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Module 1: Adsorción proteica

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Hola a todos, bienvenidos a otra conferencia para la Ingeniería de Entrega de Drogas y Principios. Solo una rápida recapitulación de lo que aprendimos en la última clase.
(Consulte la hora de la diapositiva: 00:37)

Por lo tanto, estaban hablando de la adsorción de proteínas-por qué estamos haciendo esto es porque queremos entender lo que sucede cuando usted pone cualquier material extraño en el cuerpo o en contacto con cualquier tipo de fluido corporal. Digamos si este es mi cuerpo que estoy poniendo, y la primera cosa va a entrar en contacto con por supuesto, el fluido y la mayor parte del fluido en nuestro cuerpo es esencialmente nada, pero el agua y luego el siguiente componente principal son las proteínas.
Por lo tanto, todas esas proteínas que están presentes en los fluidos comenzarán a interactuar con esta superficie en particular y entonces dependiendo de cómo sea la superficie-si es hidrofóbica o hidrofílica estas proteínas entonces tienden a adsorber en diferentes áreas y una conformación diferente en esta superficie y sólo entonces las células que están de nuevo en la vecindad entrarán y comenzarán a interactuar con la superficie a través de estas proteínas adsorbidas.

Por lo tanto, las células realmente no ven realmente la superficie muy bien. Lo que ven es en realidad la capa de proteína adsorbida a través de la cual empezarán a interactuar.
Entonces, por eso se vuelve muy importante porque lo que la célula está viendo no es en realidad nada, sino la proteína absorbida. Por lo tanto, necesitamos estudiar qué es realmente esta proteína de absorción y cómo se puede modular para conseguir esa función deseada. Y así entonces hablamos en el proceso de entender qué es la absorción de proteínas primero es ¿qué superficie? Entonces, ¿qué define una superficie? ¿Cómo sabemos que es una superficie que es una interfaz entre lo que el medio se le ha presentado. Hablamos de lo que son tensoactivos.
Entonces, ¿de nuevo qué es el surfactante? Los surfactantes no son nada, pero las moléculas que tienen ambos dominios hidrofílicos y hidrofóbicos y que pueden separar la fase de los dominios hidrofílicos e hidrofóbicos y esencialmente digamos si digo esto es petróleo, esto es agua entonces estos tensoactivos alinearán esencialmente esta interfaz con el dominio hidrofóbico yendo hacia la fase de aceite y el dominio hidrofílico yendo hacia la fase de agua.
Y así de nuevo esto se vuelve importante porque lo que estamos diciendo es que las proteínas son tensoactivos leves porque contienen varios aminoácidos sobre casi todas las proteínas con grandes estructuras tendrán unos 20 aminoácidos, los 20 aminoácidos. Y luego estos 20 aminoácidos algunos son hidrofílicos, algunos son hidrofóbicos incluso dentro de la estructura del aminoácido hay dominios hidrofílicos e hidrofóbicos y por eso estas proteínas actúan como tensoactivos leves y su estructura cambiará dependiendo de qué medio sean. Por lo tanto, si encuentran algún dominio hidrofóbico o superficies hidrofóbicas lo que sucederá es que los dominios hidrofóbicos comenzarán a salir e interactuar con esas superficies hidrofóbicas.
Entonces, por eso estudiamos surfactantes. Entonces hablamos sobre el plegado de proteínas que es de nuevo una cosa muy relacionada. Por lo tanto, en el proceso natural digamos si estamos hablando en células que no es nada, sino un medio acuoso. Digamos que esta es la proteína desplegada. Por lo tanto, el plegado de proteínas será de tal manera que todos estos dominios externos serán hidrofílicos y la razón de ello es que estos dominios externos tendrán que interactuar con el agua que está presente en los alrededores.
Por lo tanto, les gusta interactuar con el agua. Entonces, es por eso que todos estos dominios hidrofílicos vendrán fuera y entonces todo este dominio interno será hidrofóbico y otra vez la misma razón que estos dominios realmente no quieren interactuar con el agua que está presente afuera.
Por lo tanto, quieren enterrarse a sí mismos y prevenir cualquier tipo de interacción que ocurra con el agua fuera. Por lo tanto, es por eso que el plegado de proteínas se vuelve importante porque ahora lo que estamos diciendo es cuando estas proteínas particulares ahora comienzan de repente a ver una superficie hidrofóbica, estos dominios tenderán a salir y entonces estos dominios tenderán a desaparecer y es por eso que el plegamiento de proteínas cambiará.
Entonces, por eso estudiamos el plegado de proteínas. Sólo en términos muy breves me refiero a que la proteína doblándola en sí misma es un fenómeno muy complejo en un curso entero puede ser diseñado en él, pero de lo que hablamos es sólo algunos conceptos generales de la forma en que estas proteínas se van a doblar.
(Consulte la hora de la diapositiva: 05:06)

