Neues Tool zum Nachweis von Protein-Protein-Interaktionen könnte vielversprechende Ansätze für Gentherapie und andere Behandlungen eröffnen

Der Nanotechnologieexperte MinJun Kim von der SMU und sein Team haben eine schnellere und präzisere Methode entwickelt, um die Eigenschaften und Interaktionen einzelner Proteine ​​zu erkennen, die für eine schnelle, genaue und Echtzeitüberwachung von Virus-Zell-Interaktionen entscheidend sind. Dies könnte den Weg für innovative medizinische Therapien und Fortschritte ebnen, die mithilfe der Gentherapie geschaffen werden können – einer Technik, bei der harmlose Viren verwendet werden, um die Gene einer Person zu verändern und so Krankheiten zu behandeln oder zu heilen.

Darüber hinaus könne diese Forschung auch zur Erkennung und Charakterisierung anderer Arten von Protein-Protein-Interaktionen verwendet werden und möglicherweise zur Entwicklung von Behandlungen führen, mit denen Interaktionen reguliert werden können, die negative Auswirkungen auf den Körper haben, sagte Kim, Inhaber des Robert C. Womack-Lehrstuhls an der Lyle School of Engineering der SMU und leitender Forscher des BAST Lab.

Eine Studie veröffentlicht im Journal Nanoskala zeigt, dass dieses winzige Gerät, das Kims Team entwickelt hat, in Echtzeit genau bestimmt, wann zwei Proteine, die bei der gezielten Gentherapie eine Rolle spielen – bekannt als Fibroblasten-Wachstumsfaktor (FGF-1) und Heparin – eine Bindung zueinander eingegangen sind.

Und anders als die Methoden zur Erkennung von Protein-Protein-Interaktionen heute benötigt dieses Gerät nur eine kleine Probenmenge, um die Eigenschaften einzelner Proteine ​​und ihre komplexen Interaktionen zu untersuchen, was Zeit und Kosten für die Analyse spart.

Proteine ​​sind die Arbeitspferde, die die meisten biologischen Prozesse in einer Zelle ermöglichen. Um bestimmte Funktionen ausführen zu können, ist es oft notwendig, dass sich zwei oder mehr Proteine ​​aneinander binden – das heißt, sie haben sich infolge biochemischer Ereignisse miteinander verbunden.

Dies ist bei den Proteinen FGF-1 und Heparin der Fall.

Zusammengenommen helfen diese Proteine ​​nachweislich einem harmlosen Virus namens Adeno-assoziierte Viren (AAV) – dem bevorzugten Vehikel der Gentherapie –, sich an die richtigen Zellrezeptoren im menschlichen Körper zu binden.

Bei der viralen Gentherapie werden Viren wie AAVs eingesetzt, um einer Person eine gesunde Kopie eines Gens zuzuführen und so ein krankheitsverursachendes Gen zu ersetzen oder zu verändern. Das Problem dabei ist jedoch, dass es mehrere verschiedene Typen oder Serotypen von AAVs gibt und jeder von ihnen eine natürliche Vorliebe dafür hat, bestimmte Gewebetypen zu infizieren und sich dort zu entwickeln, wie etwa jene, die das Herz oder die Nieren versorgen. Das bedeutet, dass der richtige AAV-Serotyp an die richtigen Zellrezeptoren binden muss, damit die Gentherapie die Virusfracht erfolgreich an ihr beabsichtigtes Ziel abladen kann.

Um dies zu gewährleisten, ist derzeit jedoch nicht genug über die Funktionsweise dieses Tropismus genannten Prozesses bekannt.

„Ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Heparin und FGF-1 wird uns also helfen, den Tropismus für die AAV-Gentherapie zu verstehen“, was wiederum die Entwicklung neuer Gentherapien für spezifische Krankheiten ermöglichen könnte, sagte Kim.

Kims Team hat ein Gerät namens Festkörper-Nanopore entwickelt und getestet, das genau erkennen kann, wann Heparin und FGF-1 eine Bindung eingegangen sind.

