Adenowirusy (Ad), członkowie rodziny Adenoviridae, to bezotoczkowe wirusy DNA, których do tej pory zidentyfikowano ponad 70 typów (http://hadvwg.gmu.edu). W zależności od właściwości hemaglutynacji, struktury genomu i wyników sekwencjonowania, 70 typów Ad można podzielić na siedem gatunków (ludzkie adenowirusy od A do G)1,2. Ludzki genom Ad ma rozmiar 38 kb i jest otoczony dwudziestościennym nukleokapsydem3. Ze względu na ich obfitość, sześciokąt białka kapsydu, zasada pentonowa i błonnik są określane jako główne białka kapsydu. Najliczniejszy i największy sześciokąt białka kapsydu tworzy 20 faset kapsydu, z których każdy składa się z 12 homotrimerów heksonów4,5. Penton, znajdujący się na każdej dwudziestościennej krawędzi (wierzchołku), składa się z pentamerów o podstawie pentonowej i reprezentuje podstawę dla kolca wierzchołkowego, który jest zbudowany z trymerów włókien glikozylowanych5,6. Natywny wpis w komórce reklamy składa się zasadniczo z dwóch głównych kroków. Po pierwsze, gałka włókna wiąże się z pierwotnym receptorem. W typach Ad z gatunków A, C, E i F jest to receptor Coxsackie i adenowirusa (CAR). Ta interakcja sprawia, że wirion znajduje się w przestrzennej bliskości powierzchni komórki, ułatwiając w ten sposób interakcje między integrynami komórkowymi a motywem RGD w zasadzie pentonowej, a w konsekwencji wywołując odpowiedzi komórkowe. Po drugie, zmiany w cytoszkielecie prowadzą do internalizacji wirionu i transportu do endosome7. Po częściowym rozkładzie w endosomie, wirion jest uwalniany do cytoplazmy i ostatecznie przemieszcza się do jądra w celu replikacji.
Podczas gdy reklama może być dostarczana lokalnie (np. do szczepień genetycznych), ogólnoustrojowe dostarczanie przez krwioobieg, jak jest to wymagane w onkowirusoterapii, napotyka kilka barier. Krążąc w krwiobiegu, wstrzyknięte wiriony napotykają system obronny układu odpornościowego gospodarza, co prowadzi do szybkiej neutralizacji wektorów opartych na wirusie i sprawia, że wektory oparte na AD są wyjątkowo nieefektywne w zastosowaniach ogólnoustrojowych. Co więcej, naturalny hepatotropizm Ad zakłóca dostarczanie ogólnoustrojowe i musi zostać rozwiązany tak, aby przekierować Ad do nowych komórek docelowych.
Naturalne przeciwciała IgM wrodzonego układu odpornościowego kodowane przez linię zarodkową szybko rozpoznają i wiążą wysoce powtarzalne struktury na powierzchni wirionu8,9. Te kompleksy immunologiczne następnie aktywują klasyczne i nieklasyczne szlaki układu dopełniacza, prowadząc do szybkiej neutralizacji dużej części wirionów za pośrednictwem dopełniacza8. Drugi szlak prowadzący do znacznego usunięcia wirionów Ad jest pośredniczony przez makrofagi10 i związany z ostrymi toksycznymi i hemodynamicznymi skutkami ubocznymi11,12. W szczególności w przypadku AD, komórki Kupffera znajdujące się w wątrobie wiążą się z wirionami Ad i fagocytycznie je pobierają za pośrednictwem specyficznych receptorów zmiatających, eliminując je w ten sposób z klasy krew13,14,15. Specyficzne receptory zmiatacza zostały również zidentyfikowane na sinusoidalnych komórkach śródbłonka wątroby (komórkach LSE)16, a komórki LSE również wydają się przyczyniać do eliminacji wektorów17, ale w jakim stopniu nadal wymaga wyjaśnienia. Co więcej, niektóre typy Ad i ich wektory pochodne są skutecznie sekwestrowane przez ludzkie erytrocyty18, z którymi wiążą się poprzez CAR lub receptor dopełniacza CR119. Warto zauważyć, że ten mechanizm sekwestracji nie może być badany w systemie modelu mysim, ponieważ w przeciwieństwie do ludzkich erytrocytów, erytrocyty myszy nie wykazują ekspresji CAR.
