Endozomální únik: Mechanismus a vylepšení cíleného transportu léčiv

• Thesis title in Czech: Endozomální únik: Mechanismus a vylepšení cíleného transportu léčiv
• Thesis title in English: Endosomal Escape: Mechanism and Improved Drug Delivery
• Key words: biofyzika membrán|molekulární dynamika|cílený transport léčiv|endozomální únik|fluorescenční mikroskopie|kryoelektronová mikroskopie
• English key words: membrane biophysics|molecular dynamics|drug delivery|endosomal escape|fluorescence microscopy|cryo-electron microscopy
• Academic year of topic announcement: 2024/2025
• Thesis type: dissertation
• Department: Mathematical Institute of Charles University (32-MUUK)
• Supervisor: Christoph Allolio, Ph.D.

Guidelines

1. Pomocí molekulární dynamiky simulovat chování peptidů pronikajících buněčnou membránou, zvláště jejich interakci s endozomálními lipidy
2. Využít modely z mechaniky kontinua k porozumění možných únikových mechanismů a jejich energetické struktuře
3. Otestovat hypotézy ve spolupráci s našimi experimentátory, převážně pomocí jednoduchých fluorescenčních biofyzikálních metod
4. Navrhnout nové způsoby umožňující cílení léčiv
5. Dosažené výsledky publikovat v impaktovaných časopisech a prezentovat je na mezinárodních konferencích

References

[1] C. Allolio, A. Magarkar, P. Jurkiewicz, K. Baxova, P. E. Mason, R.
Šachl, M. Cebecauer, M. Hof, D. Horinek, V. Heinz, R. Rachel, C. Ziegler,
A. Schrofel, P. Jungwirth Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 115, 11923-11928
 (2018)

[2] A. Sahni, Z. Qian, and D. Pei ACS Chem. Biol. 15, 9, 2485–2492 (2020)

[3] C. Allolio, D. Harries ACS Nano 15 (8), 12880-12887 (2021)

Preliminary scope of work

Mnoho biokonjugovaných léčiv zůstává po endocytóze uvězněno v endosomech a ta tím pádem nejsou schopna dostat se ke svému zamýšleném cíli v cytosolu. Peptidy pronikající buněčnou membránou mohou, za vysoké koncentrace, přetvořit endozomálními lipidovou membránu, což by mohlo léčivu pomoci vypučet z endosomu a tak ho uvolnit. Některé detaily tohoto mechanismu jsou dobře pozorovatelné pomocí velmi detailní mikroskopie. Máme přístup k na zakázku vyrobeným činidlům spouštějícím endozomální únik, poskytnutým ÚMCH AV ČR, které vykazují slibné výsledky dávající naději na zvýšení účinnosti endozomálního úniku.

Naším cílem je systematické testování mechanismů a účinnosti těchto činidel. Pro teoretický popis a modelování deformace membrány, včetně pučení a prehradečného dělení, může být použita Helfrich-Hamm-Kozlov (HHK) teorie elastických membrán. Díky nedávnému pokroku je nyní možné získat materiálové parametry této teorie za pomoci molekulárních simulací. Vedoucí práce sestavil řešič umožňující simulovat náročné komplexní deformace membrán.

Tato disertační práce si klade za cíl teoretické i experimentální objasnění mechanismů endosomalního úniku a získaný vhled využít při návrhu účinnějších cílených léčiv.

Preliminary scope of work in English

After endocytosis many bioconjugate drugs remain trapped in endosomes, consequently they cannot reach their targets in the cytosol. Cell penetrating peptides can - at high concentrations remodel the endosomal lipid membrane, in a mechanism that might allow endosomal escape via
budding. Some of the details of this mechanism are visible in superresolution microscopy. We have access to custom-made endosomal escape agents from the IMC of the CAS, which show some promise in improving efficacy of endosomal escape. We aim to systematically probe
the mechanism and efficacy of these agents. From a theoretical point of view, membrane deformations, including budding and fission, can be modeled using the Helfrich-Hamm-Kozlov (HHK) theory of curvature elasticity. Recent advances allow to extract the parameters of this
theory from molecular dynamics simulations. The PI has prepared a solver to deal with challenging deformations. This PhD thesis is a joint theoretical and experimental effort to understand the mechanism of endosomal escape and use our insights to improve drug delivery.