transmedТрансляционная медицинаTranslational Medicine2311-44952410-5155Almazov National Medical Research Centre, Saint Petersburg, Russia10.18705/2311-4495-2023-10-6-522-534JVUYKDtransmed-833Research ArticleМЕДИЦИНСКАЯ ХИМИЯMEDICINAL CHEMISTRYРазработка прототипа тераностической системы на основе наночастиц кремнезема с иммобилизированными флуоресцентными красителями и направляющим лигандом VEGFDevelopment of a prototype of a theranostic system based on silica nanoparticles with immobilized fluorescent dyes and VEGF targeting ligand.ЧебуркинЮ. В.CheburkinYu. V.

Чебуркин Юрий Владимирович, к.м.н., заведующий НИЛ инфекционных патогенов и биомолекулярных наноструктур, научный сотрудник НИЛ нейрогенеза и нейродегенеративных заболеваний НЦМУ «Центр персонализированной медицины»

ул. Долгоозерная, д. 43, лит. А, Санкт-Петербург, 197349

Yuri V. Cheburkin, MD, PhD, head of ResearchLaboratory of Infectious Pathogens and Biomolecular Nanostructures, research scientist, Research Laboratory of Neurogenesis and Neurodegenerative Diseases, World-Class Research Centre for Personalized Medicine, Almazov National Medical Research Centre

cheburkin_yuv@almazovcentre.ruШульмейстерГ. А.ShulmeisterG. A.

Шульмейстер Галина Анатольевна, младший научный сотрудник НИЛ нанотехнологий

Galina A. Shulmeister, junior research assistant of the Research Laboratory of Nanotechnologies, Almazov National Medical Research Centre

БондаренкоА. Б.BondarenkoA. B.

Бондаренко Андрей Борисович, младший научный сотрудник НИЛ инфекционных патогенов и биомолекулярных наноструктур; старший преподаватель кафедры медицинской биологии

Andrey B. Bondarenko, junior research scientist, Research Laboratory of Infectious Pathogens and Biomolecular Nanostructures; senior lecturer of Department of Medical Biology

ЧистяковаА. В.ChistyakovaA. V.

Чистякова Анастасия Вячеславовна, студент

Anastasia V. Chistyakova, student

КоролевД. В.KorolevD. V.

Королев Дмитрий Владимирович, д.х.н., заведующий НИЛ нанотехнологий, ФГБУ «НМИЦ им. В. А. Алмазова» Минздрава России; научный сотрудник 

Dmitry V. Korolev, PhD, head of the Research Laboratory of Nanotechnologies; research scientist

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр имени В. А. Алмазова» Министерства здравоохранения Российской ФедерацииРоссияAlmazov National Medical Research CentreRussian FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр имени В. А. Алмазова» Министерства здравоохранения Российской Федерации; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской ФедерацииRussian FederationAlmazov National Medical Research Centre; Saint Petersburg State Pediatric Medical UniversityRussian FederationФедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова (Ленина)»Russian FederationSaint Petersburg Electrotechnical University “LETI”,Russian FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр имени В. А. Алмазова» Министерства здравоохранения Российской Федерации; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет имени академика И. П. Павлова» Министерства здравоохранения Российской ФедерацииRussian FederationAlmazov National Medical Research Centre; Academician I. P. Pavlov First Saint Petersburg State Medical UniversityRussian Federation202326012024106522534Copyright © Чебуркин Ю.В., Шульмейстер Г.А., Бондаренко А.Б., Чистякова А.В., Королев Д.В., 20242024Чебуркин Ю.В., Шульмейстер Г.А., Бондаренко А.Б., Чистякова А.В., Королев Д.В.Cheburkin Y.V., Shulmeister G.A., Bondarenko A.B., Chistyakova A.V., Korolev D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://transmed.almazovcentre.ru/jour/article/view/833Актуальность

Актуальность. Введение некоторых лекарств вызывает нежелательные явления, связанные с системным воздействием действующего вещества на организм. Селективное нацеливание лекарственного средства на пораженную ткань способно избирательно повысить концентрацию вещества именно в зоне интереса, тем самым снизив системное влияние и усилив локальный терапевтический эффект.

