[出典

論文Computational design of non-porous pH-responsive antibody nanoparticles” Yang EC [..] King NP, Baker D. Nat Struct Biol 2024-05-09. https://doi.org/10.1038/s41594-024-01288-5 [所属] Institute for Protein Design (UW Seattle), UW, UC Davis, Karolinska Institutet and Karolinska U Hospital, Technical U Munich, U Bonn, 阪大

[構造情報] EMD-29602: Three component pH responsive antibody octahedra escape lysosomal degradation. https://pdbj.org/emnavi/quick.php?id=29602&lang=ja

著者らによる論文紹介/Research Briefing “Custom protein nanoparticles for targeted drug delivery” Yang EC, Baker D. Nat Struct Mol Biol 2024-05-09. https://doi.org/10.1038/s41594-024-01289-4

 環境条件の変化に応答するようにタンパク質ナノ材料をプログラムすることは、生物製剤の標的送達にとって重要であり、また、タンパク質設計にとっての課題である。非多孔性pH応答性抗体ナノ粒子

 David Bakerの研究チームは今回、2回対称軸に標的抗体、3回対称軸に調整可能なpH転移点以下で分解するようにプログラムされた三量体、4回対称軸に四量体を持つ八面体非多孔性ナノ粒子の設計を報告した [論文Fig.1引用右図参照]

[詳細]

 タンパク質は、pHの変化に反応し、組み立てや分解を引き起こすように戦略的に設計することができる。この能力により、低pHのエンドソームやリソソームなど、pHの変化が存在する生物製剤の送達 (デリバリー)の担体としてタンパク質を使用することができる。しかし、標的生物製剤の送達のためにタンパク質ナノ粒子プラットフォームを調整するには、多様な機能(カーゴのカプセル化、標的の特異的認識、pH依存性のトリガーによる分解、カーゴの放出制御など)をすべて単一の統一されたフレームワークで実行するようにタンパク質を設計する必要がある。歴史的に、自己組織化タンパク質ナノ粒子は、比較的静的な構造として設計されており、1つか2つの安定した成分で構成され、多様な生物学的機能を組み込むことはできなかった。

 抗体含有ナノ粒子は、あらゆる細胞表面レセプターを標的とし、標的細胞に選択的に入るように適合させることができるため、デリバリー用途に標的部位を組み込むための魅力的な経路を提供する。David Bakerらは先行研究 [1]において、それぞれ設計された4量体と任意の抗体を、それぞれ八面体の4回対称軸と2回対称軸に組み込んだ「多孔性の2成分八面体ナノ粒子」を創製した。しかし、これらの抗体ナノ粒子をデリバリー・プラットフォームとして使用することは、八面体の3回対称軸に大きな空隙があり、その空隙はタンパク質によって占有されないままであるため、カーゴをパッケージして保持することができず、実用的でないままであった。研究チームは今回、この2成分八面体ナノ粒子2のようなタンパク質ナノ材料の空隙率を低減するために、占有されていない対称軸に沿って存在する空隙を埋める [*2,3] custom symmetric proteins / カスタム対称タンパク質 (plugs /プラグ) を設計するというアプローチを採った。

 研究チームはこのアプローチを用いて、3回対称軸上の未占有の空隙を埋める3量体プラグタンパク質を設計し、3つの異なる対称軸(2回対称軸、3回対称軸、4回対称軸)それぞれに明確な構造的・機能的タンパク質成分を有する新規な8面体プラグ化抗体ナノ粒子系 (O432-17と呼ぶ) を形成した。特に、pH依存的な分解を可能にするために、プラグのオリゴマー界面にヒスチジンを含む水素結合ネットワークと空隙導入変異を組み込むように、これらのプラグタンパク質を設計した。

 研究チームは、滴定pH条件下でインキュベートした後、フローサイトメトリーで蛍光標識したナノ粒子成分を測定することで、我々の新規なプラグド抗体ナノ粒子システムの分解をテストした。設計したプラグ化抗体ナノ粒子は強固に集合し、プラグのオリゴマー界面におけるヒスチジンを含む水素結合ネットワークの数と空洞導入変異の数を変更することにより、異なるpH条件下で分解するように調整することができた [Research Briefing記事の図1を引用した右図参照]

 プラグ化タンパク質に点変異を加えることで、pH5.1から6.7の間で異なるナノ粒子バリアントの見かけの分解 (pKa) を微調整し、設計した配列が分解を引き起こすのに必要な精度を実証した。また、設計された静電相互作用によって、ナノ粒子がカーゴをパッケージングして放出し、抗体を介したターゲティングによって選択的に細胞内に入ることも確認した。こうした実験は、創製した多成分ナノ粒子が、単一の統一された枠組みのもとで、いくつかの生物学的機能を発揮できることを示している。

蛋白質ナノ粒子 本研究で実現された多成分ナノ粒子システムでは、プラグがpHに応答したカーゴの分解、パッケージング、放出を可能にし、抗体が、汎用的なプラットフォームによる細胞特異的ターゲティングを提供する。多成分ナノ粒子システムは、このような機能分担により、どのような抗体を組み込んでも目的の特定の細胞を標的にすることができ、また、しかるべき点変異を介してカーゴのパッケージング特異性とその放出を決定するpKaを調整することができるような、高度にモジュール化されたものとなっている。さらに、独立に精製された成分からin vitroでナノ粒子を組み立てることで、抗体やプラグの変異体の混合やマッチングなど、各成分の複数のバリエーションを強固に組み込むことができる。

 多成分ナノ粒子システムは、設計されたタンパク質のアセンブリーにおけるいくつかの課題を克服した。しかしながら、広く有用な生物製剤送達プラットフォームとなるためには、エンドソーム脱出装置の設計と、様々なタイプのカーゴに対するパッケージング効率の改善が必要である。
 今後の課題は、標的生物製剤の送達に必要な完全な機能を備えた設計ナノ粒子を具現化するために、これらの限界を克服する機械の設計に焦点を当てることである。

[*] 引用論文

  1. Designed proteins assemble antibodies into modular nanocages” Divine R [..] Baker D. Science 2021-04-02. https://doi.org/10.1126/science.abd9994
  2. Design of multi-scale protein complexes by hierarchical building block fusion” Hsia Y, Mout R [..] Baker D. Nat Commun. 2021-04-16. https://doi.org/0.1038/s41467-021-22276-z; a computational helical fusion method
  3. Fast and versatile sequence-independent protein docking for nanomaterials design using RPXDock” Shuffler W [..] Baker D. PLoS Comput Biol 2023-05-22. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1010680; a computational rigid-body docking method.