Protein-protein interactions play a crucial role in the development of drug delivery devices for the increasingly important biologicals, including antibodies, growth factors and cytokines. The understanding thereof might offer opportunities for tailoring carriers or drug proteins specifically for this purpose and thereby allow controlled delivery to a chosen target. The possible applications range from trigger-dependent release to sustained drug delivery and possibly permanently present stimuli, depending on the anticipated mechanism.
Silk fibroin (SF) is a biomaterial that is suitable as a carrier for protein drug delivery devices. It combines processability under mild conditions, good biocompatibility and stabilizing effects on incorporated proteins.
As SF is naturally produced by spiders and silkworms, the understanding of this process and its major factors might offer a blueprint for formulation scientists, interested in working with this biopolymer. The natural process of silk spinning covers a fascinating versatility of aggregate states, ranging from colloidal solutions through hydrogels to solid systems. The transition among these states is controlled by a carefully orchestrated process in vivo. Major players within the natural process include the control of spatial pH throughout passage of the silk dope, the composition and type of ions, and fluid flow mechanics within the duct, respectively. The function of these input parameters on the spinning process is reviewed before detailing their impact on the design and manufacture of silk based drug delivery systems (DDS). Examples are reported including the control of hydrogel formation during storage or significant parameters controlling precipitation in the presence of appropriate salts, respectively. The review details the use of silk fibroin to develop liquid, semiliquid or solid DDS with a focus on the control of SF crystallization, particle formation, and drug-SF interaction for tailored drug load.
Although we were able to show many examples for SF drug delivery applications and there are many publications about the loading of biologics to SF systems, the mechanism of interaction between both in solution was not yet extensively explored. This is why we made this the subject of our work, as it might allow for direct influence on pharmaceutical parameters, like aggregation and drug load.
In order to understand the underlying mechanism for the interaction between SF and positively charged model proteins, we used isothermal titration calorimetry for thermodynamic characterization. This was supported by hydrophobicity analysis and by colloidal characterization methods including static light scattering, nanoparticle tracking analysis and zeta potential measurements. We studied the effects of three Hofmeister salts – NaCl (neutral), NaSCN (chaotropic) and Na2SO4 (cosmotropic) – and the pH on the interaction of SF with the model proteins in dependence of the ratio from one to another. The salts impacted the SF structure by stabilizing (cosmotropic) or destabilizing (chaotropic) the SF micelles, resulting in completely abolished (cosmotropic) or strongly enhanced (chaotropic) interaction. These effects were responsible for different levels of loading and coacervation when varying type of salt and its concentration. Additionally, NaCl and NaSCN were able to prolong the stability of aqueous SF solution during storage at 25°C in a preliminary study.
Another approach to influence protein-protein interactions was followed by covalent modification. Interleukin-4 (IL-4) is a cytokine driving macrophages to M2 macrophages, which are known to provide anti-inflammatory effects. The possibility to regulate the polarization of macrophages to this state might be attractive for a variety of diseases, like atherosclerosis, in which macrophages are involved. As these cases demand a long-term treatment, this polarization was supposed to be maintained over time and we were planning to achieve this by keeping IL-4 permanently present in an immobilized way. In order to immobilize it, we genetically introduced an alkyne-carrying, artificial amino acid in the IL-4 sequence. This allowed access to a site-specific click reaction (Cu(I)-catalyzed Huisgen azide-alkyne cycloaddition) with an azide partner. This study was able to set the basis for the project by successful expression and purification of the IL-4 analogue and by proving the availability for the click reaction and maintained bioactivity. The other side of this project was the isolation of human monocytes and the polarization and characterization of human macrophages. The challenge here was that the majority of related research was based on murine macrophages which was not applicable to human cells and the successful work was so far limited to establishing the necessary methods.
In conclusion, we were able to show two different methods that allow the influence of protein-protein interactions and thereby the possible tailoring of drug loading. Although the results were very promising for both systems, their applicability in the development of drug delivery devices needs to be shown by further studies. / Die Wechselwirkungen zwischen Proteinen spielen eine entscheidende Rolle in der Entwicklung von Freigabesystemen für die immer wichtiger werdenden Protein-Therapeutika, wie Antikörper, Wachstumsfaktoren und Zytokine. Das Verständnis dieser Mechanismen würde die Möglichkeit eröffnen, sowohl die Träger, als auch die zu verabreichenden Proteine so zu verändern und zu steuern, dass sie auf kontrollierte Weise an einem bestimmten Ort freigesetzt werden. Die Anwendungen hierfür reichen von Trigger gesteuerter Freisetzung, über verzögerte Freigabe bis zur permanenten Präsentation von Stimuli, abhängig davon was für die jeweilige Applikation gewünscht ist.
Seidenfibroin (SF) ist ein Biomaterial, welches verschiedene positive Eigenschaften für die Anwendung als Trägermaterial in sich vereint, indem es unter sehr milden Bedingungen verarbeitet werden kann, gut biokompatibel ist und stabilisierend auf eingebettete Proteine wirken kann.
