Biomedical Applications of Bacterial Inclusion Bodies

Abstract

Els cossos d’inclusió bacterians (CIs) són dipòsits proteics que apareixen normalment durant el procés de producció de proteïna recombinant. Històricament, aquests agregats han estat classificats com a sub-productes de rebuig i, per tant, descartats. No obstant, aquesta percepció ha canviat al llarg de les dues darreres dècades. Nombrosos estudis han proporcionat evidències que demostren que aquestes partícules són, de fet, estructures supramoleculars formades per contactes estereoespecífics proteïna-proteïna, morfològicament i fisicoquímicament estables, fàcils de purificar i que mostren un alt nivell de plasticitat pel que fa a activitat biològica, mida i propietats fisicoquímiques. En el present treball s’ha explorat la possibilitat d’aprofitar les propietats úniques dels CIs per desenvolupar noves aplicacions biomèdiques. En aquest sentit, ens hem centrat en l’estudi de la idoneïtat dels CIs com a nanomaterial particulat per tal de generar nanotopografies capaces de controlar la resposta de cèl·lules animals. La modificació a nivell nanomètric de superfícies per tal d’estimular una resposta cel·lular específica resulta molt prometedora pels camps de l’enginyeria tissular i la medicina regenerativa en general. En aquest treball es presenten evidències de que els CIs es poden dipositar sobre superfícies de cultiu, obtenint nanotopografies modificades amb efecte biològic. Al cultivar cèl·lules de mamífer sobre aquestes, s’aprecia un elevada capacitat d’adhesió cel·lular. A més a més, s’ha observat que el CIs són capaços d’estimular la proliferació cel·lular mitjançant una cascada de senyalització basada en la mecanotransducció. Tant l’adhesió com la proliferació cel·lulars són factors crucials per la colonització de la superfície d’implants. S’ha demostrat també que les topografies formades per CIs són capaces de dirigir cèl·lules mare mesenquimals (MSCs) indiferenciades cap a osteoblasts. És important esmentar que l’adhesió, la proliferació i la diferenciació cel·lular mediades per CIs poden ser modulades per la correcta elecció del fons genètic de la soca utilitzada per a produir els CIs, obtenint d’aquesta manera agregats fisicoquímica i morfològicament diferents. Finalment els CIs han demostrat ser capaços d’alliberar quantitats significatives de la proteïna que els forma, en una versió activa. Aquest fet ha propiciat el seu estudi com plataforma d’entrega de fàrmacs proteics, des de nanoestructures de la superfície del substrat, cap als cultius diana. Aquesta darrera aplicació seria particularment interessant en tractaments a llarg termini, ja que el CIs proporcionarien un alliberament de la proteïna sostingut. A més, aquesta capacitat d’entrega afegiria un nivell extra de complexitat i control a les aplicacions prèviament esmentades ja que combinaria l’efecte mecànic de les topografies basades en CIs amb l’activitat biològica de la proteïna formadora de l’agregat.

Bacterial Inclusion Bodies (IBs) are protein deposits usually observed in recombinant bacteria during protein production processes. These aggregates have been historically regarded as waste by-products and therefore discarded. However, in the last two decades this perception has changed. Numerous studies have provided evidence that these particles are in fact supramolecular structures formed by stereospecific cross-molecular protein-protein interactions, morphologically and mechanically stable, easy to purify and highly tunable in terms of biological activity, size and physicochemical properties,. In the present work it has been explored to exploit appealing IB properties for biomedical applications. In this regard, we have focused on the suitability of IBs as particulate protein nanomaterial to produce engineered nanotopographies able to modulate mammalian cell responses. Nanomodification of scaffolds to stimulate a specific cell response is a promising field for tissue engineering and regenerative medicine. In this regard, we have provided evidence that bacterial IBs can be effectively deposited onto cell culture surfaces generating altered nanotopographies. These IB-based topographies, when used as cell culture substrate, exhibited higher capability for cell adhesion in four distinct cell lines. Moreover, IBs were shown to be able of actively stimulating cell proliferation through mechanotransductive events, being these two activities crucial for cell colonization of implant materials. On the other hand, it has been also proved how IB-based topographies are able to direct mesenchymal stem cells (MSCs) to osteogenesis. Noteworthy, cell adhesion, cell proliferation and cell differentiation can be controlled by the proper choice of Escherichia coli producing strain genetic background, rendering physicochemically and morphologically distinct IBs. Finally, IBs have been shown capable of releasing significant amounts of their forming protein, prompting their use as a delivery platform of therapeutic protein drugs, from nanostructured surfaces to cell cultures. This last application would be particularly appealing for long term treatments, since IBs provide a sustained release of their active component. Moreover, this delivery capacity adds an extra level of complexity and control to the previous mentioned IB applications, through the combination of the mechanical effect of the IB-based topographies with the biological activity of the IB-forming protein