Purification of DNA vaccine to prevent or treat cervical cancer

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Simões, Ana Rita Santos
Data de Publicação: 2016
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.6/6271
Resumo: Human Papillomavirus (HPV) is worldwide sexually transmitted and associated with 99.7% of cervical cancer. The cancer progression is due to the expression of the oncoproteins E6 and E7, which can alter the cell cycle and are responsible for the viral replication and transformation of host cells. The vaccines available are only preventive ones, it being necessary to develop therapeutic ones, to prevent and treat a pre-existent infection. Deoxyribonucleic acid (DNA) vaccination along with the use of plasmid DNA (pDNA) as a non-viral vector arises as a good strategy that can activate both humoral and cellular immune responses, allowing the prevention and treatment of HPV infections. The combination of the amino-acid affinity chromatography (AC) with the innovative monolithic supports appears as a promising approach to obtain highly purified supercoiled (sc) pDNA – the active biological conformation – with high purity and recovery. This allows the selective interaction of specific ligands to the target biomolecule adding to the higher capacity of monoliths when compared to conventional chromatographic supports. Monoliths also allow the use of high flow rates, which allows a fast purification procedure and decreases the retention time of the target biomolecule, avoiding its degradation. In the present work, different elution strategies (manipulation of sodium chloride (NaCl) concentrations and/or pH and competition) were explored, in order to purify the supercoiled HPV-16 E6/E7MUT pDNA, by using the arginine monolith with spacer arm. The best elution strategy applied on both laboratorial and preparative scales allowed the removal of impurities within the regulatory agency recommendations, with 93.3% and 98.5% of purity degree, respectively. This reinforces the applicability of this monolith for the sc pDNA purification. Moreover, only one in thousands naked plasmids presented to the cells reach the nucleus and are expressed. The use of nanoparticles is a valuable strategy that permits the protection of the pDNA by avoiding the enzymatic degradation and facilitates the specific delivery, enhancing the cellular transfection. Thus, different magnesium carbonate (MgCO3) systems were characterized regarding its encapsulation efficiency (around 87%), morphology (round shape), size (99.7-237.4 nm) and zeta potential (positive). These data suggest that the developed nanoparticles are suitable for cellular uptake and thus appropriate for therapeutic applications. Additionally, in vitro studies accompanied with confocal microscopy were performed, which revealed that all the formulated systems are able to transfect eukaryotic cells.
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spelling Purification of DNA vaccine to prevent or treat cervical cancerCromatografia de AfinidadeHpvMgco3Monolito de Arginina Com Braço EspaçadorNanopartículasPlasmídeo SuperenroladoVacina de Dna Plasmídico.Domínio/Área Científica::Ciências Médicas::Ciências da SaúdeHuman Papillomavirus (HPV) is worldwide sexually transmitted and associated with 99.7% of cervical cancer. The cancer progression is due to the expression of the oncoproteins E6 and E7, which can alter the cell cycle and are responsible for the viral replication and transformation of host cells. The vaccines available are only preventive ones, it being necessary to develop therapeutic ones, to prevent and treat a pre-existent infection. Deoxyribonucleic acid (DNA) vaccination along with the use of plasmid DNA (pDNA) as a non-viral vector arises as a good strategy that can activate both humoral and cellular immune responses, allowing the prevention and treatment of HPV infections. The combination of the amino-acid affinity chromatography (AC) with the innovative monolithic supports appears as a promising approach to obtain highly purified supercoiled (sc) pDNA – the active biological conformation – with high purity and recovery. This allows the selective interaction of specific ligands to the target biomolecule adding to the higher capacity of monoliths when compared to conventional chromatographic supports. Monoliths also allow the use of high flow rates, which allows a fast purification procedure and decreases the retention time of the target biomolecule, avoiding its degradation. In the present work, different elution strategies (manipulation of sodium chloride (NaCl) concentrations and/or pH and competition) were explored, in order to purify the supercoiled HPV-16 E6/E7MUT pDNA, by using the arginine monolith with spacer arm. The best elution strategy applied on both laboratorial and preparative scales allowed the removal of impurities within the regulatory agency recommendations, with 93.3% and 98.5% of purity degree, respectively. This reinforces the applicability of this monolith for the sc pDNA purification. Moreover, only one in thousands naked plasmids presented to the cells reach the nucleus and are expressed. The use of nanoparticles is a valuable strategy that permits the protection of the pDNA by avoiding the enzymatic degradation and facilitates the specific delivery, enhancing the cellular transfection. Thus, different magnesium carbonate (MgCO3) systems were characterized regarding its encapsulation efficiency (around 87%), morphology (round shape), size (99.7-237.4 nm) and zeta potential (positive). These data suggest that the developed nanoparticles are suitable for cellular uptake and thus appropriate for therapeutic applications. Additionally, in vitro studies accompanied with confocal microscopy were performed, which revealed that all the formulated systems are able to transfect eukaryotic cells.A infeção causada pelo Vírus do Papiloma Humano (HPV) é uma doença sexualmente transmitida, que afeta tanto homens como mulheres a nível mundial. Em último caso, a infeção causada pelo HPV pode levar ao aparecimento de massas tumorais. De facto, o ácido desoxirribonucleico (DNA) do HPV foi encontrado em 99,7% dos casos de cancro do colo do útero, provocando mais de meio milhão de mortes. A progressão do cancro é devida à expressão das oncoproteínas E6 e E7, consideradas tumorogénicas pela sua capacidade de alterar o ciclo celular, sendo estas responsáveis pela replicação viral e transformação e imortalização das células hospedeiras. Atualmente, existem apenas duas vacinas comercializadas contra a infeção pelo HPV: a Gardasil® e a Cervarix®. Estas vacinas profiláticas ativam unicamente a imunidade humoral, pela geração de anticorpos contra o HPV e são somente preventivas, ou seja, apenas são efetivas antes de ocorrer a infeção. Assim, as vacinas terapêuticas têm a promissora vantagem de conseguir eliminar lesões pré-existentes e até tumores. Surgem então algumas estratégias terapêuticas inovadoras, como a terapia génica e as vacinas de DNA, que ativam tanto a resposta humoral como a celular, permitindo a prevenção e o tratamento de doenças como o cancro do colo do útero. Nas vacinas de DNA, o uso do DNA plasmídico (pDNA) como vetor não viral torna-se bastante apelativo, não só pela sua baixa toxicidade e elevada segurança, mas também pela simples produção e aplicação. A produção destas vacinas requer a purificação à escala preparativa do pDNA superenrolado (sc), considerada a isoforma biologicamente ativa. É, por isso, necessário explorar diversas estratégias de purificação de forma a obter o maior rendimento e pureza do pDNA sc. A cromatografia de afinidade com aminoácidos tem demonstrado ser uma abordagem promissora, pois permite a interação seletiva entre ligandos específicos e as biomoléculas de interesse, à semelhança de interações biológicas que ocorrem naturalmente entre proteínas a aminoácidos no organismo. Para além disso, o uso de monolitos como suporte cromatográfico tem vindo a demonstrar que estes suportes são uma excelente alternativa aos convencionais, visto terem uma maior capacidade de ligação para moléculas de grandes dimensões e que possibilitam a utilização de fluxos mais elevados, diminuindo o tempo de retenção da biomolécula de interesse, evitando assim a sua degradação. Assim, o presente trabalho teve como primeiro objetivo explorar diferentes estratégias de eluição cromatográficas, utilizando um monolito de arginina com um braço espaçador, no sentido de purificar o pDNA sc a usar numa vacina de DNA contra o cancro do colo do útero. Inicialmente, foram realizados vários ensaios, quer em condições de eluição iónicas quer hidrofóbicas, para avaliar o comportamento cromatográfico e a influência dos diferentes grupos imobilizados no monolito de epóxi. Depois, o monolito de arginina com um braço espaçador foi caracterizado em termos de capacidade dinâmica de ligação (2.53 mg/mL obtido a 10% da curva “breakthrough”), confirmando que este suporte apresenta maior capacidade de ligação do que um suporte convencional (0.133 mg/mL), modificados com o mesmo ligando (arginina). Por outro