Цель

Цель. Создание средства направленной доставки тераностических агентов с использованием рекомбинантного фактора роста эндотелия сосудов типа А человека (rhVEGF-A121) в качестве направляющего лиганда.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для создания тераностического комплекса были использованы коммерчески доступные реактивы: рекомбинантный белок rhVEGF-A121 и пирогенный кремнезем Аэросил. Тозильный спейсер, соединяющий оба компонента, был синтезирован в условиях лаборатории. Конъюгация белка с флуорофорами также проводилась собственными силами. Для иммобилизации взяты индоцианин зеленый и Родамин Б.

Результаты

Результаты. В ходе работы проведена функционализация наночастиц кремнезема (НЧК) Аэросил тозильным спейсером, синтезированы конъюгаты НЧК с rhVEGF-A121, получены тераностические конструкции на основе НЧК, включающие rhVEGF-A121, в качестве направляющего лиганда, и ИЦЗ/Родамин Б, в качестве визуализирующей метки.

Заключение

Заключение. В представленном исследовании разработан прототип средства направленной доставки тераностического агента в ткани с активно протекающим процессом ангиогенеза, например, в опухолевые и ишемизированные ткани. Для решения задачи проведена иммобилизация на поверхности наночастицы кремнезема (НЧК) направляющего лиганда, в качестве которого использован рекомбинантный белок фактора роста эндотелия сосудов человека (rhVEGF). Подобная синтетическая конструкция позволит доставлять диагностические и/или лекарственные вещества, заключенные в НЧК, непосредственно к клеткам, усиленно экспрессирующим экстрацеллюлярные специфические рецепторы для данного фактора роста, а именно протеин-тирозиновые киназы семейства VEGFR. В последующих экспериментах in vivo оценка эффективности доставки будет оцениваться по накоплению в тканях флуорофоров ИЦЗ и Родамина Б, которые были конъюгированы с белком направляющего лиганда.

Background

Background. Administration of certain drugs causes undesirable effects associated with the systemic effect of the active substance on the entire body. Selective targeting of the drug to the affected tissue promotes a selective increase in the concentration of the substance in the area of interest, thereby reducing the systemic effect and enhancing the local therapeutic effect.

Objective

Objective. Development of a targeted delivery system for theranostic agents using recombinant human vascular endothelial growth factor type A (rhVEGF-A121) as a targeting ligand.

Design and method

Design and method. To create the theranostic complex, commercially available reagents were used: the recombinant protein rhVEGF-A121 (cat.#: PSG140-10, LLC CyStorLab, Skolkovo, Russia) and fumed silica Aerosil (A-200, Degussa AG, Germany). The tosyl spacer that interconnects both components was synthesized in the laboratory. Protein conjugation with fluorophores was also carried out in-house. Indocyanine green (ICG; Sigma-Aldrich, USA) and rhodamine B (JSC Lenreaktiv, St. Petersburg, Russia) were taken for immobilization.

Results

Results. In the course of the work, functionalization of silica nanoparticles (SiNPs) with a tosyl spacer was carried out, conjugates of SiNPs with rhVEGF-A121 were synthesized, and theranostic constructs based on SiNPs were obtained, including rhVEGF-A121 as a targeting ligand, and ICG/Rhodamine B as a visualizing label.

Conclusion

Conclusion. In the presented study, a prototype of a complex for targeted delivery of a theranostic agent to tissues with an active angiogenesis process, for example, to tumor and ischemic tissues, was developed. To solve the problem, we immobilized on the surface of SiNP a recombinant protein of human vascular endothelial growth factor (rhVEGF) to use as a guide ligand. Such a synthetic construct will help to deliver diagnostic and/ or medicinal substances packed in SiNP directly to cells that overexpress extracellular specific receptors of the VEGFR family. In subsequent in vivo experiments, delivery efficiency will be assessed by tissue accumulation of the fluorophores ICG and rhodamine B, which have been conjugated to the targeting ligand protein. The physicochemical characteristics of the obtained samples were studied by the methods of spectrophotometry and dynamic light scattering.

