Verhinderung von Proteinadsorption an Oberflächen
Proteine sind biologische Moleküle, die vielseitig in der Medizin und Pharmazie sowie in den Umweltwissenschaften und im Umweltschutz Verwendung finden. Um deren Adsorption an Oberflächen zu minimieren, können diese mit einer hauchdünnen Polymerbürste (neutrale, wasserlösliche Polymere, NWSP) überzogen werden. Derzeit liegen allerdings kaum detaillierte mechanistische Studien zur Wechselwirkung zwischen Proteinen und NWSP vor, auch erfüllt die Polymerbürste häufig ihre Funktion nicht. Wichtige Fortschritte und Erkenntnisse sowie eine neue Analysemethode waren nun das Ergebnis des EU-finanzierten Projekts "Protein-repellent polymers" (POLYPROT). Das Team konzentrierte sich auf zwei Arten von Proteinen mit unterschiedlichen Bindungseigenschaften. Kugelproteine wie Hämoglobin, Myoglobin und Insulin adsorbieren aufgrund ihrer schwachen, unspezifischen Wechselwirkungen. Proteine wie Anti-Polymer-Antikörper hingegen adsorbieren hingegen durch starke und spezifische Bindungen zwischen Protein- und Polymerbindungsstellen. PEG-Polymere (Polyethylenglycol) mit kontrollierbaren Bürsteneigenschaften (Ankerdichte und Polymerlänge) wurden auf flache Oberflächen aufgebracht und mit Proteinlösungen inkubiert. Mittels hochmoderner Neutronenstreuung (Neutronenreflektometrie mit Kontrastvariation) wurde die Bürstendichte charakterisiert. Die Myoglobinadsorption auf PEG-funktionalisiertem hydrophobem Polystyrol erfolgte über zwei Schichten – eine dichte Innenschicht auf der Ankerfläche und eine weniger dichte äußere Schicht darüber. Die in der inneren Schicht adsorbierte Proteinmenge war unabhängig von der Polymerlänge, korrelierte aber mit der Zunahme der Polymerdichte. Die Menge in der Außenschicht korrelierte mit der Polymermenge, was eine Abhängigkeit von Länge und Dichte der Ketten nahe legt. Anti-PEG-Antikörper banden an PEG-Bürsten auf Lipid-Monoschichten auf festen Trägern mittels spezifischer ternärer Adsorption (d.h. günstige Wechselwirkungen zwischen Protein und Bürste). Die Stärke und Dichte der anhaftenden Monoschicht nahm mit zunehmender Bürstendichte zu. Neben den mechanistischen Studien wurden auch methodische Fortschritte in der Röntgenstehwellentechnik für die elementspezifische strukturelle Charakterisierung gemacht. Die Forscher zeigten, dass anhand des Schwefelgehalts eines Proteins Strukturanalysen adsorbierter Proteine durchgeführt werden können. Mit der neuen Methode könnten biologische und biomimetische Systeme an Grenzflächen zwischen festen und flüssigen Phasen charakterisiert werden. POLYPROT lieferte neue Erkenntnisse zu proteinabweisenden NWSP. Damit ist die Grundlage für eine Vielzahl technischer und medizinischer Anwendungen wie auch therapeutischer Interventionen geschaffen.
Schlüsselbegriffe
Proteine, Proteinadsorption, Oberflächen, wasserlösliche Polymere, proteinabweisende Polymere
