Design of a Modern Liposome and Bee Venom Formulation for the Traditional VIT-Venom Immunotherapy

Traditional venom immunotherapy uses injections of whole bee venom in buffer or adsorbed in Al (OH)(3) in an expensive, time-consuming way. New strategies to improve the safety and efficacy of this treatment with a reduction of injections would, therefore, be of general interest. It would improve patient compliance and provide socio-economic benefits. Liposomes have a long tradition in drug delivery because they increase the therapeutic index and avoid drug degradation and secondary effects. However, bee venom melittin (Mel) and phospholipase (PLA(2)) destroy the phospholipid membranes. Our central idea was to inhibit the PLA(2) and Mel activities through histidine alkylation and or tryptophan oxidation (with pbb, para-bromo-phenacyl bromide, and/or NBSN-bromosuccinimide, respectively) to make their encapsulations possible within stabilized liposomes. We strongly believe that this formulation will be nontoxic but immunogenic. In this paper, we present the whole bee venom conformation characterization during and after chemical modification and after interaction with liposome by ultraviolet, circular dichroism, and fluorescence spectroscopies. The PLA(2) and Mel activities were, measured indirectly by changes in turbidity at 400(nm), rhodamine leak-out, and hemolysis. The native whole bee venom (BV) presented 78.06% of alpha-helical content. The alkylation (A-BV) and succynilation (S-BV) of BV increased 0.44 and 0.20% of its alpha-helical content. The double-modified venom (S-A-BV) had a 0.74% increase of alpha-helical content. The BV chemical modification induced another change on protein conformations observed by Trp that became buried with respect to the native whole BV. It was demonstrated that the liposomal membranes must contain pbb (SPC:Cho:pbb, 26:7:1) as a component to protect them from aggregation and/or fusion. The membranes containing pbb maintained the same turbidity (100%) after incubation with modified venom, in contrast with pbb-free membranes that showed a 15% size decrease. This size decrease was interpreted as membrane degradation and was corroborated by a 50% rhodamine leak-out. Another fact that confirmed our interpretation was the observed 100% inhibition of the hemolytic activity after venom modification with pbb and NBS (S-A-BV). When S-A-BV interacted with liposomes, other protein conformational changes were observed and characterized by the increase of 1.93% on S-A-BV alpha-helical content and the presence of tryptophan residues in a more hydrophobic environment. In other words, the S-A-BV interacted with liposomal membranes, but this interaction was not effective to cause aggregation, leak-out, or fusion. A stable formulation composed by S-A-BV encapsulated within liposomes composed by SPC:Cho:pbb, at a ratio of 26:7:1, was devised. Large unilamellar vesicles of 202.5 nm with a negative surface charge (-24.29 mV) encapsulated 95% of S-A-BV. This formulation can, now, be assayed on VIT.

Hyperalgesic and edematogenic effects of peptides isolated from the venoms of honeybee (Apis mellifera) and neotropical social wasps (Polybia paulista and Protonectarina sylveirae)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Proteome and phosphoproteome of Africanized and European honeybee venoms

Honey bee venom toxins trigger immunological, physiological, and neurological responses within victims. The high occurrence of bee attacks involving potentially fatal toxic and allergic reactions in humans and the prospect of developing novel pharmaceuticals make honey bee venom an attractive target for proteomic studies. Using label-free quantification, we compared the proteome and phosphoproteome of the venom of Africanized honeybees with that of two European subspecies, namely Apis mellifera ligustica and A. m. carnica. From the total of 51 proteins, 42 were common to all three subspecies. Remarkably, the toxins melittin and icarapin were phosphorylated. In all venoms, icarapin was phosphorylated at the 205Ser residue, which is located in close proximity to its known antigenic site. Melittin, the major toxin of honeybee venoms, was phosphorylated in all venoms at the 10Thr and 18Ser residues. 18Ser phosphorylated melittin-the major of its two phosphorylated forms-was less toxic compared to the native peptide. © 2013 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Atividade anti-leishmania e imunomodulatória in vitro da melitina natural na infecção experimental por Leishmania (L.) infantum chagasi

Pós-graduação em Doenças Tropicais - FMB

Efeito de recurso floral na composição qualitativa de apitoxina

Pós-graduação em Zootecnia - FMVZ

Anti-genotoxicity and anti-mutagenicity of Apis mellifera venom

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Vasoconstrictor effect of Africanized honeybee (Apis mellifera L.) venom on rat aorta

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Hyperalgesic and edematogenic effects of Secapin-2, a peptide isolated from Africanized honeybee (Apis mellifera) venom

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Avaliação do potencial citotóxico, genotóxico e mutagênico da melitina em cultura de células

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Avaliação do potencial citotóxico, genotóxico e mutagênico da melitina em cultura de células

