Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd2733110.32607/actanaturae.27331Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticleSystem for Self-excited Targeted Photodynamic Therapy Based on the Multimodal Protein DARP-NanoLuc-SOPP3Система для самоактивируемой адресной фотодинамической терапии на основе мультимодального белка DARP-NanoLuc-SOPP3ShramovaE. I.ШрамоваЕ. И.
Russian Federation
e.i.shramova@gmail.comFrolovaA. Yu.ФроловаА. Ю.
Russian Federation
anastasiya_frolova_box@mail.ruFilimonovaV. P.ФилимоноваВ. П.
Russian Federation
vfhare@gmail.comDeyevS. M.ДеевС. М.
Russian Federation
biomem@ibch.ruProshkinaG. M.ПрошкинаГ. М.
Russian Federation
galina.proshkina@gmail.comhttps://www.ibch.ru/Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Moscow, Russian Academy of scienceИнститут биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН”Biomarker” Research Laboratory, Institute of Fundamental Medicine and Biology, Kazan Federal UniversityНаучно-исследовательская лаборатория «Биомаркер», Институт фундаментальной медицины и биологии Казанского федерального университетаSechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)Первый Московский государственный медицинский университет имени Сеченова (Сеченовский университет)181220231541001102011202328112023Copyright ©; 2024, Shramova E., Frolova A., Filimonova V., Deyev S., Proshkina G.Copyright ©; 2024, Шрамова Е., Фролова А., Филимонова В., Деев С., Прошкина Г.2024Shramova E., Frolova A., Filimonova V., Deyev S., Proshkina G.Шрамова Е., Фролова А., Филимонова В., Деев С., Прошкина Г.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/27331

Despite the significant potential of photodynamic therapy (PDT) as a minimally invasive treatment modality, the use of this method in oncology has remained limited due to two serious problems: 1) limited penetration of the excitation light in tissues, which makes it impossible to affect deep-seated tumors and 2) use of chemical photosensitizers that slowly degrade in the body and cause photodermatoses and hyperthermia in patients. To solve these problems, we propose a fully biocompatible targeted system for PDT that does not require an external light source. The proposed system is based on bioluminescent resonance energy transfer (BRET) from the oxidized form of the luciferase substrate to the photosensitizing protein SOPP3. The BRET-activated system is composed of the multimodal protein DARP-NanoLuc-SOPP3, which contains a BRET pair NanoLuc-SOPP3 and a targeting module DARPin. The latter provides the interaction of the multimodal protein with tumors overexpressing tumor-associated antigen HER2 (human epidermal growth factor receptor type II). In vitro experiments in a 2D monolayer cell culture and a 3D spheroid model have confirmed HER2-specific photo-induced cytotoxicity of the system without the use of an external light source; in addition, experiments in animals with subcutaneous HER2-positive tumors have shown selective accumulation of DARP-NanoLuc-SOPP3 on the tumor site. The fully biocompatible system for targeted BRET-induced therapy proposed in this work makes it possible to overcome the following limitations: 1) the need to use an external light source and 2) the side phototoxic effect from aberrant accumulation of chemical photosensitizers. The obtained results demonstrate that the fully protein-based self-excited BRET system has a high potential for targeted PDT.

Несмотря на значительный потенциал фотодинамической терапии (ФДТ) как малоинвазивного способа лечения, применение данного метода в онкологии имеет свои ограничения, такие, как 1) ограниченная глубина проникновения возбуждающего света вглубь ткани, что лишает возможности воздействовать на опухоли, локализующиеся глубоко в организме; 2) использование в качестве фотосенсибилизаторов химических медленно биодеградируемых молекул, что приводит к светоактивируемым фотодерматозам и гипертермии у пациентов. Для решения обозначенных проблем в данной работе предложена полностью биосовместимая адресная система для ФДТ без внешнего источника света, работающая на основе биолюминесцентного резонансного переноса энергии (BRET) от окисленной формы люциферазного субстрата к белковой молекуле фотосенсибилизатора SOPP3. BRET-активируемая система представлена мультимодальным белком DARP-NanoLuc-SOPP3, который содержит помимо BRET-пары NanoLuc-SOPP3 адресный модуль DARPin, обеспечивающий тропность данного белка к опухолям, сверхэкспрессирующим рецептор второго типа эпидермального фактора роста человека (HER2). В опытах in vitro и на модели 3D-сфероидов доказана фотоиндуцируемая без внешнего источника света цитотоксичность данной системы в отношении HER2-положительных клеток аденокарциномы рака яичника человека. Кроме того, в опытах на животных с подкожными HER2-положительными опухолями показано селективное накопление DARP-NanoLuc-SOPP3 в опухолевом очаге. Предложенная полностью биосовместимая система для адресной BRET-индуцированной терапии позволяет преодолеть: 1) необходимость во внешнем источнике излучения; 2) побочный фототоксический эффект от аберрантного накопления химических ФС. Полученные результаты демонстрируют большой потенциал полностью белковой самовозбуждающейся BRET-системы для адресной ФДТ.

