ITMI20081056A1 - NANOSPUGNE BASED ON CYCLODESTRINE AS SUPPORT FOR BIOLOGICAL CATALYSTS AND IN THE VEHICLE AND RELEASE OF ENZYMES, PROTEINS, VACCINES AND ANTIBODIES - Google Patents

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Description

Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente per titolo: Description of the patent for industrial invention entitled:

“NANOSPUGNE A BASE DI CICLODESTRINE COME SUPPORTO PER CATALIZZATORI BIOLOGICI E NELLA VEICOLAZIONE E RILASCIO DI ENZIMI, PROTEINE, VACCINI ED ANTICORPI” "CYCLODEXTRIN-BASED NANOSPONGES AS SUPPORT FOR BIOLOGICAL CATALYSTS AND IN THE VEHICULATION AND RELEASE OF ENZYMES, PROTEINS, VACCINES AND ANTIBODIES"

La presente invenzione riguarda l’uso di nanospugne di ciclodestrine come supporti per enzimi, proteine, vaccini o anticorpi, un processo per la preparazione di enzimi supportati da tali nanospugne e catalizzatori ottenibili da tale processo. The present invention relates to the use of cyclodextrin nanosponges as supports for enzymes, proteins, vaccines or antibodies, a process for the preparation of enzymes supported by such nanosponges and catalysts obtainable from this process.

Stato della tecnica State of the art

Le proteine svolgono numerose funzioni, quali il trasporto dell’ossigeno, il mantenimento della struttura di alcuni tessuti, il ricevimento e la trasduzione di segnali nella cellula, la risposta immunitaria e la catalisi nei processi metabolici. Questa ultima funzione è assolta dagli enzimi, che sono classificati in sei classi sulla base della reazione generica che catalizzano. Proteins perform numerous functions, such as the transport of oxygen, the maintenance of the structure of some tissues, the reception and transduction of signals in the cell, the immune response and catalysis in metabolic processes. This last function is performed by enzymes, which are classified into six classes on the basis of the generic reaction they catalyze.

Molti processi industriali di trasformazione chimica presentano svantaggi operativi. Reazioni non specifiche portano a basse rese, la necessità di operare spesso ad alte temperature e pressioni richiede il consumo di elevate quantità di energia e nel processo di “downstream” una grandissima quantità d’acqua per il raffreddamento. Gli stessi reattori devono spesso essere costruiti in materiali resistenti alle drastiche condizioni di reazione di temperatura, pressione, acidità o alcalinità con conseguente aggravio di costi impiantistici. Many industrial chemical transformation processes have operational disadvantages. Non-specific reactions lead to low yields, the need to often operate at high temperatures and pressures requires the consumption of high amounts of energy and in the "downstream" process a very large amount of water for cooling. The reactors themselves must often be built in materials resistant to the drastic reaction conditions of temperature, pressure, acidity or alkalinity with a consequent increase in plant costs.

Tutti questi svantaggi possono essere eliminati o notevolmente ridotti usando gli enzimi come catalizzatori biologici. Infatti, essi operano in condizioni di reazione blande, hanno una elevata velocità di reazione e sono altamente specifici. Data la loro efficienza, sono richieste solo piccole quantità di enzima per trasformare grandi volumi di reagenti. Essi hanno un effetto benefico sull’ambiente in quanto riducono il consumo energetico e riducono la produzione di inquinanti. All these disadvantages can be eliminated or greatly reduced by using enzymes as biological catalysts. In fact, they operate under mild reaction conditions, have a high reaction rate and are highly specific. Given their efficiency, only small amounts of the enzyme are required to transform large volumes of reagents. They have a beneficial effect on the environment as they reduce energy consumption and reduce the production of pollutants.

Gli sviluppi nella ingegneria genetica hanno permesso di incrementare la stabilità, l’economicità e la specificità degli enzimi ed il numero delle loro applicazioni industriali è in continuo aumento. Developments in genetic engineering have made it possible to increase the stability, economy and specificity of enzymes and the number of their industrial applications is constantly increasing.

Esempi di enzimi industrialmente utili comprendono alfa amilasi, tripsina, cellulasi e pectinasi per i processi di chiarificazione dei succhi di frutta, ligninasi per degradare la lignina, lipasi nell’industria della detergenza e nella produzione di biodiesel ecc. Examples of industrially useful enzymes include alpha amylase, trypsin, cellulase and pectinase for the clarification processes of fruit juices, ligninase to degrade lignin, lipase in the detergency industry and in the production of biodiesel, etc.

Gli enzimi, come del resto tutti i catalizzatori, possono essere impiegati o in fase omogenea (catalisi omogenea) o in fase eterogenea (catalisi eterogenea). The enzymes, like all the catalysts, can be used either in the homogeneous phase (homogeneous catalysis) or in the heterogeneous phase (heterogeneous catalysis).

Nel primo caso, il catalizzatore si trova nella medesima fase (liquida) dei reagenti e dei prodotti di reazione. La catalisi omogenea è caratterizzata da una elevata selettività, una grande attività, una costante riproducibilità. I principali svantaggi di questa tecnica consistono in una vita breve del catalizzatore, nel suo possibile avvelenamento ed inoltre nella difficoltà di separare i prodotti di reazione dal catalizzatore e nel riciclo di quest’ultimo sempre problematico. In the first case, the catalyst is in the same (liquid) phase as the reactants and reaction products. Homogeneous catalysis is characterized by a high selectivity, a great activity, a constant reproducibility. The main disadvantages of this technique consist in a short life of the catalyst, in its possible poisoning and also in the difficulty of separating the reaction products from the catalyst and in the recycling of the latter, which is always problematic.

