Bacterial membrane vesicles (MVs) · Membranvesikelzur Enzym-Immobilisierung Beispiel:...

Bacterial membrane vesicles (MVs)

Saarbrücken, 01.02.2017

Seminarvortrag

Raphaela Fricke

> Überblick

Einleitung:

- Eigenschaften und Merkmale

- Biogenese

Anwendungen:

Seite

- MVs als Antigene

- Immobilisierung von Enzymen

- Einsatz in der Krebstherapie

Fazit

Seminarvortrag Raphaela Fricke 201.02.2017

Berleman, James; Auer, Manfred (2013): The role of

bacterial outer membrane vesicles for intra- and

interspecies delivery. In: Environmental microbiology

15 (2), S. 347–354

> Einleitung

Membranvesikel

- Keine „echten“ Zellen

- Kugelförmige Bilayer

- Zwischen 10 und 300 nm Durchmesser

SeiteSeminarvortrag Raphaela Fricke 301.02.2017

- Natürlicher Weise von Gram-negativen

Bakterien gebildet

- Funktion bei interzellulärer Interaktion

- Ähnliches Verhalten wie das eines Virus‘

� vielversprechende Eigenschaften für vielerlei Anwendungen

> Einleitung

Membranvesikel – Biogenese

3 Hauptmodelle

I) Verlust oder Relokalisierung von kovalenten Bindungen zwischen der

Membran und der darunter liegenden Peptidoglykanschicht


Membran und der darunter liegenden Peptidoglykanschicht

II) Akkumulation von Peptidoglykan-Fragmenten oder misgefaltete

Proteine im periplasmatischen Raum � Turgordruck auf die

Membran, sodass diese sich ausbeult und abschnürt

III) Anreicherung von Membran-krümmenden Molekülen

> Anwendung

Membranvesikel als Antigene

- Sowohl Membranproteine als auch proteinogene Virulenzfaktoren in MVs

enthalten

� Auslösung einer Immunantwort durch MVs

- Hohes Potential für MVs als potentielle Antigene für die


- Hohes Potential für MVs als potentielle Antigene für die

Impfstoffproduktion

- Aufreinigung und Isolation von Antigenen in hoher Quantität oft aufwändig

- Erzeugung von MVs, die das gewünschte Antigen enthalten � Subunit-

Impfstoffe

- Aufreinigung von MVs durch einfache Ultrazentrifugation

Abera Bioscience AB | Horn International. Online verfügbar unter http://hornonline.com/abera-bioscience-ab/, zuletzt geprüft am 31.01.2017.

> Anwendung

Membranvesikel zur Enzym-Immobilisierung

- Immobilisierung von Zellen oder Enzymen ist schon länger eine gängige

Technik (mittels Harz)

- Vorteile: Wiederverwertbarkeit und effektiver Transport der

Biokatalysatoren zum Reaktor


- Immer weitere Ansätze zur Immobilisierung werden gesucht

- MVs tragen die Enzyme entweder im Inneren, auf der Oberfläche oder in

den Membranen selbst � anders als konventionelle Ansätze

- MVs sind sehr viel kleiner � Nanocarrier für Biokatalysatoren

� Zu beachten: Lokalisation und Größe der Enzyme!

> Anwendung

Membranvesikel zur Enzym-ImmobilisierungBeispiel: Meiothermus thermoruber bildet MVs mit keratolytische Proteasen

� MVs haben einen protektiven Effekt für diese Proteasen

Ziel: Modifizierung des Gens für die keratolytische Protease, sodass eine

größere Menge durch Proteinfusion an MVs gelangt


größere Menge durch Proteinfusion an MVs gelangt

> Anwendung

Membranvesikel als Krebstherapeutika

- Bakterielle MVs haben eine große Ähnlichkeit zu Exosomen von

Säugerzellen

- Exosomen beinhalten unter anderem miRNAs oder siRNAs

� diese können die Genexpression in Target-Zellen posttranslational

beeinflussen oder kontrollieren


beeinflussen oder kontrollieren

- Jedoch: kein Anzeichen dieser RNAs in bakteriellen MVs

- Bisher nur wenig klinische Anwendungen, da

entsprechende Transportsysteme fehlten

� großes Potential für MVs

http://www.phri.org/news/news_publication

s.asp, zuletzt geprüft am 31.01.2017

> Anwendung


Ansatz: Exosomen, die miRNA/siRNA beinhalten, als Therapie gegen

verschiedene Krebsformen

- Bisher: künstliche Liposomen als effiziente Transporter


- Bisher: künstliche Liposomen als effiziente Transporter

- Wahrscheinlichkeit jedoch höher eine Immunantwort auszulösen

� Exosomen besitzen größeres Potential für den Wirkstofftransport als

natürliche Träger

� Ersetzten von Exosomen durch MVs

� Erzeugung von MVs, die antikanzerogene miRNAs oder siRNAs laden

� Inhibierung von metastatischen Tumorzellen

> Anwendung


Anwendungsbeispiel

- Zellspezifische Markierung und Abtötung von Krebszellen durch siRNA die

das kinesin spindle protein (KSP) inhibiert


- Mutierter E.coli Stamm:

