Белковые капсулы в качестве контейнеров для доставки in

Белковые капсулы в качестве контейнеров для доставки in vivo.

Наноплатформы для направленной доставки: желаемые характеристики - Нетоксичность - небольшие размеры (10 -200 нм) - возможность капсулирования доставляемого агента - возможность функционализации поверхности - стабильность в физиологических условиях (защита от протеолиза) - высокое время жизни в крови/ ткани - метаболизируемость - контролируемое высвобождение содержимого ACS Nano, 2010, 4 (9), pp 4967– 4970 DOI: 10. 1021/nn 102324 e Publication Date (Web): September 28, 2010 Copyright © 2010 American Chemical Society

Наноплатформы для направленной доставки: сравнение Материал капсулы Размер, нм наполнитель плюсы ограничения Орг. (в т. ч. био) полимеры 10 -100 Белки, пептиды, плазмидные ДНК, низкомолек. органика, лек. препараты, imaging агенты Хорошее удерживание содержимого, биосовместимость Экзоцитоз нерастворенных наночастиц керамика <100 Белки, ДНК, лек. препараты, орг. полимеры Стабильность в биол. системах, легкость приготовления Токсичность, экзоцитоз н/р частиц, трудности функционализации металлы <50 Белки, ДНК, лек. препараты Большая поверхность для функционализации Токсичность, экзоцитоз н/р частиц, трудности функционализации Полимерные мицеллы, дендримеры <100 Белки, ДНК, лек. препараты Подходят для гидрофобных лек. средств токсичность Липосомы 50 -100 Белки, ДНК, лек. препараты Невысокая токсичность, высокое время циркуляции Невысокая коллоидная стабильность, возможность утечки содержимого фосфосиликаты 20 -60 РНК, низко- и высокомолек. органика, лек. препараты, imaging агенты ACS Nano, 2010, 4 (9), pp 4967– 4970 DOI: 10. 1021/nn 102324 e Publication Date (Web): September 28, 2010 Copyright © 2010 American Chemical Society

Нановакцина на основе модифицированных аденовирусых частиц © 2006— 2011 Visual Science

Наноконтейнер с грузом терапевтического препарата © 2006— 2011 Visual Science

Белковые капсулы в качестве контейнеров для направленной доставки. Доставка лек. препаратов in vivo

Mesoporous protein thin films for molecule delivery J. Mater. Chem. , 2011, 21, 13172– 13179 ª The Royal Society of Chemistry 2011

Недостаток апоферритина как платформы для доставки: маленький размер пор (3 -4 Å) Возможно преодолеть: А) сборка ферритиновой капсулы в присутствии нагрузки Б) получение пористых пленок с порами большего размера

J. Mater. Chem. , 2011, 21, 13172– 13179 ª The Royal Society of Chemistry 2011

Доставка магнитных частиц In vivo magnetic targeting of drug-loaded nanoparticles to a liver tumor in a rat model was demonstrated and visualized by MRI. Histology confirmed the localization of the particles to the liver tumor with no occurrence in other organs.

Доставка магнитных частиц на основе IO (оксида железа)

Int J Nanomedicine. 2008; 3(3): 311 -21. Targeted magnetic iron oxide nanoparticles for tumor imaging and therapy. Peng XH, Qian X, Mao H, Wang AY, Chen ZG, Nie S, Shin DM.

Доставка квантовых точек In vivo fluorescence imaging of subcutaneous flank tumor bearing mice seven days after coinjection of fluorescent SPION labeled h. MSC and unlabeled C 6 gliomas.

Доставка сенсоров на основе квантовых точек

J Am Chem Soc. 2009 Feb 25; 131(7): 2484 -6. Protein nanoparticles engineered to sense kinase activity in MRI. Shapiro MG, Szablowski JO, Langer R, Jasanoff A. Доставка сенсора РКА активности на основе ферритина in vivo

Слабые стороны доставки in vivo с использованием белковых/пептидных контейнеров: 1. Адресность доставки 2. Эффективный захват нанокапсулы клетками 3. Возможна деградация (+ возможна токсичность продуктов) 4. (в случае доставки груза) Выход груза из капсулы внутри клетки 5. Иммуногенность пептидных/белковых контейнеров

1 D-Белковые наноструктуры (филаменты, НТ и т. п. ) 1 D- самособирающиеся белковые/пептидные наносистемы и их применение. Филаменты цитоскелета. Бактериальные S-слои. Самособирающиеся пептидные наноструктуры.

