Peptide-Liposome Model Systems for Triggered Release [book]

Camilla Skyttner
2018 Linköping studies in science and technology, Dissertations   unpublished
Printed in Sweden by LiU-Tryck, Linköping 2018 i Liposomes are widely used in drug delivery to improve drug efficacy and to reduce side effects. For liposome-encapsulated drugs to become bioavailable and provide a therapeutic effect they must be released, which typically is a slow process that primarily relies on passive diffusion, liposome rupture or endocytotic uptake. Achieving drug concentrations within the therapeutic window can thus be challenging, resulting in poor efficacy and higher
more » ... icacy and higher risks drug resistance. Finding means to modulate lipid membrane integrity and to trigger rapid and efficient release of liposomal cargo is thus critical to improve current and future liposomal drug delivery systems. The possibilities to tailor lipid composition and surface functionalization is vital for drug delivery applications but also make liposomes attractive model systems for studies of membrane active biomolecules. The overall aim of this thesis work has been to develop new strategies for triggering and controlling changes in lipid membrane integrity and to study the interactions of membrane active peptides with model lipid membranes using both de novo designed and biologically derived synthetic amphipathic cationic peptides. Two different sets of designed peptides have been explored that can fold and heterodimerize into a coiled coil and helix-loop-helix fourhelix bundle, respectively. Conjugation of the cationic lysine rich peptides to liposomes triggered a rapid and concentration dependent release. The additions of their corresponding glutamic acid-rich complementary peptides inhibited the release of liposomal cargo. Possibilities to reduce the inhibitory effect by both proteolytic digestion of the inhibitory peptide and by means of heterodimer exchange have been investigated. Moreover, the effects of peptide size and composition and ability to fold have been studied in order to elucidate the factors that influence the membrane permeabilizing effects of the peptides. In addition, the membrane activity of a the two-peptide bacteriocin PLNC8α and PLNC8β has been explored using liposomes as a model system. PLNC8αβ are expressed by Lactobacillus plantarum and were shown to display pronounced membrane-partition folding coupling, leading to rapid release of liposome encapsulated carboxyfluorescein. PLNC8αβ also kill and suppressed growth of the gram-negative bacteria Porphyromonas gingivalis by efficiently damaging the bacterial membrane. Although membrane active peptides are highly efficient in perturbing lipid membrane integrity, possibilities to trigger release using external stimuli are also of large interest for therapeutic applications. Light-induced heating of liposome encapsulated gold nanoparticles (AuNPs) has been shown by others as a potential strategy to trigger drug release. To facilitate fabrication of thermoplasmonic liposome systems we developed a simple method for synthesis of small AuNPs inside liposomes, using the liposomes as nanoscale reaction vessels. ii The work presented in this thesis provides new knowledge and techniques for future development of liposome-based drug delivery systems, peptide-based therapeutics and increase our understanding of peptide-lipid interactions. iii Det finns många läkemedel som bryts ner för snabbt i kroppen, är giftiga eller svårlösliga men i övrigt fungerar bra. Ett sätt att göra dessa läkemedel mer effektiva och minimera svåra biverkningar är att kapsla in dem i mikroskopiska fettbubblor som kallas liposomer. Liposomer används därför med fördel tillsammans med olika läkemedel. Nya problem som kan uppstå är att läkemedlet läcker ut ur liposomen för långsamt vilket riskerar att göra läkemedlet verkningslöst. Därför kan en strategi för frisättning av läkemedlet från liposomen vara avgörande. Liposomernas sammansättning liknar den tunna hinna som omger kroppens alla celler, det så kallade cell-membranet, vilket gör dem väl lämpade för medicinska tillämpningar. Denna egenskap gör också att man kan använda liposomer som modellsystem för att studera hur naturligt förekommande proteiner och proteinfragment (peptider) påverkar cellmembranet. Målet med arbete i den här avhandlingen är att utveckla nya strategier för att kontrollera frisättning av små molekyler från liposomer med hjälp av peptider som kan göra små hål i liposomernas yta (lipidmembran). Flera olika varianter av peptider har undersökts där några peptider gjorde hål i lipidmembranet och släppte ut de inkapslade molekylerna och några peptider blockerade denna process. Två strategier för att häva blockeringen undersöktes som ett led i utvecklingen av metoder för kontrollerad frisättning. En strategi som användes var att göra det möjligt för den blockerande peptiden att brytas ner i kroppen och den andra strategin var att plocka bort den blockerande peptiden med hjälp av ytterligare en peptid. Effekten av storlek och kemisk sammansättning på peptiderna samt deras förmåga att strukturera om sig som följd av interaktioner med liposomer studerades. Därutöver har två naturligt förekommande peptider studerades med hjälp av ett liposommodellsystem. Dessa peptider utsöndras av en mjölksyrabakterie och kan förhindra tillväxten av och döda en sjukdomsframkallande bakterie genom att förstöra dess lipidmembran. Interaktionen med lipidmembranet i modellsystemet visade att interaktionen var snabb och resulterade i en strukturförändring hos peptiderna. Ytterligare ett sätt att kontrollera frisättningen av molekyler från liposomer är att värma upp liposomerna, vilket gör lipidmembranet mer genomsläppligt. Genom att använda värmen som produceras när man lyser på nanometersmå partiklar av guld kan man öka frisättningen av molekyler genom att lysa på ställen på kroppen dit läkemedlet bör frisättas. Att effektivt kapsla in dessa nanopartiklar i liposomer kan dock vara komplicerat varför en ny metod har utvecklats som gör det möjligt att tillverka nanopartiklarna direkt i liposomerna, Arbetet i denna avhandling har bidragit till ny kunskap som kan vara av stor nytta för fortsatt utveckling av system för kontrollerad frisättning av läkemedel från liposomer samt gett ökad iv förståelse för de interaktioner som är involverade i samspelet mellan peptider och lipidmembraner. v This thesis is based on the authors' contributions to the following five scientific papers:
doi:10.3384/diss.diva-150419 fatcat:ojgez6inxbfcpmpphjux3fr4pi