Nanotraps for HIV virotoxins and chemokines based on biodegradable polymeric nanoparticles

Abstract

Данная работа является частью более широкого исследования, посвященого разработке алгоритма построения биомиметических поверхностей различной структуры для создания инновационных биоматериалов для диагностических и терапевтических целей. В частности, одной из главных задач данной работы являлось создание полимерных многослойных наночастиц (наноловушек), способных к селективному связыванию хемокинов, а также патогенных белков и частиц вируса иммунодефицита человека, за счет комплементарных лиганд-рецепторных взаимодействий, имитирующих природные молекулярные механизмы распознавания. С этой целью были получены и охарактеризованы многослойные наночастицы на основе полимолочной кислоты, покрытые полилизином и гепарином и несущие на поверхности пептиды, соответствующие фрагментам рецептора CCR5, которые отвечают за связывание лиганда (N-концевой фрагмент - Nt, и вторая внеклеточная петля - ECL2). Для присоединения пептидов к гепариновой оболочке наночастиц с помощью электростатических взаимодействий, в их структуру были введены концевые олиголизиновые фрагменты. Исследование адгезии моноцитов к эндотелиальным клеткам в присутствии хемокина Rantes и наноловушек показало, что наноловушки способны нивелировать активирующее адгезию действие хемокина. При этом в их структуре необходимо присутствие как гепарина, так и пептидов. Пептид ECL2 уменьшал адгезию моноцитов с такой же эффективностью, как и наноловушки с полной структурой. Методом плазмонного резонанса была также показана способность связывания наноловушками пептида, соответствующего петле V3 белка gp120 вируса иммунодефицита человека. Таким образом, полученные биосовместимые и биодеградируемые многослойные наночастицы могут быть перспективными материалами для связывания и удаления из биологических жидкостей хемокинов при аутоиммунных и других воспалительных заболеваниях, а также могут обеспечить эффективный инструмент для концентрирования биомаркеров ВИЧ при диагностике на ранних стадиях инфицирования, когда существующие методы анализа неэффективны или дорогостоящи.

The work presented is a part of the project dedicated to the development of the rational algorithm for the construction of biomimetic surfaces based on the ligand-receptor interactions to create innovative biomaterials for diagnostic and therapeutic purposes of nanomedicine. The main goal of the thesis is the design of polymer nanoparticles (nanotraps), which are able to bind selectively chemokines, as well as pathogenic proteins and viral particles of human immunodeficiency virus (HIV). To this aim multilayer nanoparticles on the base of polylactic acid were prepared and characterized. The nanoparticles were covered by heparin and modified with two fragments of CCR5 receptor (N-terminal domain - Nt, and second extracellular loop - ECL2), responsible for ligand binding. The terminal oligolysine blocks were introduced into the peptide structures in order to ensure the electrostatic interaction with the heparin layer. The presence of the nanotraps in the cell medium completely eliminated the activating effect of a CCR5 ligand, chemokine Rantes, with strongly decreasing the adhesion of monocytes to the human endothelial cells. It was found, that the presence of both heparin and the peptides in the nanoparticle structure is important for the ligand binding. The modified with oligolysines ECL2 alone was also able to prevent monocyte adhesion. By using Surface Plasmon Resonance method it was also found, that the nanotraps effectively bind the peptide, corresponding to the V3 loop of gp120 HIV protein. Thus, these biodegradable and biocompatible nanoparticles can be a promising materials for the binding and elimination from the biological liquids of chemokines in the autoimmune or other inflammatory diseases, as well as they can provide a powerful tool for the concentration of the low-abundant HIV biomarkers for the diagnosis at early stages of the infection, when current methods of analysis are not effective or expensive.