Evaluating and optimizing loading methods of single-chain variable fragment protein into extracellular vesicles

by the FDA. While commercially available proteins have an extracellular activity, intracellular targets could be a powerful alternative to treat many diseases (cancer, inflammatory disorders,...). Nevertheless, proteins face many barriers to reach their intracellular targets (internalisation, endoso...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Mohamed, Khaled
Άλλοι συγγραφείς: Κλεπετσάνης, Παύλος
Μορφή: Thesis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2020
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/13587
id nemertes-10889-13587
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Nanosized extracellular vesicles
Protein transfer
FDA
Νανοσωματιδιακά εξωκυτταρικά κυστίδια
Μεταφορά πρωτεϊνών
spellingShingle Nanosized extracellular vesicles
Protein transfer
FDA
Νανοσωματιδιακά εξωκυτταρικά κυστίδια
Μεταφορά πρωτεϊνών
Mohamed, Khaled
Evaluating and optimizing loading methods of single-chain variable fragment protein into extracellular vesicles
description by the FDA. While commercially available proteins have an extracellular activity, intracellular targets could be a powerful alternative to treat many diseases (cancer, inflammatory disorders,...). Nevertheless, proteins face many barriers to reach their intracellular targets (internalisation, endosomal escape, cytoplasm trafficking) so efficient cytoplasmic delivery of exogenous protein remains a long-standing challenge. In this context, based on their natural properties to vectorize proteins, extracellular vesicles (EVs) are a promising candidate. Biological techniques that aim to encapsulate proteins into EVs (such as transfection of a plasmid to overexpress the protein in EVs producing cells) encounter issues regarding the reproducibility and the control of the drug loading, so we tried to change our perspective of these biological vesicles to a more physico-chemical one, and to view and manipulate EVs as synthetic vectors. Therefore, we have chosen to evaluate the use of nanosized EVs produced from murine mesenchymal stem cells (mMSC) (sEV-mMSC) for antibody fragments (single-chain variable fragment, scFv) transfer into the cell cytoplasm. To establish a proof of concept of scFv encapsulation into sEV-mMSC, as well as the effective intracellular release of functional scFv, we have selected a GFP-tagged scFv that binds to intracellular tubulin (GFP-scFv/αtub) as a reporter protein. Indeed, this GFP-scFv/αtub could allow dual tracking of loaded protein and evaluation of its activity by the tubulin staining ability. To associate GFP-scFv/αtub into sEV-mMSC we evaluated several physical methods inspired by the liposome research field (extrusion, bath sonication cycles, freeze drying, freeze-thaw cycles and several combinations of these methods). Impact of these processes was evaluated on sEV-mMSC (concentration, size, structure) and GFP-scFv/αtub (stability) individually before evaluating scFv loading into sEV-mMSC. Next, we evaluated gel permeation chromatography aiming for separation of EV from free scFv and calculation of encapsulation yield. Finally, GFP-scFv/αtub internalisation and its ability to attach to intracellular tubulin was evaluated in human MSC by fluorescence microscopy. Since antibody fragments are highly liable for aggregation, we particularly focused on protein stabilization. Polysorbate 80 (PS 80) at 0.01% was found to be the most effective stabilizing agent compared to arginine 1M and trehalose 25mM. Interestingly, such stabilizer has also been shown to be useful for avoiding sEV-mMSC aggregation. We managed to identify protocols leading to less than 20% loss in terms of sEV-mMSC and GFP-scFv/αtub concentrations. sEV-mMSC and GFP-scFv/αtub were well-separated thanks to gel permeation chromatography. Remarkably, scFv alone was shown as unable to enter target cells, while for one of our combined protocols, tubulin staining was observed. These preliminary results confirm the interest of associating scFv with sEV-mMSC for intracellular delivery of a functional, biologically active protein.