Nella catalisi eterogenea, invece, il catalizzatore viene a trovarsi in una fase differente rispetto a quella che ospita reagenti e prodotti di reazione. In questo caso la separazione dei prodotti di reazione è agevole e si può lavorare in flusso continuo. Spesso però si osserva una minore selettività ed attività dell’enzima utilizzato. In heterogeneous catalysis, on the other hand, the catalyst is in a different phase than the one hosting reactants and reaction products. In this case the separation of the reaction products is easy and it is possible to work in a continuous flow. However, less selectivity and activity of the enzyme used is often observed.

Le prestazioni catalitiche dell’enzima eterogeneizzato dipendono sia dal substrato utilizzato che dalle tecniche di immobilizzazione. Poiché l’attività catalitica dipende sensibilmente dalla corretta orientazione del sito attivo, l’immobilizzazione dell’enzima deve essere eseguita in modo da minimizzare le modifiche al sito catalitico. La superficie sulla quale l’enzima è supportato è responsabile della ritenzione della struttura dell’enzima ed il micro ambiente di reazione che si viene a creare può anche modificare i campi di impiego dell’enzima, ad esempio allargare l’intervallo operativo di pH. The catalytic performance of the heterogenized enzyme depends on both the substrate used and the immobilization techniques. Since the catalytic activity significantly depends on the correct orientation of the active site, the immobilization of the enzyme must be performed in such a way as to minimize changes to the catalytic site. The surface on which the enzyme is supported is responsible for the retention of the enzyme structure and the micro reaction environment that is created can also modify the fields of use of the enzyme, for example, to widen the operating range of pH.

Sono conosciute tre tecniche di immobilizzazione: Three immobilization techniques are known:

1) interazioni con supporti (adsorbimento fisico, legame ionico, legame covalente); 1) interactions with supports (physical adsorption, ionic bond, covalent bond);

2) reticolazione; 2) crosslinking;

3) intrappolamento. 3) entrapment.

In modo particolare, l’adsorbimento fisico è solitamente il metodo più semplice per immobilizzare gli enzimi. L’enzima risulta legato al supporto tramite legami idrogeno, salini e di Van der Waals. Tuttavia, poiché queste interazioni sono deboli, spesso si osserva un desorbimento dell’enzima in relazione al cambiamento di temperatura, pH, forza ionica od addirittura a causa del substrato utilizzato. In particular, physical adsorption is usually the simplest method to immobilize enzymes. The enzyme is linked to the support through hydrogen, saline and Van der Waals bonds. However, since these interactions are weak, desorption of the enzyme is often observed in relation to the change in temperature, pH, ionic strength or even due to the substrate used.

È ben noto, inoltre, che proteine, peptidi, enzimi e loro derivati possono essere impiegati in campo biomedico e terapeutico. Gli enzimi proteolitici possono essere adoperati per la cura del cancro o per trattare la mucopolisaccaridosi di tipo I, mentre DNA e oligonucleotidi sono usati ad esempio nella terapia genica. La somministrazione di tali molecole presenta diverse problematiche e limiti. La maggior parte dei farmaci di natura proteica sono difatti scarsamente assorbiti attraverso le membrane biologiche per la combinazione di diversi fattori quali le dimensioni molecolari elevate, la natura idrofila, la ionicità, l’alta carica superficiale, l’instabilità sia chimica sia enzimatica e la bassa permeabilità attraverso le mucose. Le molecole di natura proteica, in seguito a somministrazione endovenosa, mostrano una rapida “clearance” sanguigna, una significativa capacità di legarsi alle proteine plasmatiche e una notevole sensibilità verso gli enzimi proteolitici. La via orale presenta l’inconveniente di una scarsa biodisponibilità. Per l’impiego in terapia ci sono diversi approcci, come ad esempio un incremento della dose o l’uso di promotori di assorbimento, che possono dare problemi di tossicità, o vie di somministrazione alternative. Sono stati sviluppati diversi sistemi per la veicolazione di enzimi e proteine, quali ad esempio nano- e micro-particelle, liposomi, idrogeli. La veicolazione in un sistema particolato può proteggere le proteine dalla degradazione, modificarne la farmacocinetica e migliorarne la stabilità in vivo. It is also well known that proteins, peptides, enzymes and their derivatives can be used in the biomedical and therapeutic fields. Proteolytic enzymes can be used to treat cancer or to treat type I mucopolysaccharidosis, while DNA and oligonucleotides are used for example in gene therapy. The administration of these molecules presents various problems and limitations. Most of the protein drugs are in fact poorly absorbed through biological membranes due to the combination of various factors such as high molecular size, hydrophilic nature, ionicity, high surface charge, both chemical and enzymatic instability and low permeability through the mucous membranes. The molecules of a protein nature, following intravenous administration, show a rapid blood "clearance", a significant ability to bind to plasma proteins and a remarkable sensitivity towards proteolytic enzymes. The oral route has the drawback of poor bioavailability. For use in therapy there are different approaches, such as an increase in the dose or the use of absorption promoters, which can cause toxicity problems, or alternative routes of administration. Various systems have been developed for the delivery of enzymes and proteins, such as for example nano- and micro-particles, liposomes, hydrogels. The delivery in a particulate system can protect proteins from degradation, modify their pharmacokinetics and improve their stability in vivo.

Le ciclodestrine (CD) sono oligosaccaridi ciclici non riducenti costituiti da 6-8 molecole di glucosio legate con legame 1,4-α-glucosidico, aventi una caratteristica struttura a tronco di cono. La disposizione dei gruppi funzionali delle molecole di glucosio è tale per cui la superficie della molecola è polare mentre la cavità interna risulta essere relativamente lipofila. Cyclodextrins (CDs) are non-reducing cyclic oligosaccharides made up of 6-8 glucose molecules linked with 1,4-α-glucosidic bond, having a characteristic truncated cone structure. The arrangement of the functional groups of the glucose molecules is such that the surface of the molecule is polar while the internal cavity is relatively lipophilic.

