Intracellular protein delivery with the use of endocytosis routing sequences
Authors: Imre Norbert 
Published: October 2021

A gyógyszerfejlesztés egyik legnagyobb jelenkori kihívása a fehérjeméretű hatóanyagok hatékony sejtbe való juttatása, hiszen az emlősök sejtmembránja komoly akadályt állít ezen nagyméretű, hidrofil molekulák elé, amelyek specifikus, hatásos és biztonságos gyógyszerjelöltek lehetnének. Ezen molekulák internalizációja elérhető klatrin-független endocitózissal (például lipid-raft mediált/kaveoláris endocitózissal), mely útvonalon gyakran közlekednek endogén fehérjék, bakteriális toxinok (kolera és tetanusz), illetve vírusok (egér poliómavírus és echovírus 1). Az útvonal előnye, hogy a képződött endoszómák csak nagyon hosszú idő után egyesülnek lizoszómákkal, sok esetben azonban ez el is marad. Ez az endocitotikus folyamat egy vonzó célpont a funkcionális, degradáció mentes fehérjebevitelre, hiszen a képződő „szivárgó” endoszómák lehetőséget biztosítanak a rakomány kiszabadulására. A lipid betüremkedések és kaveolák felszíne gazdagon borított glikoszfingolipidekkel, főként mono-, di-, és triszialotetrahexozilgangliozidokkal (GM1, GD1a, GT1b), amelyek a fő receptorai az így bejutó molekuláknak. A gangliozidokhoz való kötődés, és a gangliozidok kötegelése tehát olyan endocitotikus folyamatot indít el, ahol a lizoszómális lebomlás csekély, ezáltal lehetővé teszik a fehérjéknek, hogy eljussanak a sejtplazmába, vagy transzcitózissal más sejtekbe. A jelenleg elérhető sejtbejuttató rendszereknek számos hátrányát ismerjük: a rakomány lizoszómába kerül és lebomlik, esetleg az alkalmazandó koncentráció túl nagy, terápiásan tehát irreleváns. Megoldást jelenthet ezekre, ha megvizsgáljuk és megismerjük annak módját, miként váltanak ki a gangliozidok endocitózist, ezáltal empirikusan értelmezni tudjuk a glikán-kódot, és azt tudatosan alkalmazzuk későbbi sejtbejuttató rendszerek tervezésénél. A különböző gangliozid-kötő molekulák azonosítását célzó kutatások már munkánk előtt elkezdődtek, azonban a nagyaffinitású molekuláris felismerés még várat magára. A GM1 gangliozidhoz kötő molekulák különösen érdekes lehetnek, mert bár számos emlőssejt expresszálja a molekulát, különféle tumorokban feldúsulnak. A fehérje alapú terápiákban az extracelluláris koncentrációtartomány jellemzően 100-500 nM, tehát egy nagyaffinitású kötődés szükséges ahhoz, hogy megfelelő sejtmembránban való dúsulást érjünk el, ezáltal lehetővé téve a hatóanyagok kellő mértékben való beáramlását. Fő célunk a kutatással az volt, hogy nanomoláris koncentrációban juttassunk be fehérje méretű molekulákat lipid-raft mediált endocitózissal humán sejtekbe. Az endogén és exogén proteineket utánzó, nem toxikus peptid jelölőt kívántunk kifejleszteni, ezért kerestük azt a minimális szekvenciát, amely képes specifikusan, nagy affinitással kötődni a GM1 gangliozidhoz. Mivel a receptor molekulánk szerkezete jól ismert, alapos biofizikai jellemzést kívántunk folytatni a kölcsönhatáson, ezáltal utat nyitva egy szerkezet-alapú tervezéshez, amely igen ritka a bejuttató rendszerek kutatásában. Célul tűztük ki, hogy megvizsgáljuk a peptid szekvenciánk sejtbejuttató képességét, miközben szigorúan figyelemmel követtük lehetséges toxicitását, bejutási mechanizmusát és a lizoszómákkal való egyesülésére való hajlamát. Klasszikus gyógyszerkémiai megközelítéssel törekedtünk arra, hogy felállítsunk egy szerkezet-hatás összefüggést, ezáltal átfogóbb képet kaphassunk a kötődési mechanizmusról. Az elvégzett változtatások lehetőséget biztosítanak az enzimatikus stabilitás növelésére, a nagy affinitás megtartásával.