나노디스크를 함유하는 생리활성제의 제형 및 특성화

초기 원반형 고밀도 지단백질(HDL)은 인간 순환계에 존재하는 훨씬 더 풍부한 구형 HDL의 자연 발생 전구체입니다. pre-ß HDL이라고도 하는 이러한 초기 입자는 독특하고 독특한 구조적 특성을 가지고 있습니다¹. 실제로, 초기 HDL은 구상 입자로 존재하는 것이 아니라 디스크 모양입니다. 자연 및 재구성 원반형 HDL에 대한 광범위한 구조적 특성화 연구는 주변이 apoA-I와 같은 양친매성 교환 가능한 아포지단백(apo)으로 둘러싸인 인지질 이중층으로 구성되어 있음을 밝혔습니다. 인간 지단백질 대사에서 순환하는 초기 HDL은 말초 세포에서 지질을 축적하고 ATP 결합 카세트 수송체 A1 및 레시틴:콜레스테롤 아실트랜스퍼제²를 포함한 주요 단백질 매개체에 의존하는 과정에서 구형 HDL로 성숙합니다. 이 과정은 심장 질환을 예방하는 것으로 간주되는 역 콜레스테롤 수송 경로의 중요한 구성 요소를 나타냅니다. 이러한 지식과 원반형 HDL을 재구성할 수 있는 능력으로 무장한 연구자들은 이러한 입자를 죽상동맥경화증을 치료하기 위한 치료적 중재로 사용했다³. 본질적으로, 환자에게 재구성 된 HDL (rHDL)을 주입하면 플라크 침전물에서 콜레스테롤 유출을 촉진하고 담즙산으로 전환하고 신체에서 배설하기 위해 간으로 되돌립니다. 여러 생명공학/제약회사들이 이 치료 전략을 추구하고 있다⁴.

동시에 실험실에서 이러한 입자를 생성하는 능력은 새로운 응용 분야와 새로운 기술로 이어진 연구 활동을 촉발했습니다. 한 가지 두드러진 응용 분야는 rHDL 입자를 미니어처 멤브레인으로 사용하여 네이티브와 같은 환경에서 막횡단 단백질을 수용하는 것입니다⁵. 현재까지 수백 개의 단백질이 원반형 rHDL에 성공적으로 통합되었으며 연구에 따르면 이러한 단백질은 수용체, 효소, 수송체 등과 같은 기본 형태와 생물학적 활성을 모두 유지합니다. “나노디스크(nanodiscs)”라고 불리는 이 입자들은 종종 고분해능(high resolution)에서 구조적 특성화에 적합한 것으로 나타났다⁶. 막횡단 단백질 조사에 대한 이러한 접근 방식은 세제 미셀이나 리포솜을 사용한 연구보다 우수한 것으로 인식되고 있으며 그 결과 빠르게 발전하고 있습니다. rHDL을 형성할 수 있는 두 가지 별개의 방법이 보고되었음을 인식하는 것이 중요합니다. “콜레이트 투석” 방법(¹³ )은 rHDL 이중층(⁵)에 막횡단 단백질을 혼입시키는 것과 관련된 응용에 널리 사용된다. 본질적으로, 이러한 제형 방법은 세제인 소듐 콜레이트 (또는 소듐 데옥시콜레이트; 4,200 Da의 미셀 분자량 [MW])를 함유하는 완충제에서 이중층 형성 인지질, 스캐폴드 단백질, 및 관심있는 막횡단 단백질을 혼합하는 것을 포함한다. 세제는 다양한 반응 성분을 효과적으로 용해시켜 세제가 부족한 완충액에 대해 시료를 투석할 수 있도록 합니다. 투석 단계에서 세제가 샘플에서 제거됨에 따라 rHDL이 자발적으로 형성됩니다. 이 접근법이 관심 있는 막횡단 단백질을 포획하는 데 사용될 때, 생성물 입자는 나노디스크(nanodisc)⁵라고 불린다. 그러나 이 방법을 사용하여 소분자 소수성 생리활성제(MW<1,000Da)를 통합하려는 시도는 대체로 성공적이지 못했습니다. 막횡단 단백질과 달리 저분자 생리활성제는 세제와 함께 투석 백에서 빠져나갈 수 있어 rHDL로의 결합 효율을 크게 감소시킵니다. 이 문제는 배합^혼합물(14)에서 세제를 생략함으로써 해결되었다. 대신에, 성분들은 지질을 형성하는 이중층으로부터 시작하여, 나노디스크로 지칭되는 rHDL을 함유하는 안정한 생리활성제를 형성하면서, 수성 완충액에 순차적으로 첨가된다. 다른 연구자들은 생체 내 이미징 에이전트의 혼입 및 수송을 위해 rHDL을 사용했다⁷. 보다 최근에는 아포지단백 스캐폴드와 음이온성 글리세로인지질인 카디오리핀으로 구성된 특수 rHDL이 리간드 결합 연구에 사용되었습니다. 이 입자는 카디오리핀과 칼슘, 시토크롬 c, 항암제인 독소루비신을 포함한 다양한 수용성 리간드의 상호작용을 연구하기 위한 플랫폼을 제공한다⁸.