La cavità lipofila conferisce alle CD la capacità di formare complessi di inclusione stabili anche in soluzione con molecole organiche di adatta polarità e dimensione. The lipophilic cavity gives the CD the ability to form stable inclusion complexes even in solution with organic molecules of suitable polarity and size.

Per questo motivo, le CD sono state studiate e presentano numerose applicazioni in vari campi (farmaceutica, analitica, catalisi, cosmetica ecc.) in cui si sfruttano le caratteristiche dei composti di inclusione. For this reason, CDs have been studied and have numerous applications in various fields (pharmaceuticals, analytics, catalysis, cosmetics, etc.) in which the characteristics of inclusion compounds are exploited.

In queste applicazioni sono però in genere utilizzate le ciclodestrine native oppure chimicamente modificate, ma mai polimeri reticolati insolubili. In these applications, however, native or chemically modified cyclodextrins are generally used, but never insoluble cross-linked polymers.

Le nanospugne sono polimeri reticolati di ciclodestrine con diversi legami che si sono dimostrate molto utili in diverse applicazioni che vanno dalla decontaminazione ambientale alla veicolazione e rilascio controllato di farmaci. Nanosponges are cross-linked cyclodextrin polymers with different bonds that have proved very useful in various applications ranging from environmental decontamination to the delivery and controlled release of drugs.

Descrizione dell’invenzione Description of the invention

Si è ora trovato che le nanospugne di ciclodestrine sono un supporto particolarmente adatto all’adsorbimento di proteine, enzimi, anticorpi e macromolecole in genere. Utilizzando in particolare gli enzimi, è stato possibile conservarne l’attività e l’efficienza, prolungarne nel tempo l’operatività, estenderne l’intervallo di pH e di temperatura di attività oltre che permettere la conduzione di processi in flusso continuo. Inoltre, è possibile veicolare proteine ed altre macromolecole adsorbendole o incapsulandole in nanospugne di ciclodestrine. L’interazione tra proteine e nanospugne permette la formulazione di sistemi a rilascio prolungato e controllato nel tempo. It has now been found that cyclodextrin nanosponges are a particularly suitable support for the adsorption of proteins, enzymes, antibodies and macromolecules in general. Using enzymes in particular, it was possible to preserve their activity and efficiency, prolong their operation over time, extend the pH and temperature range of activity as well as allow the conduct of processes in continuous flow. Furthermore, it is possible to convey proteins and other macromolecules by adsorbing or encapsulating them in cyclodextrin nanosponges. The interaction between proteins and nanosponges allows the formulation of prolonged and controlled release systems over time.

Le nanospugne utilizzabili secondo l’invenzione sono descritte ad esempio in WO 2006/002814, preparate facendo reagire ciclodestrine naturali con carbonati organici in assenza di solventi e irradiando o meno con ultrasuoni. Sorprendentemente è stato possibile ottenere nanospugne sia strutturalmente amorfe sia con significativo grado di cristallinità (Figura 1a e 1b). Sono altresì utilizzabili altri tipi di nanospugne, ottenibili per reazione di una ciclodestrina con un crosslinker polifunzionale di tipo poliisocianato, come descritte in WO 98/22197. The nanosponges usable according to the invention are described for example in WO 2006/002814, prepared by reacting natural cyclodextrins with organic carbonates in the absence of solvents and irradiating or not with ultrasound. Surprisingly it was possible to obtain nanosponges both structurally amorphous and with a significant degree of crystallinity (Figure 1a and 1b). Other types of nanosponges can also be used, obtainable by reacting a cyclodextrin with a polyisocyanate-type polyfunctional crosslinker, as described in WO 98/22197.

Sono pure stati utilizzati come supporti una nuova classe di nanospugne contenenti legami poliammidoamminici, ottenibili ad esempio per reazione di ciclodestrine con bis acrilammidi, la cui sintesi è descritta più in dettaglio nell’esempio 1. La sintesi è preferibilmente condotta in presenza di ultrasuoni. A new class of nanosponges containing polyamidoamine bonds have also been used as supports, obtainable for example by the reaction of cyclodextrins with bis acrylamides, the synthesis of which is described in more detail in example 1. The synthesis is preferably carried out in the presence of ultrasounds.

L’immobilizzazione di enzimi su dette nanospugne comprende il mettere in contatto una soluzione acquosa di enzima con le nanospugne reticolate per un periodo di tempo variabile da 10 a 720 minuti a temperature comprese tra 4 e 40°C. La soluzione acquosa è opportunamente tamponata a pH compresi fra 5 e 9. The immobilization of enzymes on said nanosponges includes putting an aqueous solution of enzyme in contact with the cross-linked nanosponges for a period of time ranging from 10 to 720 minutes at temperatures between 4 and 40 ° C. The aqueous solution is suitably buffered at pH between 5 and 9.

L’invenzione riguarda sia il processo di immobilizzazione sia gli enzimi immobilizzati su nanospugne di ciclodestrine reticolate. The invention concerns both the immobilization process and the enzymes immobilized on cross-linked cyclodextrin nanosponges.

Esempi di enzimi che possono essere vantaggiosamente immobilizzati secondo l’invenzione comprendono ossidoriduttasi, transferasi, idrolasi, liasi, isomerasi e ligasi, in particolare amilasi, tripsina, lipasi, catalasi, cellulasi, ligninasi, pectinasi, proteasi e altri enzimi di interesse industriale. Examples of enzymes that can be advantageously immobilized according to the invention include oxidoreductase, transferase, hydrolase, lyase, isomerase and ligase, in particular amylase, trypsin, lipase, catalase, cellulase, ligninase, pectinase, protease and other enzymes of industrial interest.

