Nanodiscs gemaakt van erytrocytenmembranen neutraliseren bacteriële toxines

Kleine, schijfvormige stukjes membraan, nanodiscs genaamd, bieden opwindende mogelijkheden voor nanogeneeskunde. Hoewel ze voorheen grotendeels waren gemaakt van synthetische lipiden en eiwitten, heeft een onderzoeksteam nu nanodiscs geïntroduceerd op basis van de celmembranen van menselijke rode bloedcellen. Zoals gemeld in het journaal Angewandte Chemie International Editionze zijn in staat om gevaarlijke bacteriële toxines te neutraliseren.

Nanodiscs zijn schijfvormige lipidedubbellagen met een diameter van meestal minder dan 20 nm. Ze zijn omgeven en gestabiliseerd door steigers gemaakt van eiwitten, peptiden of synthetische polymeren. Vanwege hun schijfvorm is de kans aanzienlijk kleiner dan hun bolvormige tegenhangers om te worden “ingeslikt” en vernietigd door immuuncellen. Ze zijn dus aantrekkelijk voor toepassingen zoals gericht drugstransport. Door hun kleine formaat en schijfvorm kunnen nanodiscs effectief de lymfeklieren binnendringen, waardoor ze mogelijk bruikbaar zijn als nanovaccins.

Eerdere nanodiscs waren voornamelijk gebaseerd op synthetische lipidedubbellagen waarvan de lipidesamenstellingen zorgvuldig en moeizaam moeten worden geoptimaliseerd voor specifieke toepassingen. Bovendien kunnen synthetische lipiden ongewenste immuunreacties veroorzaken. Een team onder leiding van Liangfang Zhang van de University of California, San Diego (La Jolla, VS) gebruikt natuurlijke celmembranen als uitgangsmateriaal voor nanodiscs. Natuurlijke membranen bevatten natuurlijke lipiden en eiwitten waarvan de biologische functies in de nanodiscs worden gehandhaafd, wat therapeutisch nuttig zou kunnen zijn. Het team demonstreerde hun concept met membranen van rode bloedcellen.

Rode bloedcellen werden tot barsten gebracht en hun membranen werden gescheiden en gemengd met een copolymeer van styreen en maleïnezuur. Dit resulteerde in de vorming van nanodiscs (ND’s) bestaande uit de natuurlijke membraanlipiden en eiwitten van de rode bloedcellen (RBC’s) en gestabiliseerd door het copolymeer. Deze kleine structuren, die RBC-ND’s worden genoemd, kunnen lange tijd worden bewaard en zijn zowel biocompatibel als niet-toxisch.

Interessant is dat deze RBC-ND’s in staat zijn bepaalde bacteriële toxines effectief te neutraliseren, zoals aangetoond in tests met α-toxine van een stam van methicilline-resistente Staphylococcus aureus. S. aureus komt bijna overal voor en is meestal ongevaarlijk. Bij immuungecompromitteerde patiënten, open wonden of na operaties kan het zich echter verspreiden en levensbedreigende longinfecties, toxische shock en sepsis veroorzaken. Stammen die resistent zijn tegen antibiotica zijn bijzonder gevaarlijk. Het primaire toxine van deze bacteriën, α-toxine, vernietigt bloedcellen (hemolyse). In vitro kunnen RBC-ND’s α-toxine binden en de hemolyse en cytotoxiciteit ervan neutraliseren. In vivo verbeterde injectie van RBC-ND’s de overlevingskansen aanzienlijk bij muizen die α-toxine of een complex mengsel van de verschillende eiwitten uitgescheiden door S. aureus hadden gekregen.

De ontwerpstrategie die voor de RBC-ND’s wordt gebruikt, zou ook kunnen worden uitgebreid naar andere soorten membranen voor een breed scala aan toepassingen.