Specyficzne przeciwciała anty-Ad generowane przez adaptacyjny układ odpornościowy po ekspozycji na Ad z powodu wcześniejszych infekcji Ad lub po pierwszym podaniu w aplikacjach ogólnoustrojowych stanowią kolejną barierę dla efektywnego wykorzystania wektorów Ad i powinny być unikane w efektywnym dostarczaniu ogólnoustrojowym.
Na koniec, silny hepatotropizm niektórych typów Ad (w tym Ad5) poważnie utrudnia zastosowanie Ad w terapii systemowej. Ten tropizm powodujący transdukcję hepatocytów wynika z wysokiego powinowactwa wirionu Ad do czynnika krzepnięcia krwi X (FX), w którym pośredniczy oddziaływanie FX z białkiem heksonu Ad20,21,22. FX łączy wirion z glikanami siarczanu heparyny (HSPG) na powierzchni hepatocytów20,23,24,25. Kluczowym czynnikiem tej interakcji wydaje się być specyficzny zakres N- i O-siarczanowania HSPG w komórkach wątroby24, który różni się od HSPG na innych typach komórek. Oprócz tego szlaku, w którym pośredniczy FX, ostatnie badania sugerują inne szlaki, które nie zostały jeszcze zidentyfikowane, a które powodują transdukcję Ad hepatocytów26,27,28.
Ostatnio wykazano, że FX nie tylko bierze udział w transdukcji AD przez hepatocyty, ale także poprzez wiązanie, wirion osłania cząsteczkę wirusa przed neutralizacją przez układ dopełniacza26. Zmniejszenie transdukcji hepatocytów poprzez zapobieganie wiązaniu FX stworzyłoby zatem niepożądany efekt uboczny w postaci zwiększenia neutralizacji Ad przez wrodzony układ odpornościowy.
Dogłębna wiedza na temat złożonych interakcji między wektorami a organizmami gospodarza jest zatem niezbędna do opracowania bardziej wydajnych wektorów do zastosowań systemowych, które omijają przeszkody narzucane przez organizm gospodarza.
Jedna ze strategii, która była pierwotnie stosowana w przypadku białek terapeutycznych, została zaadaptowana do wektorów AD, aby przynajmniej częściowo pokonać wyżej opisane bariery. Antygenowość i immunogenność terapeutycznych związków białkowych można zmniejszyć poprzez sprzężenie z glikolem polietylenowym (PEG)29,30. W związku z tym kowalencyjne sprzężenie polimerów, takich jak PEG lub poli[N-(2-hydroksypropylo)metakryloamid] (pHPMA) z powierzchnią kapsydu, chroni wektor przed niepożądanymi interakcjami wektor-gospodarz. Zwykle sprzężenie polimerowe jest ukierunkowane na grupy ε-aminowe z reszt bocznych lizyny, które są losowo rozmieszczone na powierzchni kapsydu. Cząstki wektorowe w roztworze są, ze względu na hydrofilowy charakter przyłączonych polimerów, otoczone stabilną powłoką wodną, która zmniejsza ryzyko rozpoznania komórek odpornościowych lub degradacji enzymatycznej. Ponadto wykazano, że pegylowane wektory Ad unikają neutralizacji przez przeciwciała anty-heksonowe in vitro i u wstępnie uodpornionych myszy in vivo31. W przeciwieństwie do genetycznych modyfikacji kapsydu, chemiczne sprzęganie polimerów odbywa się po wyprodukowaniu i oczyszczeniu, co pozwala nie tylko na wykorzystanie konwencjonalnych komórek produkcyjnych i produkcję zapasów wektorów o wysokim mianie, ale także na jednoczesną modyfikację tysięcy aminokwasów na powierzchni kapsydu. Jednak ekranowanie skierowane aminami zachodzi losowo na całej powierzchni kapsydu, co skutkuje dużą niejednorodnością i nie pozwala na modyfikację określonych kapsomerów. Co więcej, duże ugrupowania polimerowe wymagane do uzyskania korzystnych efektów upośledzają bioaktywność wirusa32.