Эукариотический цитоскелет актиновые филаменты микротрубочки

Актиновые филаменты G-актин (мономер) АТР АDР Актиновый филамент Диаметр - 7 нм Шаг - 37 нм

Микротрубочки Диаметр - 25 нм длина 0, 2 -25 мкм + полимеризация тубулин со связанным GТР тубулин со связанным GDP деполимеризация

Вирус табачной мозаики Molecule of the Month by David Goodsell © RCSB

Вирус табачной мозаики р. Н 7 Внутр. d 4 нм Длина 300 нм р. Н 5, 5

Нанотрубки из кольцевых белковых комплексов

SAM из кольцевых гомоолигомерных белков Шаперон Hsp 60 на подложке Стенка бактериального микрокомпартмента

Бактериальные S-слои

Бактериальные S-слои Нативный S-слой Составляющие белки посома, собранная из липидов и белков S-слоя

Самособирающиеся пептидные наноструктуры

β-структурные самособирающиеся пептиды VKVKVDPPTKVEVKVKV β-шпилька раствор добавление клет. культуры (изменение конц-ции соли) развернутая цепь β-листовой 3 D-агрегат в форме ленты, филамента и т. п.

β-структурные самособирающиеся пептиды

Эластин Фрагмент АА последовательности эластина человека ---VPGVGVPGAGIPVVPGAGIPGAAVPGVVSPEAAAKAAKYGARPGVGVGGI PTYGVGAGGFPGFGVGVGGIPGVAGVPSVGGVPGVGISPEAQAAAAA KAAKYGVGTPAAAAAKAAQFGLVPGVGVAPGVGVAPGVGLAPGVG VAPGVGVAPG-IGPGGVAAAAKSAAKVAAKA--- Термочувствительная самосборка и “inverse temperature transition” (ITT) раствор филамент Ввод. остаток Trp Tyr 35°C Pro 40°C Ala --VPAVG-- 30°C Lys+ нанокапсулы пленки филаменты и т. п. − 10°C Cys Tt − 30°C His Синтетические эластиноподобные полимеры (ELP) -55°C Phe Tt Tt − 90°C 45°C Ser 50°C Gly 55°C Arg 60°C Asp. Glu- 120°C 250°C Mater Sci Eng R Rep. 2008 January; 62(4): 125– 155. doi: 10. 1016/j. mser. 2008. 04. 004.

Самособирающиеся ароматические пептиды Phe-Phe

Самособирающиеся ароматические пептиды Введение -SH Phe-Phe (100 mg/ml р-р в перфторпропаноле) Мультистенные нанотрубки d= 80– 300 nm наносферы d= 10– 100 nm

Ковер из НТ ароматических пептидов, собранных на подложке

НТ из циклических пептидов

Самособирающиеся наносистемы из амфифильных пептидов

Самособирающиеся наносистемы из амфифильных пептидов Функционализированные амфифильные пептиды

Самособирающиеся наносистемы из амфифильных пептидов Амфифильные пептиды волокна губки гидрогели The Journal of Neuroscience, April 2, 2008, 28(14): 3814 -3823; doi: 10. 1523/JNEUROSCI. 0143 -08. 2008

Самособирающиеся наносистемы из амфифильных пептидов Ориентированные фибриллы из PA

«Лего» -пептиды, или ионные самокомплементарные пептиды Пептидные β-ленты, слои, трубки

Гидрогель на основе пептида KLDLKLDL:

Структура и свойства лего-пептидов

Самособирающиеся филаменты из сoiled-coil пептидов Papapostolou D et al. PNAS 2007; 104: 10853 -10858

Самособирающиеся филаменты из сoiled-coil пептидов волокна гидрогели В зависимости от силы взаимодействия между соседними спиралями, пептиды образуют тонкие филаменты или толстые прочные волокна

поверхность Пептидный «ковер» линкер якорь функция (фермент, сайт узнавания лиганда и т. п. )

SAM из пептидов с SH-концевыми группами на Au-подложке

Сенсорные пептидные структуры β α (A) Molecular models of EAK 12 in beta-strand alpha-helical form. (B) Molecular models of DAR 16 -IV in beta-strand form and alpha-helical form. The length of the beta-strand is about 5 nm and the length of the alpha-helix is about 2. 3 nm.