La quantità di enzima immobilizzata sulle nanospugne dipende essenzialmente dal tempo di incubazione della soluzione di polimero con le nanospugne, oltre che dalla natura delle stesse e dalla temperatura. In linea di massima, le rese di immobilizzazione possono essere regolate entro vari limiti, per esempio da 1 mg a 50 mg per grammo di nanospugne. L’attività enzimatica viene mantenuta nel tempo per diversi giorni e risulta inoltre più resistente a condizioni di temperatura e pH, permettendo così l’effettuazione di reazioni enzimatiche più efficienti. The quantity of enzyme immobilized on the nanosponges essentially depends on the incubation time of the polymer solution with the nanosponges, as well as on the nature of the same and on the temperature. In principle, the immobilization yields can be adjusted within various limits, for example from 1 mg to 50 mg per gram of nanosponges. The enzymatic activity is maintained over time for several days and is also more resistant to temperature and pH conditions, thus allowing the carrying out of more efficient enzymatic reactions.

L’invenzione è descritta in maggior dettaglio nei seguenti Esempi. The invention is described in greater detail in the following Examples.

Esempio 1 - Sintesi di nanospugne poliamidoamine (Figura 2) Example 1 - Synthesis of polyamidoamine nanosponges (Figure 2)

In un pallone di 10 ml, fornito di flusso di azoto, sono stati introdotti 0,66 ml di acqua distillata, 339 mg di 2,2’-bis(acrilammide)acetica (BAC) e 84,7 mg di LiOH.H2O sotto agitazione e in atmosfera di azoto. Dopo l’ottenimento di una soluzione limpida, sono stati aggiunti 573 mg di β-ciclodestrina (βCD) e altri 63,5 mg di LiOH.H2O. La reazione è stata mantenuta sotto flusso di azoto per 10 minuti, dopodiché l’ingresso dell’azoto è stato chiuso, lasciando proseguire la reazione sotto atmosfera inerte, in oscurità, a temperatura ambiente per 94 ore. Una volta ultimata la reazione, il prodotto grezzo si presenta come un polimero reticolato che è stato triturato e rigonfiato con un eccesso di acqua per 10 minuti sotto agitazione, quindi è stato centrifugato, per eliminare tracce di base dalla resina. La resina è stata nuovamente rigonfiata in eccesso di acqua e successivamente acidificata con HCl 1M fino a pH 2.5. La resina acidificata è stata purificata lavando tre volte in acqua distillata sotto agitazione vigorosa, seguita poi da centrifugazione. Le tracce di acqua sono state estratte con etanolo e lasciando il prodotto sotto vuoto per due giorni. Il prodotto finale è stato ottenuto come polvere inodore, fine, bianca. I gradi di rigonfiamento della resina in tre soluzioni tampone di pH 2, 4.5 e 7 sono stati valutati e riportati in tabella 1. La resina è stata caratterizzata tramite spettrofotometria FT-IR in pastiglie di KBr ed i gruppi funzionali principali sono stati identificati come segue: 707 cm<-1>(dwammide secondaria NH), 947 cm<-1>(d C-O-H fuori dal piano), 1030 cm<-1>(n C-N alifatico), 1087-1301 cm<-1>(n C-O-C), 1520 cm<-1>(d ammide secondaria NH, n C-N), 1650 cm<-1>(n ammide secondaria C=O, n C=C) di d, 2921 cm<-1>(n CH2 asimmetrico), 3385 cm<-1>(n OH). 0.66 ml of distilled water, 339 mg of 2,2'-bis (acrylamide) acetic (BAC) and 84.7 mg of LiOH.H2O were introduced into a 10 ml flask, supplied with nitrogen flow. agitation and in a nitrogen atmosphere. After obtaining a clear solution, 573 mg of β-cyclodextrin (βCD) and another 63.5 mg of LiOH.H2O were added. The reaction was kept under nitrogen flow for 10 minutes, after which the nitrogen inlet was closed, leaving the reaction to continue under an inert atmosphere, in darkness, at room temperature for 94 hours. Once the reaction is complete, the crude product appears as a cross-linked polymer that has been triturated and swollen with an excess of water for 10 minutes under stirring, then it has been centrifuged, to remove traces of base from the resin. The resin was swollen again in excess of water and subsequently acidified with 1M HCl up to pH 2.5. The acidified resin was purified by washing three times in distilled water with vigorous stirring, followed by centrifugation. Traces of water were extracted with ethanol and leaving the product under vacuum for two days. The final product was obtained as an odorless, fine, white powder. The swelling degrees of the resin in three buffer solutions of pH 2, 4.5 and 7 were evaluated and reported in table 1. The resin was characterized by FT-IR spectrophotometry in KBr tablets and the main functional groups were identified as follows : 707 cm <-1> (secondary dwamide NH), 947 cm <-1> (d C-O-H outside the plane), 1030 cm <-1> (n C-N aliphatic), 1087-1301 cm <-1> (n C-O-C ), 1520 cm <-1> (d secondary amide NH, n C-N), 1650 cm <-1> (n secondary amide C = O, n C = C) of d, 2921 cm <-1> (n asymmetric CH2 ), 3385 cm <-1> (n OH).

La stessa reazione può essere condotta con altri rapporti stechiometrici e con altri tipi di reticolanti come metilenbisacrilammide o metilpiperazina o loro miscele, anche impiegando altre ciclodestrine naturali (alfa e gamma) o loro derivati (esempio monotosilciclodestrina, monoazido ciclodestrina ecc.) La sintesi avviene più velocemente operando in presenza di ultrasuoni. Possono anche essere ottenute nanospugne con proprietà magnetiche effettuando la sintesi in presenza di particelle magnetiche, ad esempio di magnetite. The same reaction can be carried out with other stoichiometric ratios and with other types of crosslinkers such as methylene bisacrylamide or methylpiperazine or their mixtures, also using other natural cyclodextrins (alpha and gamma) or their derivatives (e.g. monotosylcyclodextrin, monoazido cyclodextrin, etc.). quickly operating in the presence of ultrasound. Nanosponges with magnetic properties can also be obtained by carrying out the synthesis in the presence of magnetic particles, for example magnetite.