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Ion channels in mixed tethered bilayer lipid membranes

Mixed tethered bilayer lipid membranes (tBLMs) are described based on the self-assembly of a monolayer on template stripped gold, of an archea analogue thiolipid, 2,3-di-o-phytanyl-sn-glycerol-1-tetraethylene glycol-D,L--lipoic acid ester lipid (DPTL), and a newly designed dilution molecule, tetraethylene glycol-D,L--lipoic acid ester (TEGL). The usage of spacer and addition of extra dilution molecules between the substrate and the bilayer is that this architecture provides an ionic reservoir underneath the membrane, avoiding direct contact of the embedded membrane proteins with the gold electrodes and increasing the lateral diffusion of the bilayer, thus allowing for the incorporation of complex channels proteins which are failed in non-diluted systems. The tBLM is completed by fusion of liposomes made from a mixture of 1,2-diphythanolyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhyPC), cholesterol, and 1,2-diphytanoyl-sn-Glycero-3-phosphate (DPhyPG) in a molar ratio of 6:3:1. Varying the mixing ratio, the optimum mixing ratio was obtained at a dilution factor of DPTL and TEGL at 90%:10%. Only under these conditions, the mixed tBLM showed electrical properties, as shown by EIS, which are comparable to a BLM. With higher dilution factors, a defect-free lipid bilayer was not formed. Formation of bilayers have been characterized by different techniques, such as surface plasmon resonance (SPR), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), atomic force microscopy (AFM), and quartz crystal microbalance (QCM). Different proteins such as hemolysin, melittin, gramicidin, M2, Maxi-K, nAChR and bacteriohodopsin are incorporated into these tBLMs as shown by SPR and EIS studies. Ionic conductivity at 0 V vs. Ag|AgCl, 3M KCl were measured by EIS measurements. Our results indicate that these proteins have been successfully incorporated into a very stable tBLM environment in a functionally active form. Therefore, we conclude that the mixed tBLMs have been successfully designed as a general platform for biosensing and screening purposes of membrane proteins.

Phosphocreatine interacts with phospholipids, affects membrane properties and exerts membrane-protective effects

A broad spectrum of beneficial effects has been ascribed to creatine (Cr), phosphocreatine (PCr) and their cyclic analogues cyclo-(cCr) and phospho-cyclocreatine (PcCr). Cr is widely used as nutritional supplement in sports and increasingly also as adjuvant treatment for pathologies such as myopathies and a plethora of neurodegenerative diseases. Additionally, Cr and its cyclic analogues have been proposed for anti-cancer treatment. The mechanisms involved in these pleiotropic effects are still controversial and far from being understood. The reversible conversion of Cr and ATP into PCr and ADP by creatine kinase, generating highly diffusible PCr energy reserves, is certainly an important element. However, some protective effects of Cr and analogues cannot be satisfactorily explained solely by effects on the cellular energy state. Here we used mainly liposome model systems to provide evidence for interaction of PCr and PcCr with different zwitterionic phospholipids by applying four independent, complementary biochemical and biophysical assays: (i) chemical binding assay, (ii) surface plasmon resonance spectroscopy (SPR), (iii) solid-state (31)P-NMR, and (iv) differential scanning calorimetry (DSC). SPR revealed low affinity PCr/phospholipid interaction that additionally induced changes in liposome shape as indicated by NMR and SPR. Additionally, DSC revealed evidence for membrane packing effects by PCr, as seen by altered lipid phase transition. Finally, PCr efficiently protected against membrane permeabilization in two different model systems: liposome-permeabilization by the membrane-active peptide melittin, and erythrocyte hemolysis by the oxidative drug doxorubicin, hypoosmotic stress or the mild detergent saponin. These findings suggest a new molecular basis for non-energy related functions of PCr and its cyclic analogue. PCr/phospholipid interaction and alteration of membrane structure may not only protect cellular membranes against various insults, but could have more general implications for many physiological membrane-related functions that are relevant for health and disease.

Automated de novo sequencing of proteins by tandem high-resolution mass spectrometry

A de novo sequencing program for proteins is described that uses tandem MS data from electron capture dissociation and collisionally activated dissociation of electrosprayed protein ions. Computer automation is used to convert the fragment ion mass values derived from these spectra into the most probable protein sequence, without distinguishing Leu/Ile. Minimum human input is necessary for the data reduction and interpretation. No extra chemistry is necessary to distinguish N- and C-terminal fragments in the mass spectra, as this is determined from the electron capture dissociation data. With parts-per-million mass accuracy (now available by using higher field Fourier transform MS instruments), the complete sequences of ubiquitin (8.6 kDa) and melittin (2.8 kDa) were predicted correctly by the program. The data available also provided 91% of the cytochrome c (12.4 kDa) sequence (essentially complete except for the tandem MS-resistant region K13–V20 that contains the cyclic heme). Uncorrected mass values from a 6-T instrument still gave 86% of the sequence for ubiquitin, except for distinguishing Gln/Lys. Extensive sequencing of larger proteins should be possible by applying the algorithm to pieces of ≈10-kDa size, such as products of limited proteolysis.

