Development of self-assembling protein only nanoparticles for targeted therapies

Abstract

Las medicinas innovadoras demandan con urgencia nuevos vehículos funcionales para la entrega dirigida de fármacos convencionales y novedosos, preferentemente en forma de nanopartículas. Los materiales nanoestructurados mejoran la biodistribución y la penetración celular, lo que les convierten en transportadores eficaces de fármacos, que con un rango de tamaño entre 6 y 100 nm escapan al filtrado renal. La arquitectura de estos nanoconjugados vehículo-fármaco debe ser lo suficientemente estable para permitir la circulación sistémica y la entrega específica en los tejidos diana, reduciendo así al mínimo la potencial toxicidad y efectos secundarios del fármaco. El propio vehículo debe ser no inmunogénico y no tóxico. De hecho, la toxicidad de los materiales explorados para la fabricación de nanopartículas es un tema crítico. Los nanotubos de carbono, dendrímeros, diferentes tipos de polímeros, materiales cerámicos y metales, a pesar de que poseen propiedades fisicoquímicas atractivas, exhiben efectos adversos, citotoxicidad y acumulación en el cuerpo y en el medio ambiente. Estos materiales deben ser funcionalizados para poder asociarse con el fármaco y para adquirir propiedades de unión específica a receptor. Alternativamente, las proteínas son totalmente biocompatibles y funcionales, adecuadas para su bioproducción a gran escala. Alrededor de 400 proteínas terapéuticas han sido aprobadas por la FDA y EMA para su uso humano, lo que demuestra la viabilidad industrial de la producción biológica. Las proteínas pueden ser modificadas por ingeniería genética convencional para reclutar funciones deseadas, como unión a receptor, internalización, escape endosomal, entrega nuclear, autoensamblaje y unión a fármaco. En este contexto, hemos desarrollado previamente una plataforma metodológica para generar partículas proteicas que se autoensamblan en forma de nanopartículas de alrededor de 20 nm que mimetizan las características arquitectónicas de los virus, incluyendo biodistribución, reconocimiento celular y penetración celular. Hemos demostrado previamente que estas nanopartículas muestran una biodistribución selectiva y acumulación en tumor tras ser administradas de forma intravenosa in vivo. En esta tesis, hemos estudiado por un lado mas profundamente la plataforma de autoensamblaje y hemos desarrolado un principio de ingeniería para obtener nanopartículas de tamaño definido. Además, hemos analizado si la presentación en forma de nanopartículas de proteínas multifuncionales favorece su paso a través de la barrera hematoencefálica para su posible aplicación en enfermedades neurológicas. Por otro lado, hemos seleccionado diferentes dominios citotóxicos proteicos (Bak, Puma, GWH1) y hemos generado nanopartículas estables con capacidad de acumularse en las células diana y que además, muestran actividad citotóxica intrínseca para su aplicación en cáncer y enfermedades infecciosas. En resumen, la generación de partículas proteicas no immunogénicas, libres de vehículo, que escapen al filtrado renal, con capacidad de unión celular selectiva y con actividad citotóxica es un concepto totalmente nuevo en Nanomedicina, que se espera que tenga un profundo impacto social, científico y metodológico en la medicina innovadora del cáncer y, potencialmente, de otras enfermedades humanas.

Innovative medicines urgently demand novel cell-targeted functional vehicles for the controlled delivery of conventional and novel drugs, desirably within the nanoscale. Nanostructured materials show high tissue and cell penetrability that make them very appealing in medicine, while escaping both renal clearance and aggregation in lung when sizing between 6 nm and 100 nm. The architecture of such vehicle-drug conjugates should be tight enough to allow stable systemic circulation and delivery into target tissues, thus minimizing the potential toxicity/side-effects of the cargo due to generic exposition of healthy organs. Importantly, the vehicle itself must be non-immunogenic and non-toxic. In fact, toxicity of the materials currently under exploration for nanoparticle fabrication is a major matter of concern. Carbon nanotubes, dendrimers, different types of polymers, ceramics and metals, despite possessing appealing physicochemical properties exhibit adverse effects concerning cytotoxicity and accumulation in the body and in the environment. All these materials need to be functionalized upon fabrication to associate with the cargo drug and to acquire receptor-based targeting properties. Alternatively, proteins are fully biocompatible and functional biomaterials suitable for scaled-up bioproduction, and about 400 protein therapeutics have been approved for used in humans by the FDA and EMA, proving the industrial feasibility of biological production for human therapies. Proteins can be conveniently modified by conventional genetic engineering to recruit desired functions such as cell receptor binding, internalization, endosomal escape, nuclear delivery, self-assembling and cross-molecular interactions for drug loading. In this context, we have previously developed a methodological platform to generate self-organizing, protein-only building blocks based on modular schemes, which once self-assembled as nanoparticles of around 20 nm, mimic the viral functions relevant to architectonic stability, proper biodistribution, cell targeting and cell internalization. We have previously demonstrated that these nanoparticles show selective biodistribution and accumulation into the tumor upon intravenous administration in vivo. In this thesis, on one hand, we have deeply studied this self-assembly platform and developed an engineering principle that allows obtaining nanoparticles of a defined size. In addition, we have analyzed whether the nanoparticulate presentation of multifunctional proteins favours their delivery through the blood-brain barrier for their possible application in neurological diseases. On the other hand, we have selected different cytotoxic protein domains (BAKBH3, PUMA, GWH1…) and generated stable nanoparticles with the capacity to accumulate in the target cells and that also, show intrinsic cytotoxic activities for their application in cancer and infectious diseases. In summary, the generation of fully functional, non immunogenic, vehicle-free protein-only nanoparticles escaping renal filtration and showing cytotoxic activity is a totally new concept in Nanomedicine that is expected to have a deep social, scientific and methodological impact in emerging medicines of cancer and potentially, of other relevant human diseases.