Esempio 2 - Caricamento di enzimi su nanospugne Example 2 - Loading of enzymes on nanosponges

La resa di immobilizzazione migliore è stata ottenuta dal supporto reticolato descritto in WO 2006/002814 con rapporto molare tra β-ciclodestrine e agente reticolante 1:2. The best immobilization yield was obtained from the cross-linked support described in WO 2006/002814 with molar ratio between β-cyclodextrins and cross-linking agent 1: 2.

Per stabilire le condizioni migliori di immobilizzazione, 0,3 mg di enzima 1,2-diossigenasi sono stati immobilizzati su 1,0 g di entrambi i tipi di supporto reticolato (1:2 e 1:4) a due diverse temperature (4°C e 22°C). Il supporto era stato preventivamente lavato con la stessa soluzione dove avveniva l’immobilizzazione (50 mM Hepes pH 8.0). To establish the best immobilization conditions, 0.3 mg of 1,2-dioxygenase enzyme was immobilized on 1.0 g of both types of cross-linked media (1: 2 and 1: 4) at two different temperatures (4 ° C and 22 ° C). The support was previously washed with the same solution where the immobilization took place (50 mM Hepes pH 8.0).

La quantità di enzima immobilizzata veniva valutata dalla differenza tra quella totale caricata sulle nanospugne e quella non legata alla resina e presente nelle soluzioni di lavaggio. Le quantità di enzima venivano calcolate misurando l’attività sul catecolo e ricavando dall’attività specifica (attività/mg di proteina) la quantità in mg di enzima. The amount of immobilized enzyme was evaluated by the difference between the total one loaded on the nanosponges and that not bound to the resin and present in the washing solutions. The quantities of enzyme were calculated by measuring the activity on the catechol and obtaining the amount in mg of enzyme from the specific activity (activity / mg of protein).

L’esperimento è stato condotto incubando l’enzima e le nanospugne per tempi diversi e calcolando la resa di immobilizzazione. The experiment was conducted by incubating the enzyme and the nanosponges for different times and calculating the immobilization yield.

La Figura 3 mostra la resa di immobilizzazione ottenuta dopo incubazione di enzima e supporto reticolato 1:2 a tempi diversi a 22°C. Figure 3 shows the yield of immobilization obtained after incubation of enzyme and 1: 2 cross-linked support at different times at 22 ° C.

Una volta stabilite le condizioni di caricamento enzimatico è stato possibile immobilizzare l’enzima per assorbimento fino ad una capacità di carico pari a 28,9 mg di proteina per grammo di supporto. Once the enzymatic loading conditions were established, it was possible to immobilize the enzyme by absorption up to a load capacity of 28.9 mg of protein per gram of support.

Esempio 3 - Produzione di acido muconico Example 3 - Production of muconic acid

L’enzima 1,2-diossigenasi catalizza la reazione di trasformazione del catecolo in acido muconico. Questa reazione è stata sfruttata per valutare l’attività dell’enzima immobilizzato. La reazione è stata seguita per 60 secondi attraverso l’aumento in assorbimento a 260 nm, dovuto alla formazione del prodotto di reazione, l’acido muconico. La miscela di reazione conteneva 20 µl di resina umida secondo WO 2006/002814 con l’enzima immobilizzato, 1 mM di catecolo in tampone 50 mM Hepes pH 8.0. I saggi di attività sono stati condotti a 30°C in una cuvetta di cammino ottico pari a 1 cm. Lo spettro di assorbimento del catecolo e dell’acido muconico sono mostrati in Figura 4. The 1,2-dioxygenase enzyme catalyzes the transformation reaction of catechol into muconic acid. This reaction was used to evaluate the activity of the immobilized enzyme. The reaction was followed for 60 seconds through the increase in absorption at 260 nm, due to the formation of the reaction product, muconic acid. The reaction mixture contained 20 µl of wet resin according to WO 2006/002814 with the immobilized enzyme, 1 mM of catechol in 50 mM Hepes pH 8.0 buffer. The activity assays were carried out at 30 ° C in a cuvette with an optical path equal to 1 cm. The absorption spectrum of catechol and muconic acid are shown in Figure 4.

La formazione del prodotto di reazione è stata seguita attraverso la separazione in HPLC, come mostrato in Figura 5. Si è utilizzata una separazione in fase inversa con colonna LiChrospher 100 RP-18 5 µm 250x4 (Merck). La fase mobile era costituita da acqua e acetonitrile in rapporto 60:40. The formation of the reaction product was followed through separation in HPLC, as shown in Figure 5. Reverse phase separation with LiChrospher 100 RP-18 5 µm 250x4 (Merck) column was used. The mobile phase consisted of water and acetonitrile in a 60:40 ratio.

A scopo di verifica sono state iniettate le due soluzioni standard di catecolo ed acido muconico da cui risulta che il tempo di ritenzione per l’acido muconico è di circa 2.7 minuti, mentre per il catecolo è di circa 6.7 minuti. In seguito è stata iniettata la soluzione in uscita dal bioreattore. La presenza di un picco allo stesso tempo di ritenzione conferma la presenza del prodotto di reazione. Lo spettro UV del prodotto è stato paragonato con quello dell’acido muconico standard e rivela la presenza del caratteristico picco di assorbimento a 260 nm. For verification purposes, the two standard solutions of catechol and muconic acid were injected from which it results that the retention time for muconic acid is approximately 2.7 minutes, while for catechol it is approximately 6.7 minutes. The solution leaving the bioreactor was then injected. The presence of a peak at the same retention time confirms the presence of the reaction product. The UV spectrum of the product was compared with that of standard muconic acid and reveals the presence of the characteristic absorption peak at 260 nm.