author2 Κλεπετσάνης, Παύλος
author_facet Κλεπετσάνης, Παύλος
Mohamed, Khaled
format Thesis
author Mohamed, Khaled
author_sort Mohamed, Khaled
title Evaluating and optimizing loading methods of single-chain variable fragment protein into extracellular vesicles
title_short Evaluating and optimizing loading methods of single-chain variable fragment protein into extracellular vesicles
title_full Evaluating and optimizing loading methods of single-chain variable fragment protein into extracellular vesicles
title_fullStr Evaluating and optimizing loading methods of single-chain variable fragment protein into extracellular vesicles
title_full_unstemmed Evaluating and optimizing loading methods of single-chain variable fragment protein into extracellular vesicles
title_sort evaluating and optimizing loading methods of single-chain variable fragment protein into extracellular vesicles
publishDate 2020
url http://hdl.handle.net/10889/13587
work_keys_str_mv AT mohamedkhaled evaluatingandoptimizingloadingmethodsofsinglechainvariablefragmentproteinintoextracellularvesicles
_version_ 1799945011614187520
spelling nemertes-10889-135872022-09-06T05:12:55Z Evaluating and optimizing loading methods of single-chain variable fragment protein into extracellular vesicles Mohamed, Khaled Κλεπετσάνης, Παύλος Κλεπετσάνης, Παύλος Audrieux, Karine Roques, Caroline Nanosized extracellular vesicles Protein transfer FDA Νανοσωματιδιακά εξωκυτταρικά κυστίδια Μεταφορά πρωτεϊνών by the FDA. While commercially available proteins have an extracellular activity, intracellular targets could be a powerful alternative to treat many diseases (cancer, inflammatory disorders,...). Nevertheless, proteins face many barriers to reach their intracellular targets (internalisation, endosomal escape, cytoplasm trafficking) so efficient cytoplasmic delivery of exogenous protein remains a long-standing challenge. In this context, based on their natural properties to vectorize proteins, extracellular vesicles (EVs) are a promising candidate. Biological techniques that aim to encapsulate proteins into EVs (such as transfection of a plasmid to overexpress the protein in EVs producing cells) encounter issues regarding the reproducibility and the control of the drug loading, so we tried to change our perspective of these biological vesicles to a more physico-chemical one, and to view and manipulate EVs as synthetic vectors. Therefore, we have chosen to evaluate the use of nanosized EVs produced from murine mesenchymal stem cells (mMSC) (sEV-mMSC) for antibody fragments (single-chain variable fragment, scFv) transfer into the cell cytoplasm. To establish a proof of concept of scFv encapsulation into sEV-mMSC, as well as the effective intracellular release of functional scFv, we have selected a GFP-tagged scFv that binds to intracellular tubulin (GFP-scFv/αtub) as a reporter protein. Indeed, this GFP-scFv/αtub could allow dual tracking of loaded protein and evaluation of its activity by the tubulin staining ability. To associate GFP-scFv/αtub into sEV-mMSC we evaluated several physical methods inspired by the liposome research field (extrusion, bath sonication cycles, freeze drying, freeze-thaw cycles and several combinations of these methods). Impact of these processes was evaluated on sEV-mMSC (concentration, size, structure) and GFP-scFv/αtub (stability) individually before evaluating scFv loading into sEV-mMSC. Next, we evaluated gel permeation chromatography aiming for separation of EV from free scFv and calculation of encapsulation yield. Finally, GFP-scFv/αtub internalisation and its ability to attach to intracellular tubulin was evaluated in human MSC by fluorescence microscopy. Since antibody fragments are highly liable for aggregation, we particularly focused on protein stabilization. Polysorbate 80 (PS 80) at 0.01% was found to be the most effective stabilizing agent compared to arginine 1M and trehalose 25mM. Interestingly, such stabilizer has also been shown to be useful for avoiding sEV-mMSC aggregation. We managed to identify protocols leading to less than 20% loss in terms of sEV-mMSC and GFP-scFv/αtub concentrations. sEV-mMSC and GFP-scFv/αtub were well-separated thanks to gel permeation