본 연구의 초점은 안정적으로 통합된 소수성 생리활성제(즉, 나노디스크)를 보유하는 rHDL의 제형에 있습니다. 원반형 rHDL 입자의 지질 환경에 통합하는 이러한 제제의 능력은 효과적으로 수용성을 부여합니다. 따라서 나노디스크는 생체 내 치료 응용 분야에 대한 잠재력을 가지고 있습니다. 나노디스크를 제조할 때, 분리된 소수성 생리활성제를 제품 입자에 성공적으로 통합하기 위해서는 특정 배양/반응 조건이 필요하며, 이 보고서의 목표는 특정 응용 분야를 위한 새로운 나노디스크 입자를 만들기 위한 기본 템플릿으로 사용할 수 있는 상세한 실용적인 정보를 제공하는 것입니다. 따라서 이 원고의 맥락에서 나노디스크와 나노디스크라는 용어는 서로 바꿔 사용할 수 없습니다. 나노디스크는 그의 지질 이중층(⁵)에 매립된 막횡단 단백질을 함유하도록 제형화된 rHDL을 의미하는 반면, 나노디스크라는 용어는 암포테리신^B14와 같은 저분자량(< 1,000Da) 소수성 생리활성제를 혼입하도록 제형화된 rHDL을 의미한다.

적합한 스캐폴드 단백질의 획득을 위해 다양한 방법을 사용할 수 있습니다. 스캐폴드 단백질을 제조업자로부터 구입할 수 있지만[예를 들어, apoA-I (SRP4693) 또는 apoE4 (A3234)], 그러나 비용이 제한 요인이 될 수 있다. 바람직한 접근법은 대장균에서 재조합 스캐폴드 단백질을 발현하는 것이다. 인간 apoA-I⁹, apoE4¹⁰ 및 곤충 체액 림프 단백질 apolipophorin-III¹¹에 대한 프로토콜이 발표되었습니다. 본원에 기재된 실험의 목적을 위해, 재조합 인간 apoE4 N-말단 (NT) 도메인 (아미노산 1-183)을 사용하였다. 인간 apoE4-NT를 코딩하는 뉴클레오티드 서열을 합성하여 벡터-코딩된 pelB 리더 서열에 직접 인접한 pET-22b(+) 발현 벡터에 삽입하였다. 이러한 구축물은 pelB 리더 서열-apoE4-NT 융합 단백질의 발현을 유도한다. 단백질 합성 후, 박테리아 pelB 리더 서열은 새로 합성된 단백질을 리더 펩티다아제가 pelB 서열을 절단하는 주변세포질 공간으로 유도합니다. 서열 태그 또는 꼬리가 없는 생성된 apoE4-NT 단백질은 이후 박테리아를 빠져나와 배양 배지^11,12에 축적되어 다운스트림 처리를 단순화합니다.