Dal cromatogramma (Figura 5) è evidente come la conversione del catecolo in acido cis-cis muconico sia quasi totale. La Tabella 2 riporta le costanti cinetiche della reazione catalizzata. From the chromatogram (Figure 5) it is evident that the conversion of catechol into muconic cis-cis acid is almost total. Table 2 reports the kinetic constants of the catalyzed reaction.

Esempio 4 - Attività Enzimatica nel tempo Example 4 - Enzymatic activity over time

Una colonna (10 x 2,5 mm) è stata impaccata con 1 g di supporto iperreticolato descritto in WO 2006/002814 su cui sono stati immobilizzati 0,3 mg di catecolo 1,2-diossigenasi. A column (10 x 2.5 mm) was packed with 1 g of hyper crosslinked support described in WO 2006/002814 on which 0.3 mg of catechol 1,2-dioxygenase were immobilized.

A intervalli regolari (1 giorno), una soluzione di catecolo 1 mM è stata iniettata nel bioreattore e, dopo 1 ora, la colonna è stata lavata con tampone 50 mM Hepes pH 8.0. La presenza del prodotto di reazione in uscita dal bioreattore è stata monitorata spettrofotometricamente e tramite analisi in HPLC. La quantificazione del prodotto di reazione è stata effettuata utilizzando un coefficiente di estinzione molare a 260 nm pari a 17600 M<-1>cm<-1>. At regular intervals (1 day), a 1 mM catechol solution was injected into the bioreactor and, after 1 hour, the column was washed with 50 mM Hepes buffer pH 8.0. The presence of the reaction product leaving the bioreactor was monitored spectrophotometrically and by HPLC analysis. The quantification of the reaction product was carried out using a molar extinction coefficient at 260 nm equal to 17600 M <-1> cm <-1>.

Tramite le prove di immobilizzazione per adsorbimento, si è ottenuta una maggiore stabilità nel tempo della proteina immobilizzata sulla colonna. L’enzima era in grado di riconvertire il catecolo in acido cis-cis muconico per circa 72 ore come si vede dal grafico in Figura 6. Through the adsorption immobilization tests, a greater stability over time of the protein immobilized on the column was obtained. The enzyme was able to reconvert the catechol into muconic cis-cis acid for about 72 hours as can be seen from the graph in Figure 6.

Esempio 5 - Influenza della temperatura sull’attività enzimatica Per investigare la stabilità alla temperatura dell’enzima immobilizzato sul supporto iper-reticolato di WO 2006/002814 e dell’enzima in soluzione sono state effettuate delle analisi di attività tramite incubazione dell’enzima (20 µl di resina umida con l’enzima immobilizzato) per 3 minuti in tampone 50 mM Hepes pH 8.0 in un intervallo di temperature da 10°C a 70°C. Dopo tale incubazione, si è verificata l’attività residua dell’enzima aggiungendo il substrato e monitorando la formazione del prodotto. Example 5 - Influence of temperature on enzymatic activity To investigate the temperature stability of the enzyme immobilized on the hyper-crosslinked support of WO 2006/002814 and of the enzyme in solution, activity analyzes were carried out by incubating the enzyme (20 µl of wet resin with the immobilized enzyme) for 3 minutes in 50 mM Hepes pH 8.0 buffer in a temperature range from 10 ° C to 70 ° C. After this incubation, the residual activity of the enzyme was verified by adding the substrate and monitoring the formation of the product.

Come mostrato in Figura 7, l’enzima immobilizzato ha l’attività maggiore intorno ai 50°C e mantiene ancora il 70% di attività a 60°C. As shown in Figure 7, the immobilized enzyme has the greatest activity around 50 ° C and still maintains 70% of activity at 60 ° C.

L’intervallo di temperatura ottimale per l’enzima in soluzione è invece tra 30°C e 40°C. Dopo l’incubazione a 60°C si osserva la quasi totale perdita di attività dell’enzima in soluzione. Per monitorare la stabilità dell’enzima catecolo 1,2 diossigenasi a due diverse temperature, 40°C e 60°C, è stata misurata sia l’attività della proteina immobilizzata sia quella della proteina in soluzione a diversi tempi di incubazione alle tre temperature scelte (Figure 8 a e 8 b). The optimal temperature range for the enzyme in solution is instead between 30 ° C and 40 ° C. After incubation at 60 ° C, the almost total loss of activity of the enzyme in solution is observed. To monitor the stability of the enzyme catechol 1,2 dioxygenase at two different temperatures, 40 ° C and 60 ° C, both the activity of the immobilized protein and that of the protein in solution were measured at different incubation times at the three selected temperatures. (Figures 8 a and 8 b).

L’incubazione dell’enzima immobilizzato e in soluzione veniva fatta in tampone 50 mM Hepes pH 8.0 alle 2 diverse temperature. A intervalli regolari 20 µl di resina umida con l’enzima immobilizzato venivano prelevati e l’attività residua misurata aggiungendo il substrato e monitorando la formazione del prodotto. The incubation of the immobilized enzyme in solution was carried out in 50 mM Hepes pH 8.0 buffer at 2 different temperatures. At regular intervals 20 µl of wet resin with the immobilized enzyme were taken and the residual activity measured by adding the substrate and monitoring the formation of the product.

