Elucidating the molecular interactions of human immunoglobulins with liposomal drug carriers
Date
2023-04-05
Authors
Nancy Hazem Mohammed Mohammed
نانسي حازم محمد محمد
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Al-Quds University
Abstract
Nanocarriers' success in biomedical applications depends largely on their uptake efficiency. In most cases biomolecules like proteins, DNA, and antibiotics are taken up via endocytosis by living cells. These cell organelles are part of the cell’s catabolic system, thus leading to enzymatic degradation of the NPs. A more promising alternative is to induce membrane fusion between the carrier and the cellular membrane for efficient molecular delivery. Therefore, liposomes with highly fusogenic prosperities have been developed at the Research Center of Jülich, called fusogenic liposomes (FLs)[1]. Applications relying on FLs as molecular delivery purposes have been successfully applied i.e. proteins, anti-cancer drugs, DNA, mRNA and siRNA[1], [2], but the exact mechanism of fusion has to be elucidated in more detail in future analysis.
If nanoparticles are injected into the blood stream, they interact with hundreds of biomolecules that adsorb on their surface forming the so-called "protein corona". Immunoglobulin G (IgG) is a corona-forming protein, mainly involved in immune reactions. IgG behaves as opsonin, which decrease the circulation time, promote inflammation, allergic reactions, and increase blood clearance by inducing complement activation [3]. Nevertheless, the mechanism underlying immunoglobulin-nanoparticles interaction is yet unspecified.
Therefore, this work has aimed to investigate the interaction of IgG with different liposomal formulations including fusogenic liposomes (FL), PEGylated liposomes (DOPC-PEG), and neutral liposomes (DOPC) as a control.
For characterization of the liposomes/IgG complexes, dynamic and electrophoretic light scattering (DLS and ELS), respectively were applied. The stability and IgG affinity to different liposomal formulations were investigated by fluorescence quenching spectroscopy and isothermal titration calorimetry (ITC). Stern and modified Stern-Volumer equations and ITC plots were used to calculate binding constants, binding site, and thermodynamics parameters of IgG/liposomes complexes.
The results of DLS and ELS showed that IgG adsorbed only on FL surfaces, as indicated by a significant increase in hydrodynamic diameter and a neutral zeta potential values approaching that of free IgG. Furthermore, PEGylated liposomes prevent IgG adsorption due to their low PEG density used (5%). Observations of fluorescence spectroscopy show that the structural change in IgG remains stable, but the quenching effect was only observed in FL. Further analysis of fluorescence data show that the FL/IgG complexes are electrostatically bound. Meanwhile, ITC shows mainly hydrophobic forces govern the FL/IgG complex. No binding was observed, with neutral liposomes (DOPC). While DOPC-PEG shows a contradictory result that indicates non-covalent binding with IgG. Further research may provide more accurate results. The results of this study suggest that FLs could be a promising safe therapeutic carrier in drug delivery.
يعتمد نجاح الجسيمات النانوية في التطبيقات الطبية الحيوية إلى حد كبير على قدرتها على الاندماج بكفاءة مع الخلايا الحية وتفادي الجهاز المناعي. ولكن في معظم الحالات، تقوم الخلايا بامتصاص الجزيئات عبر عملية تدعى الالتقام الخلوي"endocytic pathway”، حيث تعمل على إدخال جزيئات مثل البروتينات والحمض النووي والمضادات الحيوية إلى الخلايا الحية. من سلبيات هذه العملية أنها تحارب الجسميات النانوية "جسم غريب" مما يؤدي إلى إفراغ محتوياتها وبالتالي تدميرها عبر الجسيمات الحالة. أظهرت العديد من الدراسات أن تحفيز اندماج الغشاء بين المادة الحاملة " الجسيمات النانوية " والغشاء الخلوي في الداخل يؤدي إلى توصيل جزيئي فعال. لذلك، تم تطوير جسيمات نانوية لها قدرة عالية على الاندماج مع الغشاء الخلوي، في مركز الأبحاث في يوليش ، حيث اطلقوا عليها اسم [4] (Fusogenic liposomes ‘FL’) .تم اختبار قدرة هذه الجسيمات FLs على إيصال جزيئات مثل البروتينات والعقاقير المضادة للسرطان والحمض النووي وmRNA و siRNA [1], [2]، حيث اظهرت قدرة عالية على الاندماج وايصال الجزيئات بشكل آمن وفعال، ولكن يجب توضيح الآلية الدقيقة للاندماج بمزيد من التفصيل في الأبحاث المستقبلية.