наночастицы кремнеземанаправленная доставканаправляющий лигандтераностические агентыфункционализация наночастиц кремнеземаVEGF-Аfunctionalization of silica nanoparticlessilica nanoparticlestargeted deliverytargeting ligandtheranostic agentsVEGF-AИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 23-15-00151).This study was supported by the Russian Science Foundation (Project 23-15-00151).ReferencesFerrara N, Gerber HP, LeCouter J. The biology of VEGF and its receptors. Nat Med. 2003;9:669–676. DOI: 10.1038/nm0603-669.Ferrara N, Gerber HP, LeCouter J. The biology of VEGF and its receptors. Nat Med. 2003;9:669–676. DOI: 10.1038/nm0603-669.Nagy JA, Dvorak AM, Dvorak HF. VEGF-A and the induction of pathological angiogenesis. Annu Rev Pathol. 2007;2:251–75. DOI: 10.1146/annurev.pathol.2.010506.134925.Nagy JA, Dvorak AM, Dvorak HF. VEGF-A and the induction of pathological angiogenesis. Annu Rev Pathol. 2007;2:251–75. DOI: 10.1146/annurev.pathol.2.010506.134925.Peach CJ, Mignone VW, Arruda MA, et al. Molecular Pharmacology of VEGF-A Isoforms: Binding and Signalling at VEGFR2. Int J Mol Sci. 2018; 19(4):1264. DOI: 10.3390/ijms19041264.Peach CJ, Mignone VW, Arruda MA, et al. Molecular Pharmacology of VEGF-A Isoforms: Binding and Signalling at VEGFR2. Int J Mol Sci. 2018; 19(4):1264. DOI: 10.3390/ijms19041264.Senger DR, Galli SJ, Dvorak AM, et al. Tumor cells secrete a vascular permeability factor that promotes accumulation of ascites fluid. Science. 1983;219(4587):983– 5. DOI: 10.1126/science.6823562.Senger DR, Galli SJ, Dvorak AM, et al. Tumor cells secrete a vascular permeability factor that promotes accumulation of ascites fluid. Science. 1983;219(4587):983– 5. DOI: 10.1126/science.6823562.Leung DW, Cachianes G, Kuang WJ, et al., Vascular Endothelial Growth Factor Is a Secreted Angiogenic Mitogen. Science. 1989;246:1306–1309. DOI: 10.1126/science.2479986.Leung DW, Cachianes G, Kuang WJ, et al., Vascular Endothelial Growth Factor Is a Secreted Angiogenic Mitogen. Science. 1989;246:1306–1309. DOI: 10.1126/science.2479986.Ferrara N, Henzel WJ. Pituitary follicular cells secrete a novel heparin-binding growth factor specific for vascular endothelial cells. Biochem Biophys Res Commun. 1989;161(2):851–8. DOI: 10.1016/0006-291x(89)92678-8.Ferrara N, Henzel WJ. Pituitary follicular cells secrete a novel heparin-binding growth factor specific for vascular endothelial cells. Biochem Biophys Res Commun. 1989;161(2):851–8. DOI: 10.1016/0006-291x(89)92678-8.Claesson-Welsh L, Welsh M. VEGFA and tumour angiogenesis. J Intern Med. 2013;273(2):114–27. DOI: 10.1111/joim.12019.Claesson-Welsh L, Welsh M. VEGFA and tumour angiogenesis. J Intern Med. 2013;273(2):114–27. DOI: 10.1111/joim.12019.Houck KA, Ferrara N, Winer J, et al. The vascular endothelial growth factor family: identification of a fourth molecular species and characterization of alternative splicing of RNA. Mol Endocrinol. 1991;5(12):1806–14. DOI: 10.1210/mend-5-12-1806.Houck KA, Ferrara N, Winer J, et al. The vascular endothelial growth factor family: identification of a fourth molecular species and characterization of alternative splicing of RNA. Mol Endocrinol. 