bioluminescent resonance energy transfertargeted photodynamic therapyбиолюминесцентный резонансный перенос энергииадресная фотодинамическая терапияРоссийский научный фондRussian Science Foundation№ 21-74-30016Li X., Lovell J.F., Yoon J., Chen X. // Nat. Rev. Clin. Oncol. 2020. V. 17. № 11. P. 657–674.Dolmans D.E., Fukumura D., Jain R.K. // Nat. Rev. Cancer. 2003. V. 3. № 5. P. 380–387.Shramova E.I., Kotlyar A.B., Lebedenko E.N., Deyev S.M., Proshkina G.M. // Acta Naturae. 2020. V. 12. № 3. P. 102–113.Li X., Kwon N., Guo T., Liu Z., Yoon J. // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2018. V. 57. № 36. P. 11522–11531.Fan W., Huang P., Chen X. // Chem. Soc. Rev. 2016. V. 45. № 23. P. 6488–6519.Borgia F., Giuffrida R., Caradonna E., Vaccaro M., Guarneri F., Cannavo S.P. // Biomedicines. 2018. V. 6. № 1. P. 1–12.Pallet N., Karras A., Thervet E., Gouya L., Karim Z., Puy H. // Clin. Kidney J. 2018. V. 11. № 2. P. 191–197.An Y., Xu D., Wen X., Chen C., Liu G., Lu Z. // Adv. Hlth. Mater. 2023. P. e2301326.Hsu C.Y., Chen C.W., Yu H.P., Lin Y.F., Lai P.S. // Biomaterials. 2013. V. 34. № 4. P. 1204–1212.Kim S., Jo H., Jeon M., Choi M.G., Hahn S.K., Yun S.H. // Chem. Commun. (Camb.). 2017. V. 53. № 33. P. 4569–4572.Kim Y.R., Kim S., Choi J.W., Choi S.Y., Lee S.H., Kim H., Hahn S.K., Koh G.Y., Yunu S.H. // Theranostics. 2015. V. 5. № 8. P. 805–817.Yang Y., Hou W., Liu S., Sun K., Li M., Wu C. // Biomacromolecules. 2018. V. 19. № 1. P. 201–208.Al-Ani A.W., Zhang L., Ferreira L., Turyanska L., Bradshaw T.D., Thomas N.R. // Nanomedicine. 2019. V. 20. P. 102005.Yan H., Forward S., Kim K.H., Wu Y., Hui J., Kashiparekh A., Yun S.H. // Biomaterials. 2023. V. 296. P. 122079.Kim E.H., Park S., Kim Y.K., Moon M., Park J., Lee K.J., Lee S., Kim Y.P. // Sci. Adv. 2020. V. 6. № 37. P. eaba3009.Shramova E.I., Chumakov S.P., Shipunova V.O., Ryabova A.V., Telegin G.B., Kabashin A.V., Deyev S.M., Proshkina G.M. // Light Sci. Appl. 2022. V. 11. № 1. P. 38–50.Hall M.P., Unch J., Binkowski B.F., Valley M.P., Butler B.L., Wood M.G., Otto P., Zimmerman K., Vidugiris G., Machleidt T., et al. // ACS Chem. Biol. 2012. V. 7. № 11. P. 1848–1857.Shu X., Lev-Ram V., Deerinck T.J., Qi Y., Ramko E.B., Davidson M.W., Jin Y., Ellisman M.H., Tsien R.Y. // PLoS Biol. 2011. V. 9. № 4. P. e1001041.Westberg M., Bregnhoj M., Etzerodt M., Ogilby P.R. // J. Phys. Chem. B. 2017. V. 121. № 40. P. 9366–9371.Shramova E.I., Filimonova V.P., Frolova A.Yu., Pichkur E.N., Fedotov V.R., Konevega A.L., Deyev S.M., Proshkina G.M. // Eur. J. Pharm. Biopharm. 2023. V. 193. P. 208–217.Mironova K.E., Chernykh O.N., Ryabova A.V., Stremovskiy O.A., Proshkina G.M., Deyev S.M. // Biochemistry (Moscow). 2014. V. 79. № 12. P. 1391–1396.Pfleger K.D., Eidne K.A. // Nat. Methods. 2006. V. 3. № 3. P. 165–174.Proshkina G.M., Shramova E.I., Shilova O.N., Ryabova A.V., Deyev S.M. // J. Photochem. Photobiol. B. 2018. V. 188. P. 107–115.Shramova E.I., Proshkina G.M., Deyev S.M., Petrov R.V. // Dokl. Biochem. Biophys. 2018. V. 482. № 1. P. 288–291.Shramova E.I., Proshkina G.M., Deyev S.M., Petrov R.V. // Dokl. Biochem. Biophys. 2017. V. 474. № 1. P. 228–230.Sogomonyan A.S., Shipunova V.O., Soloviev V.D., Larionov V.I., Kotelnikova P.A., Deyev S.M. // Acta Naturae. 2022. V. 14. № 1. P. 92–100.Mosmann T. // J. Immunol. Methods. 1983. V. 65. № 1–2. P. 55–63.Pluckthun A. // Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 2015. V. 55. P. 489–511.Yarden Y. // Oncology. 2001. V. 61 Suppl 2. P. 1–13.Yan M., Schwaederle M., Arguello D., Millis S.Z., Gatalica Z., Kurzrock R. // Cancer Metastasis Rev. 2015. V. 34. № 1. P. 157–164.Swaminathan S., Ngo O., Basehore S., Clyne A.M. // ACS Biomater. Sci. Eng. 2017. V. 3. № 11. P. 2999–3006.Mallidi S., Anbil S., Bulin A.L., Obaid G., Ichikawa M., Hasan T. // Theranostics. 2016. V. 6. № 13. P. 2458–2487.