Een nieuw hulpmiddel om eiwit-eiwitinteracties te detecteren zou kunnen leiden tot veelbelovende wegen voor gentherapie en andere behandelingen

SMU-nanotechnologie-expert MinJun Kim en zijn team hebben een snellere, nauwkeurigere manier ontwikkeld om de eigenschappen en interacties van individuele eiwitten te detecteren die cruciaal zijn voor snelle, nauwkeurige en realtime monitoring van virus-cel-interacties. Dit zou de weg kunnen vrijmaken voor innovatieve medische therapieën en vooruitgang met behulp van gentherapie – een techniek die gebruik maakt van onschadelijke virussen om de genen van een persoon te wijzigen om ziekten te behandelen of te genezen.

Daarnaast zou dit onderzoek ook kunnen worden gebruikt om andere soorten eiwit-eiwitinteracties op te sporen en te karakteriseren, wat mogelijk kan leiden tot de ontwikkeling van behandelingen die interacties kunnen reguleren die nadelige effecten in het lichaam veroorzaken, zei Kim, de Robert C. Womack-voorzitter in de Lyle School of Engineering bij SMU en hoofdonderzoeker van het BAST Lab.

Een onderzoek gepubliceerd in het journaal Nanoschaal laat zien dat dit kleine apparaat dat Kim’s team heeft gemaakt nauwkeurig in realtime bepaalt wanneer twee eiwitten die een rol spelen bij gerichte gentherapie – bekend als fibroblastgroeifactor (FGF-1) en heparine – zich met elkaar hebben verbonden.

En in tegenstelling tot de manier waarop eiwit-eiwit-interacties nu worden gedetecteerd, heeft dit apparaat slechts een kleine steekproefomvang nodig om de eigenschappen van individuele eiwitten en hun complexe interacties te onderzoeken, waardoor tijd en kosten worden bespaard voor de analyse.

Eiwitten zijn de werkpaarden die de meeste biologische processen in een cel faciliteren. Vaak is het nodig dat twee of meer eiwitten zich met elkaar binden – wat betekent dat ze met elkaar verbonden zijn als gevolg van biochemische gebeurtenissen – om bepaalde functies uit te voeren.

Dat is het geval met de eiwitten FGF-1 en heparine.

Samen is aangetoond dat deze eiwitten een onschadelijk virus, adeno-geassocieerde virussen (AAV) genoemd, helpen – het belangrijkste vehikel voor gentherapie – om zich aan de juiste celreceptoren in het menselijk lichaam te hechten.

Virale gentherapie maakt gebruik van virussen zoals AAV’s als een manier om een ​​gezonde kopie van een gen in een persoon af te leveren, ter vervanging of wijziging van een ziekteverwekkend gen. Maar het probleem is dat AAV’s verschillende soorten of serotypen hebben, en elk ervan heeft een natuurlijke voorkeur om specifieke weefseltypen te infecteren en te gedijen, zoals weefsels die het hart of de nieren bedienen. Dat betekent dat als gentherapie succesvol wil zijn in het lossen van de lading van het virus op het beoogde doel, het juiste serotype van AAV zich moet binden met de juiste celreceptoren.

Toch is er momenteel niet genoeg bekend over hoe dit proces, tropisme genaamd, werkt om dat te garanderen.

“Een beter begrip van de interacties tussen heparine en FGF-1 zal ons dus helpen het tropisme voor AAV-gentherapie te begrijpen”, wat het op zijn beurt mogelijk zou kunnen maken om nieuwe gentherapieën voor specifieke ziekten te targeten, zei Kim.

Kim’s team heeft een apparaat gemaakt en getest dat bekend staat als een vaste-stof nanoporie, dat nauwkeurig kan zien wanneer heparine en FGF-1 zich hebben gebonden.

