絡み合ったメカニズムは、内皮を横切る抗ICAMナノキャリアの輸送と治療用酵素の脳内送達を定義しています

Intertwined mechanisms define transport of anti-ICAM nanocarriers across the endothelium and brain delivery of a therapeutic enzyme.

• Rachel L Manthe
• Maximilian Loeck
• Tridib Bhowmick
• Melani Solomon
• Silvia Muro

抄録

薬物送達システムの組織との相互作用は、それらのアプリケーションのための鍵となる。例としては、内皮バリアを標的とした薬物キャリアがあり、これは内皮内コンパートメント（リソソーム）に輸送されるか、または組織側で細胞を越えて放出される（トランスサイトーシス）ことができる。キャリアのターゲティング価数がこのプロセスに影響を与えているが、そのメカニズムは不明である。我々は、炎症を特徴とする病態で発現が増加する内皮表面糖タンパク質である細胞間接着分子-1（ICAM-1）を標的としたポリマーナノキャリア（NC）を用いて、このメカニズムを研究した。NCターゲティング価数と細胞分裂速度にはベル型の関係が認められ，NC価数が高い場合と低い場合では，中間価数の製剤に比べて効率的な細胞分裂速度が低下することが示された。一方、NC価数とリソソーム輸送率には逆ベル型の関係が認められた。これらのデータから、NCの価数がトランスサイトーシスに関与する2つのサブプロセスにおいて相反する役割を果たしているモデルが示唆された。NCの結合取り込みは価数に直接依存し、エキソサイトーシスの分離はこのパラメータに反比例していた。これは、NC受容体相互作用の活性が高いほど効率的な取り込みが可能になるが、輸送後のNC受容体の剥離はより損なわれるためである。内皮細胞の基底側での受容体の切断は、おそらく輸送後のNC剥離を助けることによって、NCトランスサイトーシスを促進した。トランスサイトーシスは両方のイベントのセットを包含するので、完全なプロセスは、これらの反転した関係の交差点に最適なものを見つけ、ベル型の挙動を説明する。また、NCは先端側からリソソームに移動し、さらに、受容体からの離脱が遅い高原子価NCの場合には基底側から移動した。このことは、トランスサイトーシスとリソソーム輸送に対するNCの価数の反対の挙動を説明するものである。抗ICAM NCはマウスに静脈内注射した後、脳内への輸送が確認されており、細胞内およびin vivoの両方のデータから、中間価数のNCは、A型およびB型ニーマンピック病に必要とされる治療酵素である酸スフィンゴミエリン酵素をより多く送達することが示されている。

The interaction of drug delivery systems with tissues is key for their application. An example is drug carriers targeted to endothelial barriers, which can be transported to intra-endothelial compartments (lysosomes) or transcellularly released at the tissue side (transcytosis). Although carrier targeting valency influences this process, the mechanism is unknown. We studied this using polymer nanocarriers (NCs) targeted to intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1), an endothelial-surface glycoprotein whose expression is increased in pathologies characterized by inflammation. A bell-shaped relationship was found between NC targeting valency and the rate of transcytosis, where high and low NC valencies rendered less efficient transcytosis rates than an intermediate valency formulation. In contrast, an inverted bell-shape relationship was found for NC valency and lysosomal trafficking rates. Data suggested a model where NC valency plays an opposing role in the two sub-processes involved in transcytosis: NC binding-uptake depended directly on valency and exocytosis-detachment was inversely related to this parameter. This is because the greater the avidity of the NC-receptor interaction the more efficient uptake becomes, but NC-receptor detachment post-transport is more compromised. Cleavage of the receptor at the basolateral side of endothelial cells facilitated NC transcytosis, likely by helping NC detachment post-transport. Since transcytosis encompasses both sets of events, the full process finds an optimum at the intersection of these inverted relationships, explaining the bell-shaped behavior. NCs also trafficked to lysosomes from the apical side and, additionally, from the basolateral side in the case of high valency NCs which are slower at detaching from the receptor. This explains the opposite behavior of NC valency for transcytosis vs. lysosomal transport. Anti-ICAM NCs were verified to traffic into the brain after intravenous injection in mice, and both cellular and in vivo data showed that intermediate valency NCs resulted in higher delivery of a therapeutic enzyme, acid sphingomyelinase, required for types A and B Niemann-Pick disease.

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