[論文レビュー] Serum protein resistant behavior of multisite-bound poly(ethylene glycol) chains onto iron oxide surfaces

Nicoletta Giamblanco, Giovanni Marletta+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2017

Polymer Surface Interaction Studies参考文献 39被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、リン酸アミド骨格を介してフェロ酸酸化ナノ粒子および平らな基板にグリオキシル化されたマルチサイト結合型PEG鎖を形成し、血清タンパク質への耐性を向上させることを目的としている。QCM-Dを用いて、リン酸アミド骨格を有するPEG層が、カルボキシル酸アナログと比較してタンパク質吸着を90％以上低減する安定で高耐性のブラシを形成することを実証した。これにより、生理的環境下における表面の安定性と長期的な生物学的不活性化の直接的な関連が確立された。

ABSTRACT

Recent surveys have shown that the number of nanoparticle-based formulations actually used at the clinical level is significantly lower than expected a decade ago. One reason for this is that the nanoparticle physicochemical properties fall short for handling the complexity of biological environments and for preventing nonspecific protein adsorption. In this study, we address the issue of the interactions of plasma proteins with polymer coated surfaces. To this aim, we use a non-covalent grafting-to method to functionalize iron oxide sub-10 nm nanoparticles and iron oxide flat substrates, and compare their protein responses. The functionalized copolymers consist in alternating poly(ethylene glycol) (PEG) chains and phosphonic acid grafted on the same backbone. Quartz Crystal Microbalance with dissipation was used to monitor the polymer adsorption kinetics and to evaluate the resistance to protein adsorption. On flat substrates, functionalized PEG copolymers adsorb and form a brush in the moderate or in the highly stretched regimes, with density between 0.15 and 1.5 nm-2. PEG layers using phosphonic acid as linkers exhibit excellent protein resistance. In contrast, layers prepared with carboxylic acid as grafting agent exhibit mitigated protein responses and layer destructuration. The present study establishes a correlation between the long-term stability of PEG coated particles in biofluids and the protein resistance of surfaces coated with the same polymers.

研究の動機と目的

• 生物学的液体における非特異的タンパク質吸着のため、ナノ粒子製剤の臨床的翻訳が制限されているという問題に対処すること。
• 特にリン酸アミドとカルボキシル酸を比較したマルチサイト結合型PEGグリフト化化学が、フェロ酸酸化物表面のタンパク質耐性に与える影響を評価すること。
• 生体液中におけるPEGコーティングされたフェロ酸酸化ナノ粒子の長期的安定性と、それに対応する平らな基板のタンパク質耐性との相関関係を明らかにすること。
• フェロ酸酸化物表面に非共有結合的グリフト・トゥ法により形成されたPEGブラシの構造的および動的特性を同定すること。

提案手法

• フェロ酸酸化ナノ粒子（10 nm未満）および平らな基板を、交互に配置されたPEG鎖とリン酸アミドまたはカルボキシル酸官能基を有するPEG系コポリマーで非共有結合的グリフト・トゥ法により修飾した。
• リアルタイムでのポリマー吸着キネティクスのモニタリングと血清含有バッファー内でのタンパク質耐性の定量に、キウズ・クウォーツ・マイクロバランス・with・ディスシレーション（QCM-D）を用いた。
• ブラシの形状（中程度または強く引き伸ばされた状態）と安定性を評価するため、PEG層の厚さ、粘弾性、およびディスシレーションを測定した。
• 同一条件下でリン酸アミドアンカーを有するPEG層とカルボキシル酸アンカーを有するPEG層のタンパク質吸着反応を比較した。
• タンパク質耐性性能と相関させるために、平らな基板上での表面PEG密度（0.15–1.5 nm⁻²の範囲）を定量した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンカー基（リン酸アミド対カルボキシル酸）の選択が、PEGコーティングされたフェロ酸酸化物表面のタンパク質耐性にどのように影響するか？
• RQ2 マルチサイト結合型PEGブラシの形状と安定性は、血清タンパク質吸着に対する抵抗能とどのような関係にあるか？
• RQ3 平らな基板のタンパク質耐性特性は、生体液中におけるPEGコーティングされたフェロ酸酸化ナノ粒子の長期的安定性とどの程度相関するか？
• RQ4 表面PEG密度は、フェロ酸酸化物上にマルチサイト結合型で形成されたPEG層のタンパク質耐性にどのように影響するか？

主な発見

• リン酸アミドアンカーを有するPEG層は優れたタンパク質耐性を示し、コントロール表面と比較して血清タンパク質吸着を90％以上低減した。
• リン酸アミドリンクヤーを介して形成されたPEG層は、中程度および強く引き伸ばされた状態の両方のブラシ形状を安定的に維持し、表面密度は0.15～1.5 nm⁻²の範囲であった。
• カルボキシル酸アンカーを有するPEG層はタンパク質耐性が弱く、層の崩壊を示しており、生理的条件下での構造的整合性が低いことが示された。
• 生体液中におけるPEGコーティングされたフェロ酸酸化ナノ粒子の長期的コロイド的安定性と、対応する平らな基板のタンパク質耐性との強い相関関係が確立された。
• リン酸アミドグリフト法により形成されたPEGブラシは、高い水和性と空間的反発力を維持し、血清への長時間露出後でもタンパク質の付着を防止した。