lado, este valor é menor que o valor de capacidade de ligação obtido com o monolito de arginina (3.55 mg/mL), provavelmente devido à eletronegatividade do braço espaçador que promove repulsão pelo pDNA. Para avaliar a seletividade do suporte, vários ensaios foram realizados utilizando amostras de plasmídeo pré-purificado com o kit comercial (isoformas circular aberta, linear e sc), manipulando a concentração de cloreto de sódio (NaCl) e o pH do tampão de eluição. Os resultados comprovaram que é possível obter a isoforma sc purificada, apesar da sua recuperação ser ligeiramente sacrificada. Posteriormente, prosseguiu-se para a purificação do pDNA sc a partir de uma amostra mais complexa de lisado de Escherichia coli (E. coli). Diferentes estratégias de eluição foram abordadas, incluindo a manipulação de NaCl e pH, assim como a adição de arginina no tampão de eluição como agente de competição. Após várias otimizações, a estratégia que melhor resultou na purificação da isoforma de interesse foi a de um gradiente por passos com o tampão de equilíbrio a 680 mM de NaCl em tampão 10 mM tris e 10 mM EDTA (Tris-EDTA), pH 7 e o tampão de eluição a 649 mM e 1 M de NaCl em Tris-EDTA, pH 7,5. Esta estratégia cromatográfica permitiu obter o plasmídeo sc com 93,3% de pureza e 72% de recuperação. A aplicabilidade do monolito de arginina com um braço espaçador na purificação do plasmídeo à escala preparativa também foi avaliada, tendo-se recuperado o plasmídeo com 98,5% de pureza. As impurezas (DNA genómico, proteínas e endotoxinas) das frações recolhidas de pDNA sc, tanto na escala laboratorial como na preparativa, foram quantificadas, estando os resultados dentro dos valores recomendados pelas agências reguladoras. Assim sendo, o monolito de arginina com um braço espaçador permitiu uma rápida e eficaz separação do pDNA sc, recorrendo a baixas concentrações de sal, tanto numa escala laboratorial como preparativa. Por outro lado, sabe-se que apenas um em mil plasmídeos apresentados às células eucarióticas conseguem alcançar o núcleo e levar à expressão do gene de interesse. Desta forma, torna-se crucial desenvolver estratégias que permitam a proteção do pDNA e que facilitem a sua entrada no núcleo. O uso de nanopartículas tem revelado ser uma valiosa solução, pois além de protegerem o pDNA da degradação enzimática, permitem uma entrega específica e, consequentemente, um aumento na transfeção celular. Assim sendo, este trabalho teve como segundo objetivo a formulação de nanopartículas de carbonato de magnésio (MgCO3) e gelatina, funcionalizadas com os ligandos de manose e galactose para direcionar as nanopartículas para as células alvo (células dendríticas). Em termos da morfologia, as imagens obtidas na microscopia eletrónica de varrimento (SEM) e na microscopia eletrónica de transmissão (TEM) permitiram concluir que todos os sistemas adquirem uma forma arredondada. Foi também calculada a eficiência de encapsulação (EE) dos diferentes sistemas com diferentes quantidades de pDNA, constatando-se que o sistema com 5 µg de pDNA possibilitou uma melhor encapsulação (cerca de 87%). Para além disso, a gelatina permitiu diminuir o tamanho médio das nanopartículas e a funcionalização com os ligandos de manose e galactose não aumentou significativamente o tamanho das nanopartículas de gelatina, estando os valores entre 99,7 nm e 237,4 nm. Por fim, os valores do potencial zeta foram positivos, o que sugere uma interação facilitada das nanopartículas com a membrana celular que é carregada negativamente, possibilitando uma transfeção mais eficiente. Todos os sistemas estudados apresentam características promissoras para um uptake celular adequado, o que foi comprovado pela transfecção de células HeLa. Em conclusão, o presente trabalho mostrou que o monolito de arginina com braço espaçador permitiu a purificação do pDNA sc com um bom grau de pureza e recuperação e as nanopartículas de MgCO3 provaram ser um sistema de entrega eficiente, sendo uma estratégia promissora para o desenvolvimento de uma vacina de DNA eficaz contra infeções provocadas pelo HPV.Costa, DianaSousa, Ângela Maria Almeida deuBibliorumSimões, Ana Rita Santos2018-11-05T14:37:30Z2016-10-72016-11-042016-11-04T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.6/6271TID:201771462enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-12-15T09:44:40Zoai:ubibliorum.ubi.pt:10400.6/6271Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-20T00:47:02.040921Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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