1991;5(12):1806–14. DOI: 10.1210/mend-5-12-1806.Tischer E, Mitchell R, Hartman T, et al. The human gene for vascular endothelial growth factor. Multiple protein forms are encoded through alternative exon splicing. J Biol Chem. 1991;266(18):11947–54.Tischer E, Mitchell R, Hartman T, et al. The human gene for vascular endothelial growth factor. Multiple protein forms are encoded through alternative exon splicing. J Biol Chem. 1991;266(18):11947–54.Sa-Nguanraksa D, O-Charoenrat P. The role of vascular endothelial growth factor a polymorphisms in breast cancer. Int J Mol Sci. 2012;13(11):14845–64. DOI: 10.3390/ijms131114845.Sa-Nguanraksa D, O-Charoenrat P. The role of vascular endothelial growth factor a polymorphisms in breast cancer. Int J Mol Sci. 2012;13(11):14845–64. DOI: 10.3390/ijms131114845.Ferrara N, Adamis AP. Ten years of anti-vascular endothelial growth factor therapy. Nat Rev Drug Discov. 2016;15(6):385–403. DOI: 10.1038/nrd.2015.17.Ferrara N, Adamis AP. Ten years of anti-vascular endothelial growth factor therapy. Nat Rev Drug Discov. 2016;15(6):385–403. DOI: 10.1038/nrd.2015.17.Ferrara N, Hillan KJ, Novotny W. Bevacizumab (Avastin), a humanized anti-VEGF monoclonal antibody for cancer therapy. Biochem Biophys Res Commun. 2005; 333(2):328–35. DOI: 10.1016/j.bbrc.2005.05.132.Ferrara N, Hillan KJ, Novotny W. Bevacizumab (Avastin), a humanized anti-VEGF monoclonal antibody for cancer therapy. Biochem Biophys Res Commun. 2005; 333(2):328–35. DOI: 10.1016/j.bbrc.2005.05.132.Mamer SB, Wittenkeller A, Imoukhuede PI. VEGF-A splice variants bind VEGFRs with differential affinities. Sci Rep. 2020;10(1):14413. DOI: 10.1038/s41598-020-71484-y.Mamer SB, Wittenkeller A, Imoukhuede PI. VEGF-A splice variants bind VEGFRs with differential affinities. Sci Rep. 2020;10(1):14413. DOI: 10.1038/s41598-020-71484-y.Huang Y, Li P, Zhao R, et al. Silica nanoparticles: Biomedical applications and toxicity. Biomed Pharmacother. 2022 Jul;151:113053. DOI: 10.1016/j.biopha.2022.113053. Epub 2022 May 17. PMID: 35594717.Huang Y, Li P, Zhao R, et al. Silica nanoparticles: Biomedical applications and toxicity. Biomed Pharmacother. 2022 Jul;151:113053. DOI: 10.1016/j.biopha.2022.113053. Epub 2022 May 17. PMID: 35594717.Kirla H, Henry DJ, Jansen S, et al. Use of Silica Nanoparticles for Drug Delivery in Cardiovascular Disease. Clin Ther. 2023 Nov;45(11):1060–1068. DOI: 10.1016/j.clinthera.2023.08.017. Epub 2023 Oct 1. PMID: 37783646.Kirla H, Henry DJ, Jansen S, et al. Use of Silica Nanoparticles for Drug Delivery in Cardiovascular Disease. Clin Ther. 2023 Nov;45(11):1060–1068. DOI: 10.1016/j.clinthera.2023.08.017. Epub 2023 Oct 1. PMID: 37783646.Galagudza M, Korolev D, Postnov V, et al. Passive targeting of ischemic-reperfused myocardium with adenosine-loaded silica nanoparticles. Int J of Nanomed. 2012; 7:1–8.Galagudza M, Korolev D, Postnov V, et al. Passive targeting of ischemic-reperfused myocardium with adenosine-loaded silica nanoparticles. Int J of Nanomed. 2012; 7:1–8.Галагудза М.М., Королев Д.В., Сыренский А.