يتم حقن الجسيمات النانوية في مجرى الدم حيث تتفاعل مع مئات الجسيمات الموجودة بالدم، مما يؤدي إلى التصاق بعض هذه الجسيمات على سطحها مكونة ما يسمى بـ الهالة البروتينية "Protein corona". قد تحتوي هذه الهالة البروتينية على جسيمات من الجهاز المناعي، مثل الغلوبولين المناعي (IgGs) حيث يمثل جزء رئيسي في الدم، ويشارك في تفعيل جهاز المناعة [3]. ومع ذلك، فإن الآلية الكامنة وراء تفاعل IgGs مع الجسيمات النانوية بحاجة لمزيد من التفصيل.
لذلك، يهدف هذا العمل إلى دراسة الاستجابة المناعية للغلوبولين المناعي IgG تجاه جسيمات نانوية مختلفة تشمل: جسيمات اندماجية (FL) ، و جسيمات نانوية مرتبطة ببوليمر (DOPC-PEG) ، وجسيمات تحمل شحنة متعادلة (DOPC) لتستخدم كمرجع.
تم استخدام العديد من التقنيات لدراسة التفاعل بين IgG والجسيمات النانوية المختلفة ،مثل:
Dynamic and Electrophoretic light scattering (DLS) and (ELS،( fluorescence quenching spectroscopy and Isothermal titration calorimetry (ITC).
كما تم توظيف بعض المعادلات مثل Stern and modified Stern-volumer equations لحساب معامل الارتباط، وعدد مواقع الارتباط على IgG ، والثوابت المرتبطة بالديناميكا الحرارية التي تحمل معلومات عن التفاعل.
أظهرت نتائج DLS و ELS وجود ل IgG على سطح FL وقد تمثل ذلك في زيادة في قطر الجسيم FL و اكتسابه شحنة سالبة ناتجة عن وجود البروتين IgG الذي يحمل شحنة سالبة على سطح FL. أما الجسيمات المرتبطة ببوليمر " PEGylated liposomes " فقد عمل البوليمر على منع وصول البروتين IgG إلى سطحه، وذلك بسبب إضافة نسبة قليلة من البوليمر(5% PEG) إلى الجسيم " DOPC-PEG ".
أظهرت نتائج المطيافية" fluorescence spectroscopy " ان البروتين IgG ارتبط فقط مع FL وأن عملية الارتباط FL / IgG لم تشمل تغيرا في البروتين IgG ولا في الطول الموجي للطيف الإنبعاثي للبروتين، حيث ان IgG ارتبط عن طريق القوى الالكتروستاتيكية مع FL . كما أكدت نتائج ITC هذا، اما الجسيمات المتعادلة فلم تظهر تفاعلا مع IgG بينما أظهرت نتائج ال ITC للجسيمات المرتبطة ببوليمر "DOPC-PEG " ان هناك تفاعل بينها وبين IgG مما يؤدي إلى تناقض مع النتائج السابقة خلال هذه الدراسة التي أظهرت عدم وجود تفاعل بينهم . لذا نحن بحاجة لإجراء مزيد من التجارب المستقبلية للجسيمات المرتبطة ببوليمر "DOPC-PEG" للحصول على نتائج دقيقة. أما بالنسبة للجسيمات الاندماجية FL فقد أظهرت نتائج هذه الدراسة إلى أن FLs يمكن أن يكون ناقلًا علاجيًا آمنًا واعدًا في توصيل الأدوية.