Untersuchung zum Vroman-Effekt der Proteincorona von PEGgylierten, superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln

Abstract

Es wurde eine Reihe von monodispersen superparamagnetischen Eisenoxid-nanopartikeln (SPIOs) mit unterschiedlichen Kerngrößen mit einem Polymer ver-packt und damit wasserlöslich gemacht. Da das dabei verwendete Polymalein-säure-Octadecen-Polymer freie Carboxylgruppen auf der Oberfläche der Partikel entwickelt, kann es in weiteren, schonenden Reaktionen in der Gegenwart vom Kopplungsreagenz EDC mit primären Aminen, inkl. Proteinen, reagieren. Mit Fluoreszeinamin wurde gezeigt, dass eine kovalente Bindung an ein polymer-verpacktes SPIOs grundsätzlich möglich ist und die Fluoreszenz trotz der Nähe zum 11 nm Eisenoxidkern, mit seiner potentiell quenchenden Wirkung, erhalten bleibt. Für die Hauptversuche wurden mono-(CH3-O-PEG-NH2) oder bifunktionelle (NH2PEG-NH2) Polyethylenglykole (PEGs) verwendet, mit denen der PEGylie-rungsgrad der polymerverpackten SPIOs kontrolliert eingestellt werden konnte. In in-vitro-Versuchen wurde unter Verwendung der 125I markierten Proteine Transferrin und Albumin die Proteincoronabildung an PEGylierten-SPIOs quan-titativ untersucht. In Inkubationsansätzen wurde Nanopartikel-gebundenes Pro-tein von freiem Protein mit Ultrafiltration getrennt. Anschließend wurden in FPLC-Chromatographien geeignete Fraktionen aufgefangen und auf 125I- bzw. 59Fe-Aktivität analysiert. Die Bindung von 125I-Transferrin an das Standard SPIOs (11 nm core-Größe) nimmt mit zunehmendem PEGylierungsgrad ab. Dabei haftet das adsorbierte Transferrin unter den experimentellen Trennbedingungen genau so fest an den Partikeln wie kovalent gebundenes Transferrin. Nach Inkubation mit einem 3-fachen Überschuss an bovinem Albumin wurde aber nur das adsorbierte, nicht das kovalent gebundene Transferrin von der Partikeloberfläche verdrängt. In ei-nem weiteren Versuch wurde zuerst „kaltes“ Transferrin an die Partikel gebun-den und dann 125I-markiertes Albumin zugegeben. Wiederum wurde nur das ad-sorbierte Transferrin verdrängt. Das in der Corona verbleibende Transferrin war dabei funktionell und konnte zugesetztes 59Fe aus 59Fe-NTA binden. Diese Be-funde, die eine Verdrängung eines primär gebundenen Proteins durch ein ande-res an einer Nanopartikeloberfläche zeigen, unterstützen die Theorie des soge-nannten „Vroman-Effektes“, die in der Literatur das Austauschverhalten von Pro-teinen in einer Nanopartikel-Corona beschreibt. Die Alternative einer „Hard-corona“, die sich nach Erstkontakt mit einem Protein bildet und dann später trotz Kontakt mit anderen Proteinen weiter stabil bleibt, scheint für das hier untersuch-te SPIOS (Kerngrösse 11 nm) weniger zutreffend zu sein. Möglicherweise hängt dieses Verhalten aber individuell sehr von Nanopartikeleigenschaften ab (vor allem von Größen-/Oberflächenverhältnissen zwischen Nanopartikel und Pro-tein) und es könnte im Einzelfall auch fließende Übergänge zwischen beiden Modellen geben. Die hier durchgeführten Versuche mit zwei physiologisch relevanten radiomar-kierten Plasmaproteinen sind auch methodisch interessant, besonders in Hin-blick auf zukünftige in-vivo Untersuchungen, bei denen es um den Transport und das Schicksal von an Nanopartikel gebundenen Proteinen in Organe oder Geweben geht.