В. и др. Способ кардиопротекции. Патент на изобретение RU 2456024 от 26.04.2010 г.Galagudza MM, Korolev DV, Syrensky AV, et al. Method of cardioprotection. Patent RU 2456024, 26.04.2010. In Russian [Галагудза М.М., Королев Д.В., Сыренский А.В. и др. Способ кардиопротекции. Патент на изобретение RU 2456024 от 26.04.2010 г.].Галагудза М.М., Королев Д.В., Сонин Д.Л. и др. Направленная доставка лекарственных препаратов — итоги последних лет и перспективы. Нанотехнологии. Экология. Производство. 2010;1:132–138.Galagudza MM, Korolev DV, Sonin DL, et al. Targeted drug delivery — results of recent years and prospects. Nanotechnology Ecology Production. 2010;1:132–138. In RussianГалагудза М.М., Королев Д.В., Сонин Д.Л. и др. Пассивная направленная доставка лекарственных препаратов в ишемизированный миокард с использованием наночастиц кремнезема. Российские нанотехнологии. 2010;5:(11–12):92–97.Galagudza MM, Korolev DV, Sonin DL, et al. Passive targeted drug delivery to the ischemic myocardium using silica nanoparticles. Russian nanotechnologies. 2010;5:(11–12):92–97. In RussianСмирнова Н. Эффективность энтеросорбента «Полисорб МП» у больных инфекционными заболеваниями. Врач. 2007;3:80–82.Smirnova N. The effectiveness of enterosorbent “Polysorb MP” in patients with infectious diseases. Doctor. 2007;3:80–82 In RussianРатникова Л., Пермитина М., Попилов А. Полисорб при токсическом гепатите. Врач. 2007;2:64–66.Ratnikova L, Permitina M, Popilov A. Polysorb in toxic hepatitis. Doctor. 2007;2:64–66. In RussianЛисичкин Г.В. Химия привитых поверхностных соединений. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. С. 592.Lisichkin GV. Chemistry of grafted surface compounds. M.: FIZMATLIT, 2003. P. 592. In RussianMehra NK, Mishra V, Jain NK. Receptor-based targeting of therapeutics. Ther Deliv. 2013;4(3):369–94. DOI: 10.4155/tde.13.6.Mehra NK, Mishra V, Jain NK. Receptor-based targeting of therapeutics. Ther Deliv. 2013;4(3):369–94. DOI: 10.4155/tde.13.6.Чебуркин Ю.В., Князева Т.Г., Петер Ш. и др. Молекулярный портрет карцином почки человека, полученный на основе экспрессии протеин-тирозин-киназ и тирозин-фосфатаз, контролирующих передачу регуляторных сигналов в клетках. Молекулярная биология. 2002;36(3):480–490. DOI: 10.1023/A:1016059313254.Cheburkin YuV, Knyazeva TG, Peter S, et al. Molecular Portrait of Human Kidney Carcinomas: The cDNA Microarray Profiling of Kinases and Phosphatases Involved in the Cell Signaling Control. Molecular Biology. 2002;36(3):376–384. In Russian. DOI: 10.1023/A:1016059313254.Michigami M, Takahashi K, Yamashita H, et al. A “ligand-targeting” peptide-drug conjugate: Targeted intracellular drug delivery by VEGF-binding helixloop-helix peptides via receptor-mediated endocytosis. PLoS One. 2021;16(2):e0247045. DOI: 10.1371/journal. pone.0247045.5.Michigami M, Takahashi K, Yamashita H, et al. A “ligand-targeting” peptide-drug conjugate: Targeted intracellular drug delivery by VEGF-binding helixloop-helix peptides via receptor-mediated endocytosis. PLoS One. 2021;16(2):e0247045. DOI: 10.1371/journal. pone.0247045.5.Master AM, Sen Gupta A. EGF receptor-targeted nanocarriers for enhanced cancer treatment. Nanomedicine (Lond). 