So funktioniert das Gerät

Nanopartikel sind zu klein, um mit bloßem Auge sichtbar zu sein – ihre Größe reicht von 1 bis 100 Nanometer (ein Milliardstel Meter). Nanomaterialien können natürlich vorkommen und auch so konstruiert werden, dass sie bestimmte Funktionen erfüllen, wie etwa die Verabreichung von Medikamenten gegen verschiedene Krebsarten.

Jede Nanopore in dieser Studie wurde aus 12 Nanometer dickem Siliziumnitrid (SiXNj) Membranen, durch die ein Loch mit einem Durchmesser von etwa 17 Nanometern gebohrt wurde.

Diese sogenannten Feststoff-Nanoporen konnten erkennen, wann sich Heparin an FGF-1 bindet, weil Kim und sein Team die elektrischen Ströme in drei verschiedenen Szenarien berechnet haben: wenn in der Probe nur Heparin vorhanden ist, wenn nur FGF-1 vorhanden ist und wenn ein gleiches Verhältnis der beiden Proteine ​​vorliegt.

Woher erkennt das Gerät die elektrische Stromstärke?

Im Grunde passiert ein Molekül aus der Probe ein winziges Loch im Gerät, das zwei Kammern mit Elektrolytlösungen trennt. Dies führt zu Schwankungen im elektrischen Strom, die dekodiert werden können, um die Heparin-FGF-1-Bindung festzustellen.

Kim sagte: „Die Ergebnisse dieser Forschung stellen ein vorläufiges Experiment dar, das den Grundstein für künftige Bemühungen legt.“

Sein ultimatives Ziel besteht darin, Feststoff-Nanoporen auf zwei weitere Proteine ​​anwenden zu können, von denen ebenfalls bekannt ist, dass sie für die gezielte Gentherapie wichtig sind: die eigentliche Bindung der AAVs an Zelloberflächenrezeptoren.

AAVs besitzen eine Proteinhülle, die Kapside genannt wird und ihre genetische Information umgibt. Diese wird von Gentherapeuten verändert, um einem Menschen ein neues gesundes Gen zuzuführen. Erst wenn sich Kapside an Zellrezeptoren binden – ein weiteres Protein, das sich auf der Oberfläche von Zellen befindet – werden Virus und Zelle miteinander verbunden und die Fracht des Virus kann freigesetzt werden.

„Die Wirksamkeit der gezielten Gentherapie hängt von der Affinität zwischen der Virushülle und den Rezeptoren auf der Zelloberfläche ab“, erklärte Kim.

Kim möchte dies mithilfe von Festkörper-Nanoporen messen können, um deutlicher zu machen, wann ein Virus seine Fracht erfolgreich in einen Menschen übertragen hat. Denn ein wesentliches Hindernis bei der Anwendung viraler Gentherapie ist, dass die Menge des von AAV übertragenen genetischen Materials nicht gemessen werden kann, was möglicherweise zu Über- oder Unterdosierungen führen kann.

Der leitende Studienautor Navod Thyashan, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am BAST der SMU, wies darauf hin, dass diese Nanoporen nicht nur Durchbrüche in der Gentherapie ermöglichen, sondern auch die Grundlage für die Entwicklung anderer neuer medizinischer Behandlungen schaffen könnten. Sie können mit anderen Proteinen verwendet werden, von denen bekannt ist, dass sie eine hohe Bindungsaffinität zueinander haben, wodurch Behandlungen diese krankheitsverursachenden Wechselwirkungen potenziell regulieren können.

„Festkörper-Nanoporen (SSNs) können in Größen von einstelligen Nanometern bis hin zu Hunderten von Nanometern hergestellt werden“, sagte er. „Somit können SSNs in den meisten Biomolekül-Sensoranwendungen eingesetzt werden, solange wir den richtigen Nanoporendurchmesser für die Proteine ​​wählen, mit denen wir arbeiten.“

Bei der Entwicklung des Geräts wurden Thyashan und Kim von Madhav L. Ghimire, Postdoktorand des Dekans an der Moody School of Graduate and Advanced Studies der SMU, und Sangyoup Lee vom Bionic Research Center des Korea Institute of Science and Technology unterstützt.