Aby przezwyciężyć te ograniczenia, Kreppel et al. 33 wprowadził genetyczno-chemiczną koncepcję re- i detargetowania wektorów. Cysteiny zostały genetycznie wprowadzone do kapsydu wirusa w miejscach narażonych na działanie rozpuszczalnika, takich jak włókno HI-loop33, białko IX34 i hexon35,36. Chociaż nie występują naturalnie, wektory Ad zawierające cysteinę mogą być wytwarzane przy wysokich mianach w normalnych komórkach produkcyjnych. Co ważne, insercja cystein w niektórych kapsomerach i w różnych pozycjach w obrębie jednego kapsomeru pozwala na wysoce specyficzne modyfikacje ugrupowań reagujących z grupami tiolowymi. Wykazano, że to genetyczno-chemiczne podejście pokonuje wiele przeszkód w projektowaniu wektorów reklam. Udowodniono, że połączenie pegylacji opartej na aminie w celu detargetowania i sprzężenia transferyny na bazie tiolu z pętlą HI-loop włókna z powodzeniem przekierowuje zmodyfikowane wektory Ad do komórek z niedoborem CAR33. Ponieważ hekson bierze udział w większości niepożądanych interakcji (przeciwciała neutralizujące, czynnik krzepnięcia krwi FX), strategie modyfikacji oparte na tiolach zastosowano również w przypadku heksonu. Sprzężenie małych ugrupowań PEG z HVR5 heksonu uniemożliwiło cząstkom wektora Ad transdukcję komórek SKOV-3 w obecności FX, podczas gdy duże ugrupowania PEG zwiększały transdukcję hepatocytów14,35. Wykazano, że cząstki wektora ad przenoszące mutacje w gałce włókien hamującej wiązanie CAR i w HVR7 hamującej wiązanie FX (i zawierające cysteiny wstawione w HVR1 w celu PEGylacji specyficznej dla pozycji) unikają neutralizacji za pośrednictwem przeciwciał i dopełniacza, a także wychwytu za pośrednictwem receptora zmiatacza bez utraty zakaźności. Co ciekawe, pomimo braku naturalnej tarczy FX, pegylacja ponownie poprawiła transdukcję hepatocytów w funkcji PEG size36. Wykazano jednak, że ekranowanie kowalencyjne ma wpływ na procesy transportu wewnątrzkomórkowego. Prill i wsp. porównano nieodwracalne i biowrażliwe osłony oparte na pHPMA i wykazano, że ani tryb ekranowania, ani ładunek kopolimeru nie miały wpływu na wnikanie do komórki, ale wpływały na transport cząstek do jądra. Zastosowanie bioczułej osłony z dodatnio naładowanymi kopolimerami pHPMA pozwoliło na transport cząstek do jądra, utrzymując wysoką wydajność transdukcji wektorów Ad in vitro i in vivo37.
Podsumowując, dane te wskazują, że nawet przy założeniu, że wszystkie interakcje wektor-gospodarz były znane i brane pod uwagę, konieczne są nadmierne modyfikacje powierzchni kapsydu, aby pokonać przeszkody związane z systemowym dostarczaniem wektorów.
Tutaj udostępniamy protokół do przeprowadzania specyficznych dla miejsca modyfikacji chemicznych kapsydów wektorów adenowirusowych w celu osłony i/lub retargetowania cząstek wektorów adenowirusowych i wirusów onkolitycznych opartych na adenowirusie. Koncepcja tej technologii została przedstawiona na rysunku 1. Umożliwia ekranowanie niektórych regionów kapsydu przed niepożądanymi interakcjami poprzez kowalencyjne przyłączanie polimerów syntetycznych. Jednocześnie zapewnia również środki do przyłączania ligandów i łączenia ekranowania i celowania. Korzystając z prostej chemii, eksperymentatorzy będą w stanie kowalencyjnie modyfikować powierzchnię wektora adenowirusa za pomocą szerokiej gamy cząsteczek, w tym peptydów/białek, węglowodanów, lipidów i innych małych cząsteczek. Ponadto protokół zawiera ogólną koncepcję modyfikacji chemicznej biologicznie aktywnych wektorów pochodzących od wirusa przy zachowaniu ich biologicznej integralności i aktywności.