Entonces, habiendo hecho todo eso y habiendo establecido que estas superficies pueden modular el plegado de proteínas y la adsorción de proteínas, otro concepto que ahora se está usando en el campo bastante es la pre-adsorción de estas proteínas a las superficies y ¿por qué necesitarías hacer eso? Por lo tanto, digamos si tengo una superficie y quiero que esta superficie señale las células de cierta manera. Entonces, quiero decir si tengo una célula que va a interactuar con ella y quiero que esta superficie en particular interactúe con el ligando celular, x.

Así que, para que eso suceda quiero asegurarme de que cualquier proteína que se recubre en la superficie tiene alguna afinidad por este ligando x o este receptor x. Por lo tanto, esto es un receptor y digamos que estoy poniendo algunos ligandos en la superficie.
Por lo tanto, puedo o no poner ligandos, pero esencialmente quiero que esta superficie interactúe con las células a través de esta x. Por lo tanto, una de la estrategia que el uso para eso es pre-adsorbente proteínas que sabemos que va a interactuar con este receptor x y que es una manera que puedo controlar la señalización que va a pasar a través de la superficie. Ver la razón de eso es porque una vez que lo pongo en el cuerpo o una vez que lo pongo en contacto con el líquido del cuerpo hay todo tipo de proteínas en el líquido del cuerpo, quiero decir que estamos hablando de miles y miles de ellos y por lo tanto la probabilidad de que digamos que una cierta proteína vendrá y se adsorbe a ella es bastante baja.
Por lo tanto, para evitar que lo que hacemos es primero tratarlo con una solución que contiene sólo este ligando L y que se asegurará de que al menos parte del ligando L permanecerá en la superficie y puede interactuar con la célula. Por lo tanto, algunas de las proteínas que son muy ampliamente utilizadas para esto es la fibronectina, el fibrinógeno, la vitronectina y estas no son nada, pero estas son proteínas que contienen un sitio adhesivo.
Y así si intuyo mi biomaterial con estas proteínas durante algún tiempo lo que sucederá es que estas proteínas recubrirán la superficie por completo y entonces puedo poner este implante con células o en el cuerpo. Y estas proteínas todavía pueden salir y van a hablar de esto en las próximas diapositivas, pero aumenta la probabilidad de que una de estas proteínas ahora comenzará a interactuar con este receptor de células x y dar la señalización que quiero que esta superficie dé.

(Consulte la hora de la diapositiva: 07:33)

Por lo tanto, mientras que, el pre-adsorbente con un adhesivo no celular también puede ser utilizado. Por lo tanto, digamos si quiero poner un implante que realmente no quiero interactuar con la célula. Digamos que tengo un implante que lleva un medicamento D y todo lo que quiero hacer a partir de este implante es que libere el medicamento constantemente y no tenga ningún tipo de proteínas desconocidas viniendo y absorbiendo la fabricación de una capa que provoca que esta difusión de la droga sea difícil a partir de este implante. Por lo tanto, sabemos que las proteínas se adsorben a ella no podemos evitarlo. Por lo tanto, por qué no dejar de absorber algo que no interactúa con las células.
Entonces, digamos si directamente implanté lo que va a pasar? todo tipo de proteínas aleatorias vendrá y esencialmente adsorbente en la superficie y una vez que lo hagan, no estoy seguro de que lo que va a ser esa señal a la célula, ya sea que causan una capa celular masiva para formarse en la superficie y entonces eso puede conducir de nuevo a la cascada de eventos que pueden interactuar con otra célula y hacer una gran capa grande.
Entonces, eso es lo último que quiero si quiero que el medicamento D se libere en el sistema porque ahora lo que está pasando no es solo el medicamento tiene que difundirse de una matriz, sino que ahora tiene que difundirse a través de esta capa de proteína y a través de múltiples capas celulares que va a ser muy desafiante y es algo que no puedo controlar bien. Porque inicialmente diseñé esto digamos que liberamos x miligramo por minuto o algo, pero ahora una vez que este tipo de capa de células y capa de proteína se ha formado no sé si va a liberar x miligramo por minuto tal vez va a bajar a X por 2, tal vez es por x por 4.
Así que, como clínico estoy muy preocupado ahora porque no sé cuánta dosis estoy dando. Por lo tanto, para prevenir que lo que puedes hacer es esencialmente recubrirlo con una proteína conocida que sabes que no va a interactuar con las células. Por lo tanto, a pesar de que usted tiene una capa de proteína ahora, lo que hace es evitar que las células lleguen y se adsorben en ella. Por lo tanto, por lo menos sé que lo que es la difusión de este medicamento de esta matriz a través de esta capa de proteína y de esa manera tengo una buena idea de la cantidad de droga que se libera por unidad de tiempo o por día o lo que sea.