Étude des mécanismes d’extraction lipidique par le peptide mélittine et la protéine BSP1

Les peptides et protéines extracteurs de lipides (PEL) se lient aux membranes lipidiques puis en extraient des lipides en formant de plus petits auto-assemblages, un phénomène qui peut aller jusqu'à la fragmentation des membranes. Dans la nature, cette extraction se produit sur une gamme de cellules et entraîne des conséquences variées, comme la modification de la composition de la membrane et la mort de la cellule. Cette thèse se penche sur l’extraction lipidique, ou fragmentation, induite par le peptide mélittine et la protéine Binder-of-SPerm 1 (BSP1) sur des membranes lipidiques modèles. Pour ce faire, des liposomes de différentes compositions sont préparés et incubés avec la mélittine ou la BSP1. L'association aux membranes est déterminée par la fluorescence intrinsèque des PEL, tandis que l'extraction est caractérisée par une plateforme analytique combinant des tests colorimétriques et des analyses en chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LCMS). La mélittine fait partie des peptides antimicrobiens cationiques, un groupe de PEL très répandu chez les organismes vivants. Ces peptides sont intéressants du point du vue médical étant donné leur mode d’action qui vise directement les lipides des membranes. Plusieurs de ceux-ci agissent sur les membranes des bactéries selon le mécanisme dit « en tapis », par lequel ils s’adsorbent à leur surface, forment des pores et ultimement causent leur fragmentation. Dans cette thèse, la mélittine est utilisée comme peptide modèle afin d’étudier le mécanisme par lequel les peptides antimicrobiens cationiques fragmentent les membranes. Les résultats montrent que la fragmentation des membranes de phosphatidylcholines (PC) est réduite par une déméthylation graduelle de leur groupement ammonium. L'analyse du matériel fragmenté révèle que les PC sont préférentiellement extraites des membranes, dû à un enrichissement local en PC autour de la mélittine à l'intérieur de la membrane. De plus, un analogue de la mélittine, dont la majorité des résidus cationiques sont neutralisés, est utilisé pour évaluer le rôle du caractère cationique de la mélittine native. La neutralisation augmente l'affinité du peptide pour les membranes neutres et anioniques, réduit la fragmentation des membranes neutres et augmente la fragmentation des membranes anioniques. Malgré les interactions électrostatiques entre le peptide cationique et les lipides anioniques, aucune spécificité lipidique n'est observée dans l'extraction. La BSP1 est la protéine la plus abondante du liquide séminal bovin et constitue un autre exemple de PEL naturel important. Elle se mélange aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et extrait des lipides de leur membrane, notamment le cholestérol et les phosphatidylcholines. Cette étape cruciale modifie la composition lipidique de la membrane du spermatozoïde, ce qui faciliterait par la suite la fécondation de l’ovule. Cependant, le contact prolongé de la protéine avec les spermatozoïdes endommagerait la semence. Cette thèse cherche donc à approfondir notre compréhension de ce délicat phénomène en étudiant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine fragmente les membranes lipidiques. Les résultats des présents travaux permettent de proposer un mécanisme d’extraction lipidique en 3 étapes : 1) L'association à l’interface des membranes; 2) La relocalisation de l’interface vers le cœur lipidique; 3) La fragmentation des membranes. La BSP1 se lie directement à deux PC à l'interface; une quantité suffisante de PC dans les membranes est nécessaire pour permettre l'association et la fragmentation. Cette liaison spécifique ne mène généralement pas à une extraction lipidique sélective. L'impact des insaturations des chaînes lipidiques, de la présence de lysophosphatidylcholines, de phosphatidyléthanolamine, de cholestérol et de lipides anioniques est également évalué. Les présentes observations soulignent la complexe relation entre l'affinité d'un PEL pour une membrane et le niveau de fragmentation qu'il induit. L'importance de la relocalisation des PEL de l'interface vers le cœur hydrophobe des membranes pour permettre leur fragmentation est réitérée. Cette fragmentation semble s'accompagner d'une extraction lipidique préférentielle seulement lorsqu'une séparation de phase est induite au niveau de la membrane, nonobstant les interactions spécifiques PEL-lipide. Les prévalences des structures amphiphiles chez certains PEL, ainsi que de la fragmentation en auto-assemblages discoïdaux sont discutées. Finalement, le rôle des interactions électrostatiques entre les peptides antimicrobiens cationiques et les membranes bactériennes anioniques est nuancé : les résidus chargés diminueraient l'association des peptides aux membranes neutres suite à l'augmentation de leur énergie de solvatation.

