Gellan microspheres application for capture or purification of plasmid DNA vaccine
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2019 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | eng |
Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10400.6/10506 |
Resumo: | Cervical cancer is the 4th cause of death among women worldwide and is profoundly associated with HPV infection, due to apoptosis inhibition and uncontrolled cell proliferation caused by oncoproteins E6 and E7 action. At the moment, some prophylactic vaccines are available in the market, but that are only capable of preventing HPV infection. Thus, the development of effective treatment for HPV-infected individuals is fundamental. DNA vaccines emerged as a promising way to prevent and treat several diseases since it can stimulate both cellular and humoral immune responses. The biotechnological process for obtaining plasmid DNA (pDNA) includes several steps, which present an environmental impact and makes it quite expensive to the pharmaceutical industry. Therefore, it is crucial to explore new alternatives. In this work, copper-crosslinked gellan microspheres were produced through a water-in-oil emulsion in order to capture pDNA directly from the Escherichia coli (E. coli) lysate seeking a reduction in the recovery and clarification-associated costs. The lowest diameter of gellan microspheres was achieved with 1.41 % of an aqueous gellan gum solution, previously heated at 90ºC, and dripped through a syringe to the oil solution formerly heated at 100 ºC with constant stirring of 750 rpm at a flow rate of 75 µL/min. Afterwards batch method optimization, the gellan microspheres captured 15.61 % of pDNA with 2.42 % of purity by a strategy based on immobilized metal affinity chromatography (IMAC), by manipulating the pH and ionic strength of binding and elution buffers. Another strategy was developed in order to increase the pDNA capture by precipitating the E. coli lysate with ammonium sulfate. The elimination of major impurities improved the recovery percentage to 32.41 % and the purity degree to 12.43 %. Moreover, copper-crosslinked gellan microspheres were functionalized with polyethylenimine (PEI), in order to increase the pDNA capture by increasing the functional groups in the microspheres surface. This allowed an improvement in the recovery percentage to 88.09 %, but the same did not happen to the purity percentage, 3.18 %. Thus, if the central aim is total pDNA capture from crude lysates without resorting to salts or organic solvents, the strategy in which the microspheres were functionalized with PEI showed great potential. On the other hand, if the main objective is to capture pDNA with higher purity, it is recommended to perform a prior step to the capture with ammonium sulfate, where copper-crosslinked microspheres may be applied or also the ones functionalized with PEI. In conclusion, these simple, fast and low-cost strategies allow lysate clarification since an E. coli lysate usually has 1.07 % of pDNA. |
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Gellan microspheres application for capture or purification of plasmid DNA vaccineInfeção Por HpvMétodo de BatchMicroesferas de GelanaPasso de ClarificaçãoPolietileniminaVacina PdnaDomínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::BiotecnologiaCervical cancer is the 4th cause of death among women worldwide and is profoundly associated with HPV infection, due to apoptosis inhibition and uncontrolled cell proliferation caused by oncoproteins E6 and E7 action. At the moment, some prophylactic vaccines are available in the market, but that are only capable of preventing HPV infection. Thus, the development of effective treatment for HPV-infected individuals is fundamental. DNA vaccines emerged as a promising way to prevent and treat several diseases since it can stimulate both cellular and humoral immune responses. The biotechnological process for obtaining plasmid DNA (pDNA) includes several steps, which present an environmental impact and makes it quite expensive to the pharmaceutical industry. Therefore, it is crucial to explore new alternatives. In this work, copper-crosslinked gellan microspheres were produced through a water-in-oil emulsion in order to capture pDNA directly from the Escherichia coli (E. coli) lysate seeking a reduction in the recovery and clarification-associated costs. The lowest diameter of gellan microspheres was achieved with 1.41 % of an aqueous gellan gum solution, previously heated at 90ºC, and dripped through a syringe to the oil solution formerly heated at 100 ºC with constant