen att vara stimuli känsliga.
Miceller
Miceller hänvisar till en typ av supramolekylär struktur som består av amfifila molekyler självsammansättningar, vanligtvis ihåliga centrerade. Forskare har framgångsrikt konjugerat ett diblocksampolymerställe specifikt till GFP, det resulterande amfifila polymer-proteinkonjugatet kan reversibelt självmontera till miceller.
Förutom att bibehålla den naturliga klotformen hos proteiner, kan polypeptidryggraden i denaturerade proteiner också användas för att konjugeras med hydrofila polymerkedjor för att generera högre ordnad struktur genom hydrofoba interaktioner. Till exempel kommer nanokonjugat av polyetylenglykol (PEG) och denaturerat bovint serumalbumin (BSA) spontant att självbilda sig till en micellär struktur, vars proteinkärna kan adsorbera ett stort antal hydrofoba läkemedel.
Nanopartiklar
Ett effektivt sätt att syntetisera protein-polymer-hybridnanopartiklar är att dra fördel av fotoinitierad reversibel additionsfragmenteringskedjeöverföring (RAFT) polymerisationsinducerad självmontering (PISA) genom att använda multi-RAFT modifierat bovint serumalbumin (BSA) som en makromolekylär kedja överföringsagent. RAFT-medierad tillväxt av PHPMA-kedjorna kommer att ympa från BSA-RAFT och öka hydrofobiciteten hos stjärn-BSA−PHPMA-konjugaten. Vid den kritiska aggregationskoncentrationen bildar de nanopartiklar på grund av de hydrofoba interaktionerna. De resulterande nanopartiklarna visar utmärkt inkapslingsförmåga för både hydrofoba och hydrofila molekyler, såsom cancerläkemedel och DNA.
En ganska enkel metod att framställa protein-polymer-hybridnanopartiklar är nanoutfällning. Sfäriska nanopartiklar bestående av BSA-PMMA med diametrar på cirka 100 nm erhölls och det vattenolösliga kemoterapeutiska läkemedlet camptothecin inkapslades i den hydrofoba kärnan bestående av PMMA. Sådana protein-polymer-hybridnanopartiklar har avstämbara storlekar och ytladdningar, har attraktiva biokompatibiliteter och tillåter effektivt cellupptag. Camptothecin-inkapslade BSA-PMMA nanopartiklar avslöjade förbättrad antitumöraktivitet både in vitro och hos djur.
Utöver nanoskalan kan protein-polymerkonjugat också användas som byggstenar för att konstruera mer komplicerade strukturer såsom mikrokapslar genom hydrofoba interaktioner. Genom att utföra plockningsemulsionsteknik för att bearbeta BSA–pNIPAm nanokonjugat till ihåliga mikrokapslar som består av ett tätt packat monolager av konjugerade protein–polymerbyggstenar (benämnda proteinosomer). Dessa proteinosomer uppvisar protocellulära egenskaper såsom gästmolekylinkapsling, selektiv permeabilitet, kontrollerbar mobilisering, genriktad proteinsyntes och membranstyrd internaliserad enzymkatalys.
Baserat på den ovan nämnda metoden har en multiresponsiv mikrokapsel syntetiserats genom att inkorporera fotoväxlingsbara spiropyranenheter och den termoresponsiva monomeren N-isopropylakrylamid i membranet. Stimuli-känsliga membran uppvisade fördelar vid infångning och frisättning av produkter med olika molekylvikt genom att öppna och stänga de fotoresponsiva spiropyranliganderna, under kroppstemperatur, rumstemperatur, UV, redox.
