Eine neue Art, in die Zelle einzudringen, indem superchaotrope Eigenschaften von Borclustern genutzt werden

Die Aufnahme undurchlässiger Moleküle in Zellen ist eine aktuelle Herausforderung in der Arzneimittelentwicklung, da viele wasserlösliche bioaktive Moleküle die Zellmembran nicht passieren können. Um den Eintritt dieser Moleküle in die Zelle zu erleichtern, wurden künstliche Transporter wie Polymere, Lipide oder kationisch durchdringende Peptide entwickelt. Bisher wurden die meisten dieser Träger so konzipiert, dass sie sich auf eine bestimmte Eigenschaft stützen, die es ihnen ermöglicht, die Lipiddoppelschicht zu durchqueren: die Amphiphilie. Amphiphile Moleküle besitzen differenzierte Regionen, die es ihnen ermöglichen, mit der wasserlöslichen Ladung und der Lipidmembran zu interagieren. Alle bis heute bekannten Membranträger haben eine ähnliche molekulare Amphiphilie, die es ihnen ermöglicht, mit der amphiphilen Membran zu interagieren. Diese Transporter sind jedoch aufgrund intrinsischer Merkmale amphiphiler Moleküle normalerweise mit Einschränkungen konfrontiert, wie beispielsweise der Toxizität im Zusammenhang mit ihrem detergensähnlichen Verhalten, das Zellmembranen schädigen kann, oder ihrer Aggregationstendenz, die die Konzentrationen einschränken kann, in denen sie nützlich sein können .

Die aktuelle Studie veröffentlicht in Natur von Forschern des Center for Research in Biological Chemistry and Molecular Materials (CiQUS, USC) in Zusammenarbeit mit der Jacobs University (Bremen, Deutschland) stellt eine neue Klasse von Membranträgern vor, die das amphiphile Paradigma hinter sich lässt. Diese neuen Träger basieren auf halogenierten Dodecaborat-Cluster-Anionen mit einer kugelförmigen Form von knapp 24 Atomen, die eine negative Ladung und eine ausgezeichnete Wasserlöslichkeit aufweisen. Trotz ihrer anionischen Ladung und dem Fehlen differenzierter Domänen weisen diese Cluster aufgrund ihrer superchaotropen Natur auch eine Affinität zu Lipidmembranen auf. Diese chaotrope Eigenschaft kann als Fähigkeit dieser Cluster angesehen werden, Wassermoleküle in Unordnung zu bringen, was nun gezeigt werden kann, dass es eine Dehydratisierung der hydrophilen Ladungen ermöglicht und ihnen somit ermöglicht, durch die hydrophoben Membranen zu wandern.

Diese Cluster können mit hydrophilen Frachten interagieren, ohne sie einzukapseln oder Aggregate mit ihnen zu bilden. Unter Verwendung von Modellvesikeln in der Gruppe von Prof. Werner Nau (Jacobs-Universität Bremen) wurde festgestellt, dass der kleinste und am wenigsten chaotrope Cluster (B12H122–) inaktiv war, während der größte und chaotropeste (B12I122–) interagierte zu stark mit der Lipidmembran. Dodecaborat-Cluster mit ausgewogener Chaotropie, wie das halogenierte B12Cl122– und B12Br122–, aktivierten jedoch die Translokation verschiedener Ladungen durch die Lipiddoppelschicht, ohne die Integrität der Membran zu zerstören. Insbesondere das bromierte B12Br122– erwies sich als optimaler Kandidat einer neuen Klasse superchaotroper Borträger. „Diese neuen Träger zeigen sehr ausgeprägte Transporteigenschaften“, sagt Dr. Andrea Barba-Bon, Forscherin der JU und Co-Erstautorin der Studie. „Im Gegensatz zu klassischen amphiphilen Transportern wurde ihre Aktivität nicht durch die Reihenfolge der Cluster- und Ladungsaddition an die Vesikel oder die Membranladung der Vesikel beeinflusst.“

Mit Ausnahme von negativ geladenen Molekülen war dieser Träger in der Lage, eine Vielzahl von Frachten zu transportieren, die von kleinen Molekülen bis hin zu größeren Peptiden reichten. Darüber hinaus zeigten superchaotrope Borcluster nicht nur in Modellvesikeln, sondern auch in lebenden Zellen Trägeraktivität. Die Cluster könnten innerhalb lebender Zellen verschiedene Moleküle effizient in Zellen transportieren, wie die Gruppe von Prof. Javier Montenegro (CIQUS, USC) gezeigt hat. Die Borcluster waren in der Lage, eine voll funktionsfähige Phalloidin-Fracht – ein undurchlässiges cyclisches Peptid, das traditionell zur Markierung des Zytoskeletts fixierter Zellen verwendet wird – in das Zytosol lebender Zellen zu transportieren und das Aktin-Zytoskelett mehrerer Zelltypen zu färben. Zu dem breiten Spektrum an bioaktiven Frachten, die transportiert werden konnten, gehörten auch das gering permeable PROTAC dBET1 oder das antineoplastische Monomethyl-Auristatin F, die in Gegenwart des Bor-Clusters 2-3 mal effizienter internalisiert wurden. „Wir haben eine neue Klasse von Transportern identifiziert, mit denen viele verschiedene Moleküle in Zellen transportiert werden können. Superchaotrope Anionen sind ein neues Werkzeug für den Transport von hydrophilen Molekülen in Zellen, deren Potenzial erst am Anfang erforscht wird“, sagt Giulia Salluce ( CiQUS), Ph.D. Student in der Gruppe von Montenegro und Co-Erstautor der Studie.

Bereitgestellt vom Center for Research in Biological Chemistry and Molecular Materials (CiQUS)