Por lo tanto, esta es una aplicación que le estoy dando podría haber varias otras aplicaciones-tal vez el implante es tal que no queremos que las células inmunitarias interactúen, tal vez es portador de células en el interior y no queremos que las células inmunitarias entren y ordenen matar esas células. Entonces, estas son varias aplicaciones que puedes pensar en esa dirección y luego varias otras estrategias aparte de las proteínas pre-adsorbentes y todo esto de lo que vamos a hablar en las futuras clases en este curso, pero ese es solo un ejemplo que te estoy dando.
Por lo tanto, estas son cosas que usted puede jugar alrededor con la adsorción de la proteína ella misma para obtener algún resultado deseado. Y luego lo siguiente es que a menudo usted debe definir la señalización material in-vivo también. Por lo tanto, puede prevenir la adsorción no específica de proteínas. Por lo tanto, una cosa es prevenir la célula y luego otra es prevenir cualquier tipo de proteína para adsorber en ella.
Por lo tanto, digamos si algunas enzimas absorben a mis superficies y comienzan a degradar estas superficies o comienzan a degradar la droga en sí. Por lo tanto, de nuevo usted puede controlar eso por preadsorción bajo proteínas y eso puede un tanto retrasar o por lo menos completamente abrogar cualquiera de este proceso de suceder.

(Hora de la diapositiva: 11:15)

Por lo tanto, hablemos de alguna cinética de adsorción de proteínas. Entonces, inicialmente dije en la introducción de esta clase que lo primero que el implante va a interactuar es el agua porque ese es el líquido más abundante alrededor y luego el siguiente va a ser proteínas y las células van a interactuar a través de esa proteína. Entonces, por qué es eso y entonces la razón de eso es que la adsorción de proteínas es un fenómeno muy rápido. Por lo tanto, lo único que limita la adsorción de proteínas es la difusión de la proteína del líquido a la superficie de su implante. Así que, lo que esencialmente eso significa, es si estoy poniendo un implante y estoy mirando el implante después de unos segundos o pocos minutos que se implantan en este punto, creo, sería completamente recubierto con sus proteínas que están presentes en los medios de los alrededores.
Por lo tanto, digamos que este es su medio circundante, usted tiene proteínas. La única limitación de la adsorción de proteínas es esencialmente la difusión de esta proteína para llegar a la superficie. Una vez que llega a la superficie estamos hablando de menos de milisegundos para que estas proteínas se adsorban en la superficie. Y entonces lo que va a pasar es una vez que las proteínas han entrado y adsorbido, la capa inicial de la proteína, entonces digamos que otra proteína está ahora tratando de venir-esta proteína no tiene espacio para interactuar directamente con esta superficie en particular puede empezar a interactuar con las proteínas que están recubiertas en la superficie porque estas proteínas también pueden tener algunos dominios que ahora están siendo expuestos que no estaba presente antes, pero entonces esta proteína en particular que está llegando tarde o la fase más lenta tendrá que eliminar estas proteínas de la superficie o no ser capaz de interactuar la superficie directamente y tendremos que interactuar con la capa ya recubierta. Por lo tanto, encontrarán la ranura vacía tal vez estas proteínas son grandes y hay una pequeña proteína que puede difundirse en estas ranuras vacías.
Por lo tanto, esos serán capaces de entrar, pero finalmente toda la superficie será cubierta con bastante rapidez y será muy difícil que cualquier proteína adicional venga e interactúe con ella.
(Consulte la hora de la diapositiva: 13:29)