2012;7(12):1895–906. DOI: 10.2217/nnm.12.160.Master AM, Sen Gupta A. EGF receptor-targeted nanocarriers for enhanced cancer treatment. Nanomedicine (Lond). 2012;7(12):1895–906. DOI: 10.2217/nnm.12.160.Habban Akhter M, Sateesh Madhav N, Ahmad J. Epidermal growth factor receptor based active targeting: a paradigm shift towards advance tumor therapy. Artif Cells Nanomed Biotechnol. 2018;46(sup2):1188–1198. DOI: 10.1080/21691401.2018.1481863.Habban Akhter M, Sateesh Madhav N, Ahmad J. Epidermal growth factor receptor based active targeting: a paradigm shift towards advance tumor therapy. Artif Cells Nanomed Biotechnol. 2018;46(sup2):1188–1198. DOI: 10.1080/21691401.2018.1481863.Terada T, Mizobata M, Kawakami S, et al. Basic fibroblast growth factor-binding peptide as a novel targeting ligand of drug carrier to tumor cells. J Drug Target. 2006;14(8):536–545. DOI: 10.1080/10611860600849498.Terada T, Mizobata M, Kawakami S, et al. Basic fibroblast growth factor-binding peptide as a novel targeting ligand of drug carrier to tumor cells. J Drug Target. 2006;14(8):536–545. DOI: 10.1080/10611860600849498.Wu Y, Lu C-T, Li W-F, et al. Preparation and antitumor activity of bFGF-mediated active targeting doxorubicin microbubbles, Drug Dev Ind Pharm. 2013;39(11):1712– 1719. DOI: 10.3109/03639045.2012.730527.Wu Y, Lu C-T, Li W-F, et al. Preparation and antitumor activity of bFGF-mediated active targeting doxorubicin microbubbles, Drug Dev Ind Pharm. 2013;39(11):1712– 1719. DOI: 10.3109/03639045.2012.730527.Wang X, Li S, Shi Y, et al. The development of site-specific drug delivery nanocarriers based on receptor mediation. J Control Release. 2014;193:139–153. DOI: 10.1016/j.jconrel.2014.05.028.Wang X, Li S, Shi Y, et al. The development of site-specific drug delivery nanocarriers based on receptor mediation. J Control Release. 2014;193:139–153. DOI: 10.1016/j.jconrel.2014.05.028.Jain N, Smith SW, Ghone S, et al. Current ADC Linker Chemistry. Pharm Res. 2015;32(11):3526–40. DOI: 10.1007/s11095-015-1657-7.Jain N, Smith SW, Ghone S, et al. Current ADC Linker Chemistry. Pharm Res. 2015;32(11):3526–40. DOI: 10.1007/s11095-015-1657-7.Gocheva G, Ivanova A. A Look at Receptor– Ligand Pairs for Active-Targeting Drug Delivery from Crystallographic and Molecular Dynamics Perspectives. Mol Pharm. 2019;16(8):3293–3321. DOI: 10.1021/acs. molpharmaceut.9b00250.Gocheva G, Ivanova A. A Look at Receptor– Ligand Pairs for Active-Targeting Drug Delivery from Crystallographic and Molecular Dynamics Perspectives. Mol Pharm. 2019;16(8):3293–3321. DOI: 10.1021/acs. molpharmaceut.9b00250.Князев Ю.П., Чебуркин Ю.В., Спикерманн К. и др. Профили экспрессии протеинкиназ и фосфатаз, полученные с помощью упорядоченных наборов кДНК (cDNA Arrays): молекулярный портрет рака предстательной железы. Молекулярная биология. 2003;37(1): 97–111. DOI: 10.1023/A:1022341015018.Knyazev YuP, Cheburkin YuV, Spikermann K, et al. The cDNA Microarray Profiling of Protein Kinases and Phosphatases: Molecular Portrait of Human Prostate Carcinomas. Molecular Biology. 2003;37(1):89–101. In Russian. DOI: 10.1023/A:1022341015018.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.