� MVs tragen human epidermal growth factor receptor 2 (HER2)-

spezifischen Affibody in der Membran (als Liganden)

- Injektion von siRNA-bepackten MVs führt zu markiertem Gene silencing

> Anwendung


- Exosomen mit miRNA

- Transmempranrezeptor mit GE11-Peptid

fusioniert (blaue Balken mit schwarzem

Dreieck)


Dreieck)

- weiße Dreiecke: EGF-Rezeptoren

�GE11 bindet an EGF-Rezeptor des

Krebsgewebes

�Zytotoxischer Effekt und Inhibierung

der Tumorentwicklung

> Anwendung


Vorteile Nachteile

Target-spezifische Behandlung möglich Bisher nur am Tiermodell getestet

Möglichkeit der variablen Beladung Keine genauen Kenntnisse über Biogenese


Möglichkeit der variablen Beladung Keine genauen Kenntnisse über Biogenese

Large-scale Produktion möglich durch kostengünstige Bakterienfermentation

Noch sehr wenig erforscht

Wegen der Spezifität nur wenig Nebenwirkungen (großer Faktor in der Krebstherapie!)

> Zusammenfassung

Fazit

3 Methoden zur Anwendung von MVs

- Membranvesikel als Antigene

- Für die Immobilisierung und den Transport in der Biotechnologie

- Als Nanomedizin für zellspezifischen Wirkstofftransport


- Als Nanomedizin für zellspezifischen Wirkstofftransport

- Für die Zukunft werden noch viele weitere Anwendungen erwartet

� dafür notwendig: mehr Informationen und somit erweitertes Verständnis

von bakteriellen Membranvesikeln

> Quellen

Watanabe, Kunihiko (2016): Bacterial membrane vesicles (MVs): novel tools as nature- and nano-carriers forimmunogenic antigen, enzyme support, and drug delivery. In: Applied microbiology and biotechnology 100 (23), S. 9837–9843. DOI: 10.1007/s00253-016-7916-7

Roier, Sandro; Zingl, Franz G.; Cakar, Fatih; Durakovic, Sanel; Kohl, Paul; Eichmann, Thomas O. et al. (2016): A novel mechanism for the biogenesis of outer membrane vesicles in Gram-negative bacteria. In: Nature communications 7, S. 10515. DOI: 10.1038/ncomms10515

Bas van de Waterbeemd: Next-Generation Outer Membrane Vesicle Vaccines. Online verfügbar unter http://www.wur.nl/en/show/Bas-van-de-Waterbeemd-NextGeneration-Outer-Membrane-Vesicle-Vaccines.htm, zuletzt geprüft am 24.01.2017

McMahon, Kenneth J.; Castelli, Maria E.; Vescovi, Eleonora García; Feldman, Mario F. (2012): Biogenesis ofOuter Membrane Vesicles in Serratia marcescens Is Thermoregulated and Can Be Induced by Activation ofthe Rcs Phosphorelay System. In: J. Bacteriol. 194 (12), S. 3241–3249. DOI: 10.1128/JB.00016-12.

Gujrati, Vipul; Kim, Sunghyun; Kim, Sang-Hyun; Min, Jung Joon; Choy, Hyon E.; Kim, Sun Chang; Jon,

Seite

Gujrati, Vipul; Kim, Sunghyun; Kim, Sang-Hyun; Min, Jung Joon; Choy, Hyon E.; Kim, Sun Chang; Jon, Sangyong (2014): Bioengineered bacterial outer membrane vesicles as cell-specific drug-delivery vehicles forcancer therapy. In: ACS nano 8 (2), S. 1525–1537. DOI: 10.1021/nn405724x.

Kulp, Adam; Kuehn, Meta J. (2010): Biological functions and biogenesis of secreted bacterial outer membrane vesicles. In: Annual review of microbiology 64, S. 163–184. DOI: 10.1146/annurev.micro.091208.073413.

Kaparakis-Liaskos, Maria; Ferrero, Richard L. (2015): Immune modulation by bacterial outer membranevesicles. In: Nature reviews. Immunology 15 (6), S. 375–387. DOI: 10.1038/nri3837.

Marra, Emanuele; Palombo, Fabio; Ciliberto, Gennaro; Aurisicchio, Luigi (2013): Kinesin spindle proteinSiRNA slows tumor progression. In: Journal of cellular physiology 228 (1), S. 58–64. DOI: 10.1002/jcp.24103.

U.S. Department of Health and Human Services (2017): Vaccines.gov. U.S. Department of Health and Human Services. Online verfügbar unter https://www.vaccines.gov/basics/types/index.html#subunit, zuletztaktualisiert am 23.01.2017, zuletzt geprüft am 24.01.2017

Seminarvortrag Raphaela Fricke1701.02.2017

Seite

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

Seminarvortrag Raphaela Fricke 1801.02.2017

Bas van de Waterbeemd: Next-Generation Outer Membrane Vesicle Vaccines. Online

verfügbar unter http://www.wur.nl/en/show/Bas-van-de-Waterbeemd-NextGeneration-

Outer-Membrane-Vesicle-Vaccines.htm, zuletzt geprüft am 24.01.2017

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