Come mostrato in Figura 7, 8a e 8b, il processo di immobilizzazione conferisce all’enzima una maggiore stabilità al calore. Per l’enzima in soluzione si ha completa perdita di attività già dopo incubazione dell’enzima per 90 minuti a 40°C, mentre l’enzima immobilizzato dopo 90 minuti ha ancora il 50% dell’attività iniziale. Soltanto dopo 3 ore si ha perdita completa dell’attività enzimatica della proteina immobilizzata. Il profilo della perdita dell’attività dell’enzima immobilizzato a 40°C mostra un comportamento bifasico che è probabilmente dovuto alla presenza di due siti catalitici stabilizzati in modo differente dal processo di immobilizzazione. Dal momento che non sono stati finora riportati in letteratura casi di allosterismo tra i due monomeri dell’enzima catecolo 1,2-diossigenasi questo comportamento può probabilmente essere dovuto al processo di immobilizzazione che può creare due centri Ferro non equivalenti. In Figura 8b è mostrato il profilo di attività enzimatica dopo incubazione a 60°C. La perdita completa di attività è ottenuta dopo 15 minuti per l’enzima in soluzione, mentre allo stesso tempo l’enzima immobilizzato ha ancora il 70% dell’attività iniziale. As shown in Figures 7, 8a and 8b, the immobilization process gives the enzyme greater heat stability. For the enzyme in solution there is complete loss of activity already after incubation of the enzyme for 90 minutes at 40 ° C, while the immobilized enzyme after 90 minutes still has 50% of its initial activity. Only after 3 hours there is a complete loss of the enzymatic activity of the immobilized protein. The profile of the loss of the immobilized enzyme activity at 40 ° C shows a biphasic behavior which is probably due to the presence of two catalytic sites stabilized in a different way by the immobilization process. Since so far no cases of allosterism between the two monomers of the enzyme catechol 1,2-dioxygenase have been reported in the literature, this behavior may probably be due to the immobilization process that can create two non-equivalent Iron centers. Figure 8b shows the enzyme activity profile after incubation at 60 ° C. The complete loss of activity is obtained after 15 minutes for the enzyme in solution, while at the same time the immobilized enzyme still has 70% of its initial activity.

Esempio 6 - Influenza del pH sulla attività enzimatica Example 6 - Influence of pH on enzymatic activity

Per monitorare il comportamento dell’enzima catecolo 1,2 diossigenasi a diversi valori di pH è stata misurata sia l’attività della proteina immobilizzata sia quella della proteina in soluzione nel range di pH 5.5-10. L’enzima (20 µl di resina umida di cui all’esempio 1 con l’enzima immobilizzato) è stato incubato per 3 minuti nelle diverse soluzioni tampone a un determinato valore di pH a 30°C e successivamente l’attività residua è stata valutata. To monitor the behavior of the enzyme catechol 1,2 dioxygenase at different pH values, both the activity of the immobilized protein and that of the protein in solution in the pH range of 5.5-10 were measured. The enzyme (20 µl of wet resin referred to in example 1 with the immobilized enzyme) was incubated for 3 minutes in the various buffer solutions at a determined pH value at 30 ° C and subsequently the residual activity was evaluated .

I tamponi utilizzati sono: Mes (per pH da 5.5 a 7), Hepes (per pH da 7 a 8.5) e Ches (per pH da 8.5 a 10). La concentrazione del buffer è stata scelta in modo opportuno per mantenere la forza ionica costante. The buffers used are: Mes (for pH 5.5 to 7), Hepes (for pH 7 to 8.5) and Ches (for pH 8.5 to 10). The buffer concentration was appropriately chosen to keep the ionic strength constant.

Come mostrato in Figura 9, i profili di attività sono differenti, il che dimostra che il processo di immobilizzazione influisce sul sito catalitico dell’enzima. Il pH ottimale per l’attività enzimatica della proteina immobilizzata è 9.5, mentre l’attività più alta per l’enzima in soluzione si registra ad un pH 8.5. Inoltre, come evidenziato dalla prima parte della curva, l’enzima immobilizzato ha già un’attività del 40% a pH 6.5, mentre la proteina in soluzione risulta avere solo l’8% di attività rispetto al punto di massima attività. As shown in Figure 9, the activity profiles are different, which shows that the immobilization process affects the catalytic site of the enzyme. The optimal pH for the enzymatic activity of the immobilized protein is 9.5, while the highest activity for the enzyme in solution is recorded at a pH of 8.5. Furthermore, as evidenced by the first part of the curve, the immobilized enzyme already has an activity of 40% at pH 6.5, while the protein in solution appears to have only 8% of activity with respect to the point of maximum activity.

Esempio 7 - Attività di HRP Example 7 - HRP activities

Per confermare la capacità del supporto di trattenere per adsorbimento anche altri enzimi, si è testata la perossidasi di rafano, disponibile commercialmente (Sigma Aldrich). To confirm the ability of the support to retain other enzymes by adsorption, the commercially available horseradish peroxidase (Sigma Aldrich) was tested.

0,3 mg di enzima sono stati incubati con le nanospugne di WO 2006/002814 e per 62 ore a 4°C in una soluzione tampone fosfato di potassio pH 7.4. 0.3 mg of enzyme were incubated with the nanosponges of WO 2006/002814 and for 62 hours at 4 ° C in a potassium phosphate buffer solution pH 7.4.

La concentrazione della proteina è stata stimata dall’assorbimento a 402 nm utilizzando un coefficiente di estinzione molare di 93500 M-1 cm<-1>(Keilin and Hartree, 1951) e la resa di immobilizzazione è stata calcolata dalla differenza tra quantità di proteina incubata e quantità di proteina non legata al supporto. The concentration of the protein was estimated from the absorption at 402 nm using a molar extinction coefficient of 93500 M-1 cm <-1> (Keilin and Hartree, 1951) and the immobilization yield was calculated from the difference between the amount of protein incubated and amount of protein not bound to the support.

L’attività enzimatica è stata misurata sul substrato 2,2-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) (ABTS) seguendo la formazione del radicale cationico ABTS.+ in presenza di H2O2e perossidasi a 414 nm (figura 10). La miscela di reazione era composta da 20 µl di resina umida con l’enzima immobilizzato, 1 mM ABTS, 15 µM H2O2in tampone fosfato 50 mM pH 7.4. The enzymatic activity was measured on the substrate 2,2-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) (ABTS) following the formation of the cationic radical ABTS. + In the presence of H2O2e peroxidase at 414 nm (figure 10) . The reaction mixture was composed of 20 µl of wet resin with the immobilized enzyme, 1 mM ABTS, 15 µM H2O2 in phosphate buffer 50 mM pH 7.4.