chromatography. Remarkably, scFv alone was shown as unable to enter target cells, while for one of our combined protocols, tubulin staining was observed. These preliminary results confirm the interest of associating scFv with sEV-mMSC for intracellular delivery of a functional, biologically active protein. Οι θεραπείες με βάση τις πρωτεΐνες γίνονται όλο και πιο συνηθισμένες, με περισσότερες από 120 θεραπευτικά προϊόντα που βασίζονται σε πρωτεΐνες να έχουν εγκριθεί από το FDA. Ενώ οι εμπορικά διαθέσιμες πρωτεΐνες έχουν εξωκυτταρική δράση, οι ενδοκυτταρικοί στόχοι θα μπορούσαν να είναι μια ισχυρή εναλλακτική λύση για τη θεραπεία πολλών ασθενειών (καρκίνος, φλεγμονώδεις διαταραχές, .κ.α.). Παρ 'όλα αυτά, οι πρωτεΐνες αντιμετωπίζουν πολλά εμπόδια για να φθάσουν τους ενδοκυτταρικούς τους στόχους (ενδοκυττάρωση, ενδοσωματική απόδραση, κυτταροπλασματική διακίνηση), με αποτέλεσμα η αποτελεσματική κυτταροπλασματική απελευθέρωση της εξωγενούς πρωτεΐνης να παραμένει μια μακρόχρονη πρόκληση. Σε αυτό το πλαίσιο, τα εξωκυτταρικά κυστίδια (EVS) είναι ένας υποσχόμενος μεταφορέας πρωτεϊνών. Οι βιολογικές τεχνικές που στοχεύουν στην ενθυλάκωση των πρωτεϊνών σε EVs (όπως η επιμόλυνση με πλασμιδία που υπερεκφράζουν την πρωτεΐνη σε κύτταρα που παράγουν EVs) συναντούν ζητήματα αναφορικά με την αναπαραγωγικότητα και τον έλεγχο της φόρτωσης φαρμάκου, έτσι προσπαθήσαμε να αλλάξουμε την προοπτική μας για αυτά τα βιολογικά κυστίδια, και να χειριστούμε τα EVs ως συνθετικούς φορείς πρωτεϊνικών φαρμάκων. Ως εκ τούτου, επιλέξαμε να αξιολογήσουμε τη χρήση νανοσωματιδιακών EVs που παράγονται από μεσεγχυματικά βλαστοκύτταρα ποντικού (mMSC) (sEV-mMSC) για μεταφορά αντισωμάτων (μεταβλητό θραύσμα μονής αλυσίδας, scFv) στο κυτταρόπλασμα κυττάρων. Για να αποδειχθεί ο εγκλωβισμός του scFv στο sEV-mMSC, καθώς και η αποτελεσματική ενδοκυτταρική απελευθέρωση του λειτουργικού scFv, επιλέξαμε ένα scFv επισημασμένο με πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη (GFP) που συνδέεται με την ενδοκυτταρική tubulin (GFP-scFv / αtub), ως πρωτεΐνη αναφοράς. Πράγματι, αυτό το GFP-scFv / αtub θα μπορούσε να επιτρέψει διπλή παρακολούθηση της φορτισμένης πρωτεΐνης και αξιολόγηση της δραστηριότητάς της με την μέτρηση της ικανότητας χρώσης της tubulin. Για να εγκλωβίσουμε το GFP-scFv / αtub σε sEV-mMSC αξιολογήσαμε αρκετές φυσικές μεθόδους προερχόμενες από την τεχνολογία των λιποσωμάτων (εξώθηση, κύκλοι υπερήχων, λυοφιλοποίηση, κύκλοι ψύξης-απόψυξης και διάφοροι συνδυασμοί αυτών των μεθόδων). Ο αντίκτυπος αυτών των διεργασιών αξιολογήθηκε σε sEV-mMSC (συγκέντρωση, μέγεθος, δομή) και GFP-scFv / αtub (σταθερότητα) ξεχωριστά, πριν αξιολογηθεί η φόρτιση scFv σε sEV-mMSC. Στη συνέχεια, αξιολογήσαμε τη χρωματογραφία διαπερατότητας πηκτής με στόχο τον διαχωρισμό του EV από το ελεύθερο scFv και τον υπολογισμό της απόδοσης εγκλωβισμού. Τέλος, ο εγκλωβισμός του GFP-scFv / αtub και η ικανότητά του να συνδέεται με την ενδοκυτταρική tubulin αξιολογήθηκε σε ανθρώπινο MSC με μικροσκοπία φθορισμού. Δεδομένου ότι τα τμήματα αντισωμάτων είναι εξαιρετικά επιρρεπή σε συσσωμάτωση, εστιάσαμε ιδιαίτερα στη σταθεροποίηση των πρωτεϊνών. Το Polysorbate 80 (PS 80) σε συγκέντρωση 0,01% βρέθηκε ότι είναι ο πλέον αποτελεσματικός παράγοντας σταθεροποίησης σε σύγκριση με την αργινίνη (1Μ) και την τρεαλόζη (25mM). Είναι ενδιαφέρον ότι ένας τέτοιος σταθεροποιητής έχει επίσης αποδειχθεί ότι είναι χρήσιμος για την αποφυγή συσσωμάτωσης των sEV-mMSC. Καταφέραμε να δημιουργήσουμε πρωτόκολλα που οδηγούν σε απώλεια μικρότερη από 20% όσον αφορά τις συγκεντρώσεις sEV-mMSC και GFP-scFv/αtub. Τα sEV-mMSC και GFP-scFv/αtub ήταν καλά διαχωρισμένα χάρη στη χρωματογραφία διαπερατότητας γέλης. Αξιοσημείωτο ήταν ότι μόνο του, το scFv, ήταν μη-ικανό για να εισέλθει σε κύτταρα στόχους, ενώ για ένα από τα συνδυασμένα πρωτόκολλά μας παρατηρήθηκε χρώση με tubulin. Αυτά τα προκαταρκτικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν το ενδιαφέρον της σύνδεσης του scFv με sEV-mMSC για ενδοκυτταρική απελευθέρωση μιας λειτουργικής πρωτεΐνης.Protein-based therapies are now becoming more common, with more than 120 protein-based therapeutics currently approved 2020-07-13T08:47:41Z 2020-07-13T08:47:41Z 2019-07-10 Thesis http://hdl.handle.net/10889/13587 en 12 application/pdf