Étude des mécanismes d’extraction lipidique par le peptide mélittine et la protéine BSP1

Les peptides et protéines extracteurs de lipides (PEL) se lient aux membranes lipidiques puis en extraient des lipides en formant de plus petits auto-assemblages, un phénomène qui peut aller jusqu'à la fragmentation des membranes. Dans la nature, cette extraction se produit sur une gamme de cellules et entraîne des conséquences variées, comme la modification de la composition de la membrane et la mort de la cellule. Cette thèse se penche sur l’extraction lipidique, ou fragmentation, induite par le peptide mélittine et la protéine Binder-of-SPerm 1 (BSP1) sur des membranes lipidiques modèles. Pour ce faire, des liposomes de différentes compositions sont préparés et incubés avec la mélittine ou la BSP1. L'association aux membranes est déterminée par la fluorescence intrinsèque des PEL, tandis que l'extraction est caractérisée par une plateforme analytique combinant des tests colorimétriques et des analyses en chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LCMS). La mélittine fait partie des peptides antimicrobiens cationiques, un groupe de PEL très répandu chez les organismes vivants. Ces peptides sont intéressants du point du vue médical étant donné leur mode d’action qui vise directement les lipides des membranes. Plusieurs de ceux-ci agissent sur les membranes des bactéries selon le mécanisme dit « en tapis », par lequel ils s’adsorbent à leur surface, forment des pores et ultimement causent leur fragmentation. Dans cette thèse, la mélittine est utilisée comme peptide modèle afin d’étudier le mécanisme par lequel les peptides antimicrobiens cationiques fragmentent les membranes. Les résultats montrent que la fragmentation des membranes de phosphatidylcholines (PC) est réduite par une déméthylation graduelle de leur groupement ammonium. L'analyse du matériel fragmenté révèle que les PC sont préférentiellement extraites des membranes, dû à un enrichissement local en PC autour de la mélittine à l'intérieur de la membrane. De plus, un analogue de la mélittine, dont la majorité des résidus cationiques sont neutralisés, est utilisé pour évaluer le rôle du caractère cationique de la mélittine native. La neutralisation augmente l'affinité du peptide pour les membranes neutres et anioniques, réduit la fragmentation des membranes neutres et augmente la fragmentation des membranes anioniques. Malgré les interactions électrostatiques entre le peptide cationique et les lipides anioniques, aucune spécificité lipidique n'est observée dans l'extraction. La BSP1 est la protéine la plus abondante du liquide séminal bovin et constitue un autre exemple de PEL naturel important. Elle se mélange aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et extrait des lipides de leur membrane, notamment le cholestérol et les phosphatidylcholines. Cette étape cruciale modifie la composition lipidique de la membrane du spermatozoïde, ce qui faciliterait par la suite la fécondation de l’ovule. Cependant, le contact prolongé de la protéine avec les spermatozoïdes endommagerait la semence. Cette thèse cherche donc à approfondir notre compréhension de ce délicat phénomène en étudiant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine fragmente les membranes lipidiques. Les résultats des présents travaux permettent de proposer un mécanisme d’extraction lipidique en 3 étapes : 1) L'association à l’interface des membranes; 2) La relocalisation de l’interface vers le cœur lipidique; 3) La fragmentation des membranes. La BSP1 se lie directement à deux PC à l'interface; une quantité suffisante de PC dans les membranes est nécessaire pour permettre l'association et la fragmentation. Cette liaison spécifique ne mène généralement pas à une extraction lipidique sélective. L'impact des insaturations des chaînes lipidiques, de la présence de lysophosphatidylcholines, de phosphatidyléthanolamine, de cholestérol et de lipides anioniques est également évalué. Les présentes observations soulignent la complexe relation entre l'affinité d'un PEL pour une membrane et le niveau de fragmentation qu'il induit. L'importance de la relocalisation des PEL de l'interface vers le cœur hydrophobe des membranes pour permettre leur fragmentation est réitérée. Cette fragmentation semble s'accompagner d'une extraction lipidique préférentielle seulement lorsqu'une séparation de phase est induite au niveau de la membrane, nonobstant les interactions spécifiques PEL-lipide. Les prévalences des structures amphiphiles chez certains PEL, ainsi que de la fragmentation en auto-assemblages discoïdaux sont discutées. Finalement, le rôle des interactions électrostatiques entre les peptides antimicrobiens cationiques et les membranes bactériennes anioniques est nuancé : les résidus chargés diminueraient l'association des peptides aux membranes neutres suite à l'augmentation de leur énergie de solvatation.