stirring of 750 rpm at a flow rate of 75 µL/min. Afterwards batch method optimization, the gellan microspheres captured 15.61 % of pDNA with 2.42 % of purity by a strategy based on immobilized metal affinity chromatography (IMAC), by manipulating the pH and ionic strength of binding and elution buffers. Another strategy was developed in order to increase the pDNA capture by precipitating the E. coli lysate with ammonium sulfate. The elimination of major impurities improved the recovery percentage to 32.41 % and the purity degree to 12.43 %. Moreover, copper-crosslinked gellan microspheres were functionalized with polyethylenimine (PEI), in order to increase the pDNA capture by increasing the functional groups in the microspheres surface. This allowed an improvement in the recovery percentage to 88.09 %, but the same did not happen to the purity percentage, 3.18 %. Thus, if the central aim is total pDNA capture from crude lysates without resorting to salts or organic solvents, the strategy in which the microspheres were functionalized with PEI showed great potential. On the other hand, if the main objective is to capture pDNA with higher purity, it is recommended to perform a prior step to the capture with ammonium sulfate, where copper-crosslinked microspheres may be applied or also the ones functionalized with PEI. In conclusion, these simple, fast and low-cost strategies allow lysate clarification since an E. coli lysate usually has 1.07 % of pDNA.O vírus do papiloma humano (HPV) é um vírus sexualmente transmissível e a persistência da sua infeção é considerada a maior causa para o desenvolvimento do cancro do colo do útero. Este potencial oncogénico do HPV está diretamente relacionado com a expressão das oncoproteínas E6 e E7, visto que estas têm a capacidade de interferir na desregulação do ciclo celular, indução da apoptose, entre outros fenómenos biológicos. O cancro do colo do útero corresponde à 4º maior causa de morte nas mulheres a nível mundial. No entanto, com as evoluções alcançadas ao nível científico tem sido possível melhorar e desenvolver novas terapias à base de DNA para tratar vários problemas de saúde como cancro e doenças genéticas. Sendo uma delas, as vacinas de DNA, uma vez que estas têm a capacidade de despoletar todos os tipos de imunidade desejada, através da resposta celular e resposta humoral, evitando a evolução da doença, o que é uma vantagem em relação às vacinas convencionais. Os vetores de DNA plasmídico (pDNA) codificantes de determinados antigénios têm sido muito explorados como vacinas de DNA, uma vez que apresentam baixa toxicidade e são mais simples de desenvolver. O processo biotecnológico de preparação do biofármaco de pDNA compreende etapas sequenciais de produção, clarificação e purificação com objetivo de obter a isoforma superenrolada (sc) com o grau de pureza recomendado pelas agências reguladoras, já que é considerada a conformação de pDNA biologicamente ativa. Contudo, este processo é bastante dispendioso para a indústria farmacêutica e apresenta um impacto ambiental acentuado, devido ao uso de elevadas quantidades de solventes orgânicos (isopropanol) e sais caotrópicos (sulfato de amónio e sulfato de sódio). Desta forma, é fundamental desenvolver novas estratégias de captura ou purificação do pDNA sc de modo a simplificar a amostra e evitar o uso de determinados reagentes, tornando o processo mais “green” e económico. A goma gelana é um exopolissacárido microbiano aniónico que tem a capacidade de, em determinadas condições (presença de catiões, concentração de polímero, temperatura), alterar a sua estrutura conformacional e formar uma rede tridimensional dando origem a um gel termorreversível com diferentes características estruturais e propriedades, consoante o objetivo desejado. A gelana apresenta diversas aplicações na indústria alimentar (espessante, gelificante), farmacêutica (formulações oftálmicas), cosmética (loções, cremes), biotecnológica (substituinte do agar), e devido, a características como a sua biocompatibilidade, hidrofilicidade, porosidade e versatilidade tem vindo a ser explorada nos últimos anos como matriz cromatográfica. Recentemente foi explorada e otimizada por desenho experimental a formulação de microsferas de gelana através do método de emulsão água-em-óleo e reforço com iões divalentes para capturar proteínas em função da sua carga ou afinidade. Assim, o objetivo central deste trabalho foi formular as microsferas de gelana e desenvolver uma estratégia de captura de pDNA sc a partir de um lisado bruto de Escherichia coli (E. coli) aplicando o método de batch. Para tal, a amostra