Da SF in der Natur von Spinnen und Seidenraupen produziert wird, könnte das Verständnis dieses Prozesses, sowie seiner wichtigsten Faktoren eine Vorlage für die Formulierung dieses Biopolymers geben. Der natürliche Prozess des Seidenspinnens vereint eine faszinierende Vielfalt von Aggregatszuständen, die von kolloidalen Lösungen über Hydrogele bis hin zu festen System reichen. Die Übergänge zwischen diesen Zuständen sind in vivo sehr sorgfältig kontrolliert. Die Hauptfaktoren dieses Prozesses sind der pH-Wert während der Passage der Spinnlösung durch die Drüse, sowie die Art und Zusammensetzung der Ionen und die herrschenden Scherkräfte. Die Funktion dieser einzelnen Faktoren auf den Spinnprozess wurde recherchiert und wird beschrieben, bevor ihr Einfluss auf die Entwicklung und Herstellung von seidenbasierten Freigabesystemen untersucht wird. Es werden Beispiele vorgestellt, die die Kontrolle der Hydrogelbildung während der Lagerung untersuchen oder signifikante Parameter für die kontrollierte Präzipitation in Gegenwart bestimmter Salze zeigen. Der Review betrachtet den Einsatz von Seidenfibroin in der Entwicklung von flüssigen, halbfesten oder festen Freigabesystemen und legt besonderen Fokus auf die Kontrolle der SF Kristallisation, Partikelbildung und Interaktion mit dem Arzneistoff für steuerbare Beladung.
Obwohl wir viele Beispiele für die Anwendung von SF in Freigabesystemen zeigen konnten und viele Publikationen die Beladung von Proteinen auf SF-Systeme behandeln, wurde der Mechanismus der Interaktion zwischen beiden bisher nicht detailliert untersucht. Es gibt wenige Studien die einige Aspekte abdecken, aber keines beschäftigte sich spezifisch mit dieser Fragestellung. Darum machen wir dies zum Gegenstand unserer Arbeit, da dies einen direkten Einfluss auf pharmazeutische Parameter, wie Aggregation und Beladung, erlauben würde.
Um den zugrundeliegenden Mechanismus der Wechselwirkung zwischen SF und einem positiv geladenen Modellprotein zu verstehen, nutzten wir isotherme Titrationskalorimetrie für eine thermodynamische Charakterisierung. Diese wurde durch kolloidale Charakterisierungsmethoden wie Statische Lichtstreuung, nanoparticle tracking analysis und Zeta-potentialmessungen, sowie Hydrophobitätsbestimmungen unterstützt. Wir untersuchten die Effekte von drei verschiedenen Hofmeister Salzen - NaCl (neutral), NaSCN (chaotrop) und Na2SO4 (kosmotrop) – und des pH Wertes auf die Interaktion von SF mit dem Modellprotein in Abhängigkeit vom Verhältnis der beiden zueinander. Die Salze beeinflussten die SF Struktur, indem sie die SF Mizellen entweder stabilisierten (kosmotrop) oder destabilisierten (chaotrop) und dadurch die Interaktion entweder vollständig unterbanden (kosmotrop) oder verstärkten (chaotrop). Diese Effekte waren verantwortlich für verschiedene Level des Loadings und der Koazervation, wenn Salzart und –konzentration variiert wurden. Außerdem waren NaCl und NaSCN in der Lage die Stabilität einer wässrigen SF-Lösung während der Lagerung bei 25°C zu verlängern.
Ein andere Ansatz um die Wechselwirkung zwischen Proteinen zu beinflussen wurde mit kovalenter Modifikation verfolgt. Interleukin-4 (IL-4) ist ein Zytokin und kann Makrophagen zu M2 Makrophagen polarisieren, welche dann anti-inflammatorische Wirkungen haben. Die Möglichkeit diese Polarisation zu regulieren wäre für verschiedene Krankheiten, wie Arteriosklerose, bei denen Makrophagen eine Rolle spielen interessant. Da in diesen Fällen eine Langzeitbehandlung von Nöten ist sollte die Polarisation über die Zeit erhalten bleiben. Wir planten dies durch die Immobilisation von IL-4 zu erreichen, die für eine permanente Präsenz sorgen würde. Um IL-4 zu immobilisieren haben wir eine künstliche Aminosäure in die Sequenz eingeführt, die eine Alkingruppe trägt. Diese ermöglicht den Zugang zu einer Kupfer vermittelten, spezifischen Click-Reaktion (Cu(I)-catalyzed Huisgen azide-alkyne cycloaddition) mit einem Azid-Partner. Diese Studie war in der Lage die Basis für dieses Projekt zu erstellen, indem wir eine erfolgreiche Expression und Aufreinigung des IL-4 Analogons leisten konnten und dieses sowohl erhaltene Bioaktivität als auch Verfügbarkeit für die Clickreaktion zeigte.
Die andere Seite dieses Projekts bestand aus der Isolation von humanen Monozyten und der Polarisation und Charakterisierung von humanen Makrophagen. Die Herausforderung hierbei lag darin dass die meiste Forschung auf diesem Gebiet an murinen Makrophagen durchgeführt wurde und dies nicht auf humane Zellen übertragbar war, und die erfolgreiche Arbeit bisher, beschränkte sich auf die Etablierung der nötigen Methoden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir in der Lage waren zwei verschiedene Methoden zur Beeinflussung der Protein-Protein Wechselwirkungen und damit der Beladung zu zeigen. Obwohl die Ergebnisse für beide Systeme vielversprechend waren muss ihre Anwendbarkeit in der Entwicklung von Freigabesystemen noch durch weitere Studien belegt werden.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:11740 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Werner, Vera |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_ohne_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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