Hoe het apparaat werkt

Nanodeeltjes zijn te klein om met het blote oog zichtbaar te zijn: ze variëren in grootte van 1 tot 100 nanometer (een miljardste van een meter). Nanomaterialen kunnen van nature voorkomen en kunnen ook worden ontwikkeld om specifieke functies uit te voeren, zoals de toediening van medicijnen aan verschillende vormen van kanker.

Elke nanoporie in dit onderzoek was gemaakt van 12 nanometer dik siliciumnitride (Si_XN_j) membranen, met een gat van ongeveer 17 nanometer diameter er doorheen geboord.

Deze zogenaamde solid-state nanoporiën konden zien wanneer heparine een binding aanging met FGF-1, omdat Kim en zijn team de elektrische stromen van drie verschillende scenario’s hebben berekend: wanneer alleen heparine in het monster aanwezig is; wanneer alleen FGF-1 aanwezig is; en wanneer er een gelijke verhouding is tussen de twee eiwitten.

Hoe weet het apparaat wat de elektrische stroom is?

Kortom, een molecuul uit het monster passeert een klein gaatje in het apparaat dat twee kamers met elektrolytoplossingen scheidt. Dit leidt tot schommelingen in de elektrische stroom, die kunnen worden gedecodeerd om de heparine-FGF-1-binding te detecteren.

Kim zei: “de bevindingen van dit onderzoek vormen een voorlopig experiment dat de basis legt voor toekomstige inspanningen.”

Zijn uiteindelijke doel is om solid-state nanoporiën te kunnen gebruiken op twee andere eiwitten waarvan ook bekend is dat ze belangrijk zijn voor gerichte gentherapie: de feitelijke binding van de AAV’s met receptoren op het celoppervlak.

AAV’s hebben een eiwitmantel, een capside genaamd, die hun genetische informatie omringt, wat door gentherapeuten wordt veranderd om een ​​nieuw gezond gen in een persoon te introduceren. Pas wanneer capsiden zich binden met celreceptoren – een ander eiwit dat op het oppervlak van cellen wordt aangetroffen – worden het virus en de cel met elkaar verbonden en kan de lading van het virus worden vrijgegeven.

“De effectiviteit van gerichte gentherapie hangt af van de affiniteit tussen viruscapside- en celoppervlakreceptoren”, legt Kim uit.

Kim wil vaste-stof nanoporiën kunnen gebruiken om dat te meten, zodat duidelijker wordt wanneer een virus zijn lading met succes in een persoon heeft afgeleverd. Dat komt omdat een belangrijke barrière voor het gebruik van virale gentherapie is dat de hoeveelheid genetisch materiaal die door AAV wordt overgedragen niet kan worden gemeten, wat mogelijk kan leiden tot overdosering of onderdosering.

Naast het maken van doorbraken op het gebied van gentherapie, merkte hoofdonderzoeksauteur Navod Thyashan, een afgestudeerde onderzoeksassistent bij SMU’s BAST, op dat deze nanoporiën ook de weg zouden kunnen bereiden voor de ontwikkeling van andere nieuwe medische behandelingen. Het kan worden gebruikt met andere eiwitten waarvan bekend is dat ze een hoge affiniteit hebben voor binding met elkaar, waardoor behandelingen mogelijk deze interacties kunnen reguleren die ziekten veroorzaken.

“Solid-state nanoporiën (SSN’s) kunnen worden vervaardigd in afmetingen variërend van enkele nanometers in diameter tot honderden, ” zei hij. “SSN’s kunnen dus worden gebruikt in de meeste toepassingen voor het detecteren van biomoleculen, zolang we maar de juiste nanoporiediameter kiezen voor de eiwitten waarmee we te maken hebben.”

Thyashan en Kim hielpen bij het maken van het apparaat door Madhav L. Ghimire, de Dean’s Postdoctoral Fellow aan de Moody School of Graduate and Advanced Studies van SMU; en Sangyoup Lee, met het Bionic Research Center van het Korea Institute of Science and Technology.