de lisado foi obtida através de uma fermentação em E. coli, com posterior lise alcalina. As microesferas de gelana foram preparadas pelo método de emulsão água–em–óleo, reforçadas com alguns iões divalentes, cobre, níquel, zinco, cobalto, e algumas formulações foram posteriormente funcionalizadas com o polímero de polietilenoimina (PEI). O menor diâmetro das formulações foi obtido com 1.41 % de uma solução aquosa de gelana, previamente aquecida a 90 ºC que foi gotejada através de uma seringa para uma solução de óleo aquecida anteriormente a 100 ºC sob constante agitação de 750 rpm a uma velocidade de 75 µL/min. Ambas as formulações foram caracterizadas relativamente ao diâmetro médio (microscopia de semiótica), à morfologia (SEM), à carga global (potencial zeta) e à composição elementar (EDX e FTIR). Dos resultados obtidos quanto à morfologia, ambas as topologias de microesferas apresentam uma forma esférica e consistente. A estabilidade das duas formulações foi avaliada pela medição do diâmetro médio ao longo de vinte dias e ambas se apresentam estáveis ao longo do período em análise. Em relação ao diâmetro médio, as microesferas funcionalizadas com PEI apresentam um menor diâmetro que as microesferas reforçadas com cobre, o que pode ser devido à formação de uma ligação de coordenação entre o PEI e o cobre tornando a sua estrutura mais compacta. Esta ligação pode ter também um efeito na composição elementar pois, as microesferas reforçadas com cobre apresentam cerca de 9 % de cobre e as que foram funcionalizadas com PEI, apresentam 17 % de aminas e apenas 0.62 % de cobre. As microesferas reforçadas com cobre apresentam uma carga superficial de cerca de – 5 mV e as que que foram funcionalizadas com PEI, apresentam uma carga superficial de cerca de + 5 mV. As estratégias de captura desenvolvidas tiveram por base a interação entre os iões metálicos reticulados nas microesferas e o pDNA presente no lisado celular, uma vez que a carga negativa do polímero de gelana repele os ácidos nucleicos. Após inúmeros estudos de otimização, as melhores condições de ligação do pDNA sc às microesferas de gelana reticuladas com cobre foram obtidas a pH 5.0 e a eluição com 200 mM NaCl em 10 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA, pH 8.0, permitindo assim recuperar 15.61 % de pDNA sc com 2.42 % de pureza. Adicionalmente, outra estratégia desenvolvida para melhorar a captura de pDNA consistiu na precipitação do lisado de E. coli com 2,5 M de sulfato de amónio. Ao eliminar a maior parte das impurezas (RNA e proteínas) a quantidade de pDNA sc capturado aumentou para 32.41 % com um grau de pureza de 12.43 %. Por fim, as microesferas de gelana foram funcionalizadas com PEI, com objetivo de melhorar a captura de pDNA, tendo em conta o aumento de grupos funcionalizados para interagirem com DNA na superfície das microesferas. Nas microsferas funcionalizadas com PEI, o passo de ligação foi realizado com um tampão de 10 mM MES a pH 5.0 e a eluição com 200 mM NaCl em 10 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA, pH 10.5. Nestas condições, foi possível a captura total do pDNA presente na amostra de lisado e uma recuperação/eluição 88.09 % de pDNA sc. Contudo, também ocorreu a retenção de grande parte do RNA da amostra que resultou num decréscimo do grau de pureza para 3.18 %. Assim sendo, se o objetivo principal for a captura total de pDNA de lisados brutos sem recorrer a sais ou solventes orgânicos, a estratégia que apresenta grande potencial é aquela em que as microesferas foram funcionalizadas com PEI. Por outro lado, se o objetivo principal for a captura de pDNA com um grau de pureza mais elevado, é recomendado realizar um passo prévio de tratamento com sulfato de amónio antes do passo de captura, sendo que neste se pode aplicar as microesferas reticuladas com cobre ou também as funcionalizadas com PEI. Concluindo, estas estratégias simples e de baixo custo permitiram a clarificação do lisado sem ser necessário recorrer a solventes orgânicos como o isopropanol, visto que o lisado de E. coli normalmente apresenta cerca de 1.07 % de pDNASousa, Ângela Maria Almeida dePassarinha, Luís António PaulinouBibliorumGomes, Diana Vanessa Duarte2020-11-04T16:13:05Z2020-01-082019-11-292020-01-08T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.6/10506TID:202467074enginfo: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:RCAAP2024-01-31T02:31:51Zoai:ubibliorum.ubi.pt:10400.6/10506Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-20T00:50:26.785266Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
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