Ett annat effektivt sätt att modulera permeabiliteten hos mikrokapslar var baserat på en självuppoffrande strategi. Genom att selektivt använda lysozym och BSA som byggstenar såväl som självuppoffrande komponenter, kunde motsvarande porer genereras i membranet, och sedan kunde permeabiliteten för de genererade mikrokapslarna ökas från 10 kDa till 22 kDa och sedan till 71 kDa. Genom att ladda FITC-Lys (14 kDa), RBITCdextran (70 kDa) och DNA (90 kDa) i mikrokapslarna, realiserades en programmerad frisättning av inkapslingsmedlen från låg molekylvikt till hög molekylvikt.
Med användning av liknande strategi utvecklades pH-känsliga protein-polymer-mikrokapslar. Både doxycyklin (DOX) och folsyra inkorporerades kovalent på ytan av protein. Den mycket låga toxiciteten hos polymer-protein nanokonjugat undvek effektivt den höga toxiciteten hos DOX, som förväntas inte bara minska toxiska biverkningar, utan också förbättra anticancereffektiviteten in vitro-undersökningar.
Protein Nanocages
Protein nanocages är naturliga nanobärare sammansatta av proteinsubenheter med en porös struktur. De drar nytta av monodispersitet, inneboende hög stabilitet för skydd av internaliserade läkemedel från enzymatisk nedbrytning och kontrollerbar montering för lastning och frisättning.
Emellertid kan deras tillämpning blockeras av immunogenicitet, bred biodistribution och betydande funktions- och egenskapsvariationer. Införlivandet av polymerkedjor genom att utföra in situ ATRP på den yttre ytan av eller inuti proteinnanocages kan vara ett effektivt sätt att mildra dessa nackdelar. Till exempel kan ökad laddningstäthet av lastmolekyler och förbättrad stabilitet hos buraggregatet erhållas via intern ATRP inuti viruskapsidens hålighet.
Utöver partiklar av virustyp har stora multimera proteiner som järnlagringsproteinet ferritin dykt upp som attraktiva verktyg för att användas som väldefinierade nanobehållare. Med hjälp av en ympningsstrategi kan polymerer introduceras till ferritin på ett mycket regelbundet sätt för exakt rumslig kontroll. Dessa polymer-ferritin-konstruktioner uppvisade proteasresistens, vilket möjliggjorde längre retentionstid i blodomloppet samtidigt som de minskade möjliga antikroppsinteraktioner.
Egenskaper
Polymer-Protein nanopartiklar innehåller inte bara de traditionella egenskaperna hos nanopartiklar, utan har också sina egna unika egenskaper baserade på egenskaperna hos specifika proteiner. Eftersom de är proteinhaltiga har de hög biokompatibilitet, biologisk nedbrytbarhet och biofunktionalitet. Protein-polymer biokonjugat som är byggstenen i polymer-protein-hybrider uppvisar en unik mängd egenskaper såsom: ljusväxlande effekter, akustisk signalfångning, termisk energiöverföring och magnetisk signalrespons.
Syntes
Syntes av polymer-proteinhybrider
I allmänhet kan polymer-protein-hybrider syntetiseras genom gränssnittssjälvsammansättning av protein-polymerkonjugat i emulsioner.
Ympning till
Ympning till tillvägagångssätt som är den vanligaste och enklaste metoden hänvisar till att direkt fästa de syntetiska polymererna till målproteinet. Denna teknik kan konstrueras för platsspecifik eller slumpmässig konjugation och, jämfört med andra konjugationsmetoder, ger den enkel och noggrann karakterisering av polymer före konjugering. Och när man använder denna metod förblir proteinet opåverkat av polymerisationsmetoder.
Ympning från
Som visas i figuren konjugeras ett protein först med initiatorn och polymerkedjan växer sedan från proteinkärnan på ett kontrollerat sätt via levande polymerisation. På samma sätt, till de tidigare diskuterade metoderna, kan ympning från tillvägagångssätt utformas för platsspecifik eller slumpmässig vidhäftning.
Ympning igenom
Inte som ympning från och ympning till tillvägagångssätt som kan konjugera flera polymerer till en proteinkärna, gör ympningsmetoden det möjligt för flera proteiner att ansluta till en polymerkedja på grund av proteinets multivalenta natur.
