Вивчення механізмів цитотоксичності низки гідрофільних полоксамерів методом спінових зондів

Abstract

За допомогою методу спінових зондів отримано нові дані щодо можливих механізмів цитотоксичної дії низки гідрофільних полоксамерів із великими гідрофільними (ПЕГ) блоками, що може призводити до зниження множинної лікарської стійкості (МЛС) ракових клітин. Для цього досліджено взаємодію ряду гідрофільних полоксамерів і окремо високомолекулярних ПЕГ як гідрофільних блоків полоксамерів, з модельними мембранами, живими клітинами і білками різної структури, а також їхній вплив на конформаційну рухливість ліпідів мембран клітин і макромолекул різних білків. Показано, що введення в еритроцити людини та щурів 5 % полоксамерів 188, 237, 338 і 407, які мають у структурі великі гідрофільні ПЕГ блоки, як правило, супроводжувалося сильним зниженням мікров’язкості мембран клітин, іноді в 1,5 і більше разу (полоксамер 338 і 407). ПЕГ-1500 також ефективно зв’язувався з ліпідами мембран ліпосом, мітохондрій і еритроцитів, у результаті чого мікров’язкість мембран еритроцитів знижувалася протягом 1 год. Уведення осмотично активного ПЕГ-2000 в еритроцити людини призводить до стійкої в часі дегідратації клітин. За допомогою спі- нових зондів отримані нові дані щодо взаємодії високомолекулярних ПЕГ-1500, ПЕГ-2000 і ПЕГ-4000 з гідрофобною порожниною (кишенею) поверхні глобули альбуміну за допомогою гідрофобних метиленових груп. Так як інтегральний мембранний глікопротеїн ракових клітин P-gp, вбудований у мембранний ліпідний бішар, у тому числі й за допомогою поверхневих гідрофобних ділянок макромолекули P-gp, зроблено припущення, що механізм інгібування P-gp гідрофільними полоксамерами може бути пов’язаний з порушенням або з ослабленням білково-ліпідної взаємодії макромолекули P-gp з ліпідами мембран ракових клітин під дією ПЕГ блоків. Встановлено, що механізми цитотоксичної дії полоксамерів різної будови універсальні для багатьох клітин, не тільки ракових, і полягають в сильному зниженні мікров’язкості мембран клітин, яке призводить до зниження активності багатьох мембранних білків і ферментів. У гідрофільних полоксамерів є додаткові механізми цитотоксичності і пригнічення МЛС ракових клітин, пов’язані з дією великих ПЕГ бло- ків на мембрани – додаткове розпушення мембран, ослаблення білок-ліпідної взаємодії між глікопротеїном P-gp і ліпідами мембран ракових клітин, дегідратація мембран клітин, можлива взаємодія ПЕГ блоку з макромолекулою P-gp з подальшою зміною активної конформації макромолекули білка.

С помощью метода спиновых зондов получены новые данные о возможных механизмах цитотоксического действия ряда гидрофильных полоксамеров с большими гидрофильными (ПЭГ) блока- ми, которое снижает множественную лекарственную устойчивость (МЛУ) раковых клеток. Для этого изучили взаимодействие ряда гидрофильных полоксамеров и отдельно высокомолекулярных ПЭГ, как гидрофильных блоков полоксамеров, с модельными мембранами, живыми клетками и белками различной структуры, а также их влияние на конформационную подвижность липидов мембран клеток и макромолекул различных белков. Показано, что введение в эритроциты человека и крысы 5 % полоксамеров 188, 237, 338 и 407, которые имеют в структуре большие гидрофильные ПЭГ блоки, как правило, сопровождалось сильным снижением микровязкости мембран клеток, иногда в 1,5 и больше раза (полоксамеры 338 и 407). ПЭГ-1500 также эффективно связывался с липидами мембран липосом, митохондрий и эритроцитов, в результате чего микровязкость мембран эритро- цитов снижалась на протяжении часа. Введение осмотически активного ПЭГ-2000 в эритроциты человека приводит к стойкой во времени дегидратации клеток. С помощью спиновых зондов полу- чены новые данные о взаимодействии высокомолекулярных ПЭГ-1500, ПЭГ-2000 и ПЭГ-4000 с гидрофобной полостью (карманом) поверхности глобулы сывороточного альбумина с помощью гидрофобных метиленовых групп. Так как интегральный мембранный гликопротеин раковых клеток P-gp встроен в мембранный липидный бислой, в том числе и с помощью поверхностных гидрофоб- ных участков макромолекулы P-gp, нами было сделано предположение, что механизм ингибирования P-gp гидрофильными полоксамерами может быть связан с нарушением или ослаблением белково-липидного взаимодействия макромолекулы P-gp с липидами мембран раковых клеток под действием ПЭГ блоков. Механизмы цитотоксического действия полоксамеров различной структуры универсальны для многих клеток, не только раковых, и заключаются в сильном снижении микровязкости мембран клеток, которое снижает активность многих мембранных белков и ферментов. У гидрофильных полоксамеров есть дополнительные механизмы цитотоксичности и снижения МЛУ раковых клеток, связанных с действием больших ПЭГ блоков на мембраны – дополнительное разрыхление мембран, ослабление белок-липидного взаимодействия между гликопротеином P-gp и липидами мембран раковых клеток, дегидратация мембран клеток, вероятное взаимодействие ПЭГ блоков с макромолекулой P-gp с последующим изменением активной конформации макромолекулы белка

Using the method of spin probes were obtained new data on the possible mechanisms of cytotoxicity of a number of hydrophilic poloxamers with large hydrophilic (PEG) blocks, which can reduces the multidrug resistance (MDR) of cancer cells. For this study the interaction of a number of hydrophilic poloxamers and high molecular weight PEG separately, as hydrophilic blocks poloxamers, with model membranes and living cells and proteins of different structures, as well as their influence on the conformational flexibility of lipid membranes of cells and macromolecules of different proteins. It is shown that the introduction in human and rat erythrocytes 5 % poloxamer 188, 237, 338 and 407, which are in the structure of large hydrophilic PEG blocks usually accompanied by a strong decrease in microviscosity cell membranes, sometimes by 1.5 times and more (poloxamers 338 and 407 ). PEG-1500 effectively contacted with lipid membrane of liposomes, mitochondria, and erythrocytes, whereby the erythrocyte membrane microviscosity dropping over one hour. Introduction osmotically active PEG-2000 in human erythrocytes leads to stable time of dehydration in cells. By spin probe method were obtained new data on the interaction of high-molecular PEG-1500, PEG-2000 and PEG-4000 with the hydrophobic cavity (pocket) of serum albumin globule surface via hydrophobic methylene groups. As integral membrane glycoprotein in cancer cells P-gp, embedded in the membrane lipid bilayer, including the surface via hydrophobic regions macromolecule P-gp, we have made the assumption that the mechanism of inhibition of P-gp hydrophilic poloxamers may be associated with the violation or attenuation of protein-lipid interactions macromolecule P-gp with lipid membranes of cancer cells by PEG blocks. Mechanisms of the cytotoxic effect of different poloxamers structure are universal for many cells, not only cancer – strong decrease of microviscosity of cell membranes, which reduces the activity of many membrane proteins and enzymes. The hydrophilic poloxamers have additional mechanisms of cytotoxicity and reducing MDR cancer cells associated with the action of larger PEG blocks on the membrane – the membrane additional loosening, weakening the protein-lipid interactions between the glycoprotein P-gp and a lipid membrane of cancer cells, the dehydration of the cell membranes, the probability of interaction of PEG block with macromolecule P-gp and then change the active conformation of the protein macromolecule