Por lo tanto, hay varios modelos que se están utilizando para clasificar el estudio de esta adsorción de proteínas. Así, uno es un modelo monolayer que es un modelo bastante simple y lo que es lo que supone con la adsorción de la proteína se limita a un monocapa. Por lo tanto, lo que está diciendo es que digamos que si tengo una superficie. Por lo tanto, lo que supone este modelo monolayer es que digamos si hay proteínas en la vecindad estas proteínas se adsorben en la superficie y si hay otra proteína que necesita entrar digamos que tengo otra proteína que quiere venir y adsorber en la superficie, no puede venir y adsorber en la parte superior de la superficie.
Por lo tanto, esto es no y lo único que puede pasar es que esto viene en él, elimina una de la unidad de proteína y luego va y comienza a interactuar con ese espacio vacío que se está creando. Así que, ese es un simple modelo monolayer y si vas por esto lo que estás diciendo es que nos has dejado decir una cierta concentración de proteína que se está adsorbiendo. Por lo tanto, a medida que aumenta la concentración de proteínas la cantidad de proteína adsorbida va a aumentar y vamos a venir y discutir sobre por qué esto aumentará y por qué esto no será constante y sólo soportar conmigo para un par de diapositivas.
(Hora de la diapositiva: 14:58)

Luego hay otro concepto que es proteínas duras y blandas. Entonces, qué significa eso; eso significa, que algunas de las proteínas podrían ser bastante duras, lo que significa que no son muy flexibles. Por lo tanto, algunos de estos ejemplos se dan aquí ribonucleasa, lisozima y otras proteínas que se consideran muy duras. Por lo tanto, tienen una estabilidad interna muy alta, lo que significa que no van a cambiar realmente la estructura de una gran cantidad que todavía interactuarán con su superficie, pero la estructura de la proteína seguirá siendo y realmente no va a cambiar mucho de lo que era la estructura inicial. Y luego la otra es la proteína blanda y que, como su nombre indica, no es nada, sino su muy baja estabilidad interna lo que significa que si encuentran una nueva superficie la estructura puede cambiar bastante dependiendo de la contribución de la hidrofobicidad de la superficie y la hidrofilicidad.
Por lo tanto, algunos de esos ejemplos son IgG, beta-caseína, hemoglobina y otros ejemplos en realidad la mayoría de las proteínas se encuentran son proteínas blandas y sus estructuras cambiarán fácilmente.

(Consulte la hora de la diapositiva: 16:01)

Por lo tanto, lo siguiente de lo que estaba hablando inicialmente era esta orientación de la proteína y lo que esencialmente; eso significa, es esto algunos ejemplos aquí. Por lo tanto, usted puede tener una proteína globular esencialmente significa algún tipo de una gran proteína grande con una estructura esférica como la que viene y hay algún cambio en la estructura de esto como usted puede ver estas esferas ahora se vuelven más como elipse y abrigos en una superficie el otro modelo podría ser-dependiendo de la concentración que usted ha utilizado, digamos que esta proteína de forma de elipse viene en usted puede tener una configuración donde muy poca cantidad de proteína como adsorbida, pero todavía cubre la superficie en comparación con una orientación donde una gran cantidad de proteína se ha adsorbido y en la superficie. Por lo tanto, lo que se suele encontrar en la literatura es y durante los experimentos es que esto sigue variando dependiendo de la concentración que esté usando.
Así que, digamos si tengo una superficie y vengo con un microgramo por ml de concentración de una proteína y así lo que va a pasar es ya que estoy hablando de concentraciones muy bajas de proteína en la solución es una especie de limitación de difusión en cuanto a cuánta proteína puede llegar y adsorber en la superficie. Lo que encontrarán es que digamos que tengo una proteína que tiene esta estructura de 8. Así que, llegará que será una especie de empezar a interactuar con él y lo que sucederá con el tiempo es que comenzará a expandirse en él porque puede encontrar más espacio. Por lo tanto, esta estructura 8 se alarga y se alarga.
De ahí que la estructura haya cambiado bastante más una sola proteína está ocupada bastante un espacio grande. Ahora considere un caso con el mismo ejemplo en el que en lugar de 1 microgramo por ml vengo con 100 microgramos por ml, ahora en esta superficie en particular. Así que, ahora, lo que pasará ahora tengo mucha más concentración de proteínas en los alrededores. Por lo tanto, la fusión no será tan limitada. Por lo tanto, las proteínas vendrán bastante rápido.
Por lo tanto, digamos que una proteína se adsorbe. Es capaz de cambiar un poco la superficie porque todavía tiene algo más de espacio al que puede absorber, pero para el momento en que va a esta configuración todo el resto de los sitios están ocupados porque th bastante una alta concentración de proteína que está presente en las cercanías. Por lo tanto, todos ellos están entrando y ocupando esencialmente la superficie. Realmente no puede expandirse hacer algo como este estado que no está sucediendo y lo mismo sucederá si voy a una concentración aún más alta.
Por lo tanto, lo que usted encontrará no es sólo la adsorción de la proteína depende del tipo de proteínas que están presentes en los alrededores, también es dependiente de la concentración, porque la concentración puede cambiar la orientación de la orientación de la proteína, así como la estructura de la proteína. Por lo tanto, si usted mira esta estructura esto es diferente de la estructura que está aquí, a pesar de que usted utiliza la misma proteína para empezar, pero a diferentes concentraciones. Y ahora si vuelvo a dos diapositivas antes de lo que estaba diciendo. Así que, digamos si ahora tengo una proteína a una concentración de 0,5 mg por ml.
Por lo tanto, la cantidad de proteína que va a absorber va a ser diferente de lo que digamos en 2 mg por ml o 3 mg por ml y la razón de eso son las proteínas que están llegando a adsorber en la superficie tienen tiempo para cambiar su orientación y todavía ocupan más espacio.
Así que, tendrás un escenario donde lo que obtendrás es esencialmente a concentraciones más bajas tienes bastante proteína en una superficie mientras que, a una concentración más alta puedes tener bastante proteína que se está adsorbiendo porque hay suficiente proteína en las cercanías y no hay tiempo suficiente para que la proteína cambie de orientación.
Entonces, por eso se ve una curva como esta a pesar de que es la misma proteína, fibrinógeno, que se le dio a la superficie, pero dependiendo de la concentración inicial se obtiene este tipo de aumento y luego una vez que se llega a una concentración de saturación donde la difusión ya no es una limitación hay suficientes moléculas en las cercanías que saturarán por completo la superficie, entonces no importa. Por lo tanto, en este caso en particular esto se demuestra que es más de alrededor de 2 mg por ml que va a ser diferente para cada proteína con la que se está manejando, pero todas las proteínas típicamente muestran una estructura como esta y esto, por supuesto, es una suposición con un modelo monolayer y vamos a hablar de otros modelos también en este caso.
(Hora de la diapositiva: 21:04)