Ansökan
Värmekänsliga protein-polymerpartiklar
Termokänsliga konjugat har utnyttjats för efterföljande separation av proteiner från en komplex blandning. Denna metod har använts för att rena polyklonala antikroppar i serumprover. Denna reningsmetod är snabb, känslig, billig och kan användas för att rena olika typer av antikroppar.
Termokänsliga konjugat kan också utnyttjas för att förmedla bioaktivitet. En av användbarheten av metoden är demonstrerad temperaturkontroll av biotinbindning och frisättning. Biotinbindning observerades under LCST, medan över LCST aggregerade konjugaten, och biotinbindningsaffiniteten reducerades med ~20%. Genom att ändra temperaturen kan återhämtningen av de biotinylerade molekylerna uppnås.
Protein-polymerpartiklar designade för läkemedelstillförsel
Absorptionen av proteiner för partiklar i fysiologiska vätskor kan i hög grad påverka den efterföljande medicinska prestandan för partiklar in vivo. Ospecifik proteinadsorption kan kontrolleras in vivo genom att modifiera nanopartikelytan med ett icke-toxiskt, biokompatibelt protein som har tolererbara antigena egenskaper såsom albumin.
Den höga igenkänningsförmågan hos proteiner kan möjliggöra hög leveranseffektivitet. Protein-polymerpartiklar har potential att leverera läkemedel till specifika regioner av kroppen med hjälp av den inneboende bioigenkänningsegenskapen vid proteingränsytan. Dessutom kan presentationen av specifika proteiner på nanopartikelytor i vissa fall vara användbar för att underlätta passagen genom ogenomträngliga biologiska barriärer.
Partiklar designade för andra biomedicinska och biotekniska tillämpningar
Nanoreaktorer
Enzymkatalyserade reaktioner kan utföras vid högre temperaturer med hjälp av enzymimmobiliserade nanopartiklar, där närvaron av flera proteiner vid nanopartikelytan underlättar kvarhållandet av vattenmolekyler vilket begränsar denatureringen av de fästa proteinerna. Efter modifiering med poly(amid) kunde proteinaktiviteten förbli oförändrad under 500 min vid 50 ℃, medan halveringstiden för det naturliga lipaset vid 50 ℃ endast är 30 min i vattenlösning. Immobiliserade enzymer på nanopartiklar kan avsevärt förbättra effektiviteten av enzymreaktioner genom att öka toleransen för ett bredare spektrum av experimentella förhållanden utan att väsentligt minska den biologiska aktiviteten. Dessutom rapporteras polymer-proteinpartiklar att styra aktiviteten av proteiner och dela upp olika enzymer för att utföra flerstegsreaktioner.
Proteinrening och separation
Genom att immobilisera proteiner till polymernanopartiklar eller polymer/oorganiska hybridnanopartiklar (såsom polymerstabiliserade järnoxidnanopartiklar) kan proteiner eller deras affinitetsligander separeras från komplexa lösningar genom att applicera magnetfält eller centrifugering. Lipas fäst till järnoxidnanopartiklar bibehöll 85 % biologisk aktivitet efter 30 reaktions- och separationscykler.
Eftersom det lämpliga målet kombineras med magnetiska nanopartiklar, kan det valda målet magnetiskt separeras direkt från naturliga biologiska vätskor, vilket erbjuder en snabb, skonsam, töjbar och lättautomatiserad separationsteknik. Enkelheten med magnetisk separation har tillämpats inom ett antal discipliner, inklusive rening av avloppsvatten från mineralbearbetning, molekylärbiologi, cellsortering och klinisk diagnostik.
Protoceller
Mikrokapslar som kallas protoceller framställda av polymer-proteinhybrider är hotspot för forskningsområdet nyligen, vilket möjliggör olika funktioner som bioreaktorer, kaskadsystem och multiresponsiva membran, etc.