Tabella 1. Carico di HRP su diverse NS Table 1. HRP load on different NS

Tabella 2. Costanti cinetiche della 1,2-diossigenasi Table 2. Kinetic constants of 1,2-dioxygenase

Esempio 8 - Immobilizzazione di lisozima Example 8 - Immobilization of lysozyme

5 ml di una soluzione di 200 ppm di lisozima furono incubati con quantità crescenti e note di nanospugna di cui all’esempio 1 a temperatura ambiente per 24 ore. Al termine di questo lasso di tempo la sospensione fu centrifugata a 3000 rpm ed il surnatante analizzato allo spettrofotometro UV-Vis a 281 nm. Dall’assorbanza osservata, conoscendo quella iniziale, per differenza è stata calcolata la quantità di lisozima adsorbita dalle nanospugne. I risultati sono riportati in Figura 12 da cui è evidente che le NS hanno una elevatissima affinità per il lisozima e sono in grado di legare oltre l’80% della proteina, percentuale che tende ad aumentare all’aumentare della concentrazione di proteina in soluzione. 5 ml of a solution of 200 ppm of lysozyme were incubated with increasing and known quantities of nanosponge referred to in example 1 at room temperature for 24 hours. At the end of this time the suspension was centrifuged at 3000 rpm and the supernatant analyzed by UV-Vis spectrophotometer at 281 nm. From the observed absorbance, knowing the initial one, the amount of lysozyme adsorbed by the nanosponges was calculated by difference. The results are shown in Figure 12 from which it is evident that NS have a very high affinity for lysozyme and are able to bind over 80% of the protein, a percentage that tends to increase as the concentration of protein in solution increases.

Esempio 9 - Veicolazione e rilascio di albumina Example 9 - Delivery and release of albumin

50 mg di albumina sono incubati con 50 mg di nanospugna per una notte sotto agitazione in 5 ml di acqua. Quindi la miscela viene liofilizzata. Si ottiene un prodotto solido che contiene il 50% di albumina. Per valutare la cinetica di rilascio dell’albumina dalle nanospugne si è utilizzato un test di dissoluzione. 25 mg di nanospugne dell’esempio 1 contenenti 12,5 mg di albumina sono sospesi in 25 ml di tampone fosfato a pH 7.4. Il campione è lasciato sotto agitazione per 24 ore a 37°C. A tempi prestabiliti, 0,5 ml di campione sono prelevati e sostituiti con 0,5 ml di tampone. Il campione prelevato è centrifugato e il surnatante analizzato allo spettrofotometro alla lunghezza d’onda di 278 nm. I risultati sono riportati nella Figura 11. 50 mg of albumin are incubated with 50 mg of nanosponge overnight under stirring in 5 ml of water. Then the mixture is lyophilized. A solid product is obtained which contains 50% albumin. A dissolution test was used to evaluate the release kinetics of albumin from nanosponges. 25 mg of nanosponges of example 1 containing 12.5 mg of albumin are suspended in 25 ml of phosphate buffer at pH 7.4. The sample is left under stirring for 24 hours at 37 ° C. At predetermined times, 0.5 ml of sample are withdrawn and replaced with 0.5 ml of buffer. The sample taken is centrifuged and the supernatant analyzed with a spectrophotometer at a wavelength of 278 nm. The results are shown in Figure 11.

Claims (8)

RIVENDICAZIONI 1. Nanospugne di ciclodestrine reticolate in forma cristallina o amorfa come supporti per enzimi, anticorpi, proteine, vaccini e macromolecole in genere. CLAIMS 1. Cross-linked cyclodextrin nanosponges in crystalline or amorphous form as supports for enzymes, antibodies, proteins, vaccines and macromolecules in general. 2. Nanospugne secondo la rivendicazione 1 come supporto per enzimi. 2. Nanosponges according to claim 1 as an enzyme carrier. 3. Nanospugne secondo la rivendicazione 1 o 2 in cui le ciclodestrine sono reticolate con poliamidoamine in presenza o in assenza di ultrasuoni. 3. Nanosponges according to claim 1 or 2 wherein the cyclodextrins are crosslinked with polyamidoamines in the presence or absence of ultrasounds. 4. Processo per l’immobilizzazione di enzimi che comprende il mettere in contatto una soluzione acquosa di enzima con le nanospugne reticolate per un periodo di tempo variabile da 10 a 720 minuti a temperature comprese tra 4 e 40°C. 4. Process for the immobilization of enzymes which includes putting an aqueous solution of enzyme in contact with the cross-linked nanosponges for a period of time ranging from 10 to 720 minutes at temperatures between 4 and 40 ° C. 5. Processo secondo la rivendicazione 4 in cui la soluzione acquosa è tamponata a pH compresi fra 5 e 9. 5. Process according to claim 4 wherein the aqueous solution is buffered at pH between 5 and 9. 6. Enzimi supportati su nanospugne di ciclodestrine reticolate. 6. Enzymes supported on cross-linked cyclodextrin nanosponges. 7. Enzimi secondo la rivendicazione 6 scelti fra ossidoriduttasi, transferasi, idrolasi, liasi, isomerasi e ligasi. 7. Enzymes according to claim 6 selected from oxidoreductase, transferase, hydrolase, lyase, isomerase and ligase. 8. Enzimi secondo la rivendicazione 7 scelti fra amilasi, tripsina, lipasi, catalasi, cellulasi, pectinasi, ligninasi, proteasi.8. Enzymes according to claim 7 selected from amylase, trypsin, lipase, catalase, cellulase, pectinase, ligninase, protease.
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