On the functional ordering of biomembranes : Implications for drug binding

Cells are packed with membrane structures, defining the inside and outside, and the different subcellular compartments. These membranes consisting mainly of phospholipids have a variety of functions in addition to providing a permeability barrier for various compounds. These functions involve cellular signaling, where lipids can act as second messengers, or direct regulation of membrane associating proteins. The first part of this study focuses on relating some of the physicochemical properties of membrane lipids to the association of drug compounds to membranes. A fluorescence based method is described allowing for determination of the membrane association of drugs. This method was subsequently applied to a novel drug, siramesine, previously shown to have anti-cancer activity. Siramesine was found to associate with anionic lipids. Especially interesting is its strong affinity for a second messenger lipid phosphatidic acid. This is the first example of a small molecule drug compound specifically interacting with a cellular lipid. Phosphatidic acid in cells is required for the activation of many signaling pathways mediating growth and proliferation. This provides an intriguing possibility for a simple molecular mechanism of the observed anti-cancer activity of siramesine. In the second part the thermal behavior and self assembly of charged and uncharged membrane assemblies was studied. Strong inter-lamellar co-operativity was observed for multilamellar DPPC vesicles using fluorescence techniques together with calorimetry. The commonly used membrane models, large unilamellar vesicles (LUV) and multilamellar vesicles (MLV) were found to possess different biophysical properties as interlamellar interactions of MLVs drive segregation of a pyrene labeled lipid analogue into clusters. The effect of a counter-ion lattice on the self assembly of a cationic gemini surfactant was studied. The presence of NaCl strongly influenced the thermal phase behavior of M-1 vesicles, causing formation of giant vesicles upon exceeding a phase transition temperature, followed by a subsequent transition into a more homogenous dispersion. Understanding the underlying biophysical aspects of cellular membranes is of fundamental importance as the complex picture of the structure and function of cells is evolving. Many of the cellular reactions take place on membranes and membranes are known to regulate the activity of many peripheral and intergral membrane associating proteins. From the point of view of drug design and gene technology, membranes can provide an interesting target for future development of drugs, but also a vehicle sensitive for environmental changes allowing for encapsulating drugs and targeting them to the desired site of action.

Solu- ja molekyylibiologian tutkimuksessa on perinteisesti keskitytty tutkimaan solujen proteiineja, nukleiinihappoja ja sokereita. Elämän keskeisistä rakennuspalikoista solujen lipidit ovat jääneet vähemmälle huomiolle. Eukaryoottisoluista on kuitenkin löydetty yli 1000 erilaista lipidiä ja kalvojen koostumus on tarkasti säädeltyä. Lipidien ominaisuuksista keskeisimpiä on niiden taipumus muodostaa vesiliuoksessa kaksoiskalvoja, joissa polaariset pääryhmät järjestyvät vettä kohti ja poolittomat rasvahappoketjut toisiaan vasten. Vasta viime aikoina on opittu, että solujen eri tiloja rajaavilla kalvoilla on muitakin tehtäviä. Kalvoilla tapahtuu suuri osa solun kemiallisista reaktioista ja solukalvot voivat toimia solun eri toimintojen säätelyssä esimerkiksi toisiolähetteinä. Rasva-aineenvaihdunnan häiriöt liittyvät moniin sairauksiin kuten sydän- ja verisuonitauteihin, syöpään sekä useisiin psykiatrisiin sairauksiin. Lääkeaineiden imeytyminen, ja aineenvaihdunta elimistössä ovat tärkeimmät huomioitavat tekijät kehitettäessä uusia lääkeyhdisteitä. Väitöskirjatyöni ensimmäisen osan tavoitteena oli kehittää menetelmä, jolla voidaan nopeasti arvioida lääkeaineen jakautumista vesifaasin ja lipidien välillä fluoresenssispektroskopian avulla. Toisessa osatyössä sovellettiin kehitettyä menetelmää siramesiini nimiseen lääkeaineeseen, jonka on huomattu vaikuttavan syöpäsoluihin. Siramesiinin havaittiin sitoutuvan rasvaliukoisena aineena hyvin solun kalvoihin. Tutkimuksessamme olemme havainneet, että siramesiini sitoutuu solukalvon viestimolekyylinä toimivaan fosfatidihappoon. Löydös on ensimmäinen esimerkki kyseisenlaisesta kahden pienen molekyylin vuorovaikutuksesta. Tehokkaiden syöpälääkkeiden löytäminen on ollut viime vuosien keskeisiä haasteita lääketieteessä. Vaihtoehtoisten vaikutusmekanismien löytäminen ja ymmärtäminen on erittäin tärkeää, jotta voidaan kehittää syöpäsolun toimintaan vaikuttavia lääkeaineita, joilla on vähemmän haittavaikutuksia terveisiin soluihin. Väitöskirjatyön kahdessa viimeisessä osatyössä tutkin solukalvon järjestäytymistä lämpötilan ja suolan vaikutuksesta. Tällainen tieto on tarpeellista kehitettäessä esimerkiksi turvallisempia geeninsiirtovektoreita sekä lääkeaineiden toimittamisessa tarkemmin kohdekudokseensa.