Применение сенсорных пептидов Chockalingam, K. et al. Protein Engineering, Design and Selection 2007 20: 155 -161; doi: 10. 1093/protein/gzm 008

Плюсы пептидных НТ 1) Хорошо растворимы в воде 2) Легко модифицировать 3) Легко запрограммировать нужные свойства 4) Возможность раздельной модификации внутр. и внешней поверх-ти 5) Структурная униформногсть, воспроизводимость свойств 6) Недорогое производство в больших количествах 7) Биосовместимость, возможность применения в биол. системах Применение самособирающихся пептидных наноструктур Биомедицинские: Cell culturing в тканевой инженерии направленная доставка (мицеллы и наносферы) искусственные ионные каналы (НТ из циклических пептидов) Молекулярная электроника: сенсоры; электроды повышенной чувствительности матрицы для синтеза металлических НМ пептидные проводники (электрон-передающие системы) Фабрикация других НМ: «наноорганизаторы» (ковры как матрицы для печати картин) Ограничения пептидных НМ: В основном это 1 D- и 2 D-структуры; Трудно прогнозировать закономерности самосборки; Недолговечность в использовании.

Белковые/пептидные филаменты как сенсоры патогенов

Белковые/пептидные филаменты как матрицы для наносинтеза [Pt. Cl 6]2[Au. Cl 4 ]- + белковые /пептидные нанофиламенты Соли Ag (I) Сорбция частиц металла на поверх-ти нанофиламента восстановление до свободного металла; деградация пептида Наноструктурированная Pt, Au, Ag Варианты: нанопроволока (синтез внутри НТ); нанопроволока в пептидной оболочке; коаксиальные нанокабели Ag/пептид/Au

Белковые/пептидные филаменты как матрицы для наносинтеза

Белковые/пептидные филаменты как матрицы для наносинтеза Fe 3 O 4 (окислительный гидролиз) Si (sol-gel конденсация) Cd. S (копреципитация) Pb. S (копреципитация)

Белковые/пептидные филаменты как матрицы для наносинтеза Металлизованный коллаген Surface profile of a collagen fibril ~85 nm in diameter.

Белковые/пептидные филаменты как матрицы для наносинтеза Металлизованный фиброин

Белковые/пептидные филаменты как матрицы для наносинтеза Получение Ag нанопроволоки на внутр. поверхности пептид. нанотрубок

Белковые/пептидные филаменты как матрицы для наносинтеза «чернила» , содержащие биополимер Матрица из биополимера Металлизированный филамент

Белковые/пептидные филаменты как матрицы для наносинтеза Минерализация Au на актиновой матрице

Белковые/пептидные филаменты как матрицы для наносинтеза

Пептидные нанотрубки для синтеза нано-Cu

Белковая металлография Electrical detection system: target oligonucleotide is deposited between electrodes, detected with enzymatic probe "developed" with enzyme metallography to form a conductive connection.

Белковая металлография Enz. Met™ immunohistochemistry. (left) Mechanism of the enzyme metallographic process showing enzymecatalyzed deposition of metal from solution. (right) Paraffin-embedded Human bladder adenocarcinoma immunostained for cytokeratin with immunoperoxidase with DAB vs. Enz. Met.

Применение белковых филаментов

Применение белковых филаментов в наноэлектронике

Применение белковых филаментов в наноэлектронике Chem. Eur. J. Vol. 13, 31 Pages: 8660 -8666 Copyright © 2007 WILEY-VCH Verlag Gmb. H & Co. KGa. A, Weinheim Figure 1. Structure of tobacco mosaic virus (TMV) and TMV coat protein monomer (TMVCP) conjugated with a porphyrin derivative. a) Structure of TMVCP-porphyrin conjugated monomer; the porphyrin moiety was introduced at the 127 position. b) Porphyrin derivatives introduced to the cysteine residue of a TMV monomer through maleimido-thiol coupling. c) Crystal structure of the TMV assembly; amino acid N 127 is shown in red. [12]

Применение белковых филаментов в наноэлектронике

Доставка in vivo магнитных частиц на основе IO (оксида железа) SPIO (суперпарамагнитные) 60 -150 нм USPIO (ультрамаленькие) 10 -50 нм MINO (монокристаллические) Области применения: - multi-terabit storage device, - catalysis, - sensors, - and a platform for high-sensitivity MRI.

J Am Chem Soc. 2006 Dec 27; 128(51): 16626 -33. Targeting of cancer cells with ferrimagnetic ferritin cage nanoparticles. Uchida M, Flenniken ML, Allen M, Willits DA, Crowley BE, Brumfield S, Willis AF, Jackiw L, Jutila M, Young MJ, Douglas T.