Entonces, ¿qué pasa con el efecto de la humectabilidad? Por lo tanto, las tendencias generales si se asume este modelo sobre la adsorción de proteínas es que las proteínas se adsorben bastante fuerte y fuertemente a las superficies hidrofóbicas y eso es muy obvio. Porque digamos si tengo una superficie que es bastante hidrofóbica entonces las proteínas pueden cambiar la estructura bastante en esto.

Digamos que se trata de una proteína que ha llegado y que ha comenzado a interactuar y que hay un montón de interacciones de waals van-der que va a ocurrir entre la proteína y la superficie y realmente no hay fuerza de la competencia para esta superficie hidrofóbica porque en todas partes en los alrededores el líquido contiene agua y eso es hidrofílico.
Por lo tanto, estos dominios hidrofóbicos serán muy felices interactuando con esta superficie hidrofóbica y realmente no quieren cambiar lo que sea la estructura porque el entorno es hidrofílico. Por lo tanto, típicamente lo que se ve es esa interacción muy ajustada y fuerte de proteínas con superficies hidrofóbicas. La conformación y la extensión de la desnaturalización también dependerán de la humectabilidad del agua de nuevo en primer lugar dependerá de si la proteína es blanda o dura.
Por lo tanto, las proteínas típicamente duras no cambiarán la estructura, las proteínas blandas cambiarán la estructura, pero un poco y luego la más hidrofóbica es la superficie más el cambio en la estructura y luego otra vez la razón de eso es muy similar porque antes las proteínas estaban situadas en el agua y todo lo que son dominios hidrofílicos estaban fuera, mientras que, para interactuar con la superficie hidrofóbica su estructura casi tiene que ir a una revisión completa donde todos los dominios hidrofóbicos internos van a salir y empezar a extraer la interacción con la superficie.
Por lo tanto, verán eso un poco de cambio que sucederá en esta estructura. Y luego de nuevo como dije que es muy enérgicamente favorable para ellos para desplazar el agua desde el punto de vista de la superficie, así como la superficie también no quiere realmente interactuar con el agua. Por lo tanto, la superficie también es muy feliz cuando entra en contacto con estos dominios hidrofóbicos. Por lo tanto, vamos a detenernos aquí en esta conferencia y continuaremos más allá en la próxima clase.