Modulating the structure-function relationship of mucin materials
Tid: Må 2022-03-14 kl 10.00
Plats: Kollegiesalen (Floor 4, Room number 4301), Brinellvägen 8
Videolänk: zoom link for online defense
Språk: Engelska
Ämnesområde: Bioteknologi
Respondent: Kun Jiang , Glykovetenskap, AIMES - Center for the Advancement of Integrated Medical and Engineering Sciences at Karolinska Institutet and KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden
Opponent: Assistant Professor Mark Tibbitt, Macromolecular Engineering Laboratory, Department of Mechanical and Process Engineering, ETH Zurich, Switzerland
Handledare: Docent Thomas Crouzier, Glykovetenskap, AIMES - Center for the Advancement of Integrated Medical and Engineering Sciences at Karolinska Institutet and KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden; Professor Qi Zhou, Glykovetenskap
QC 2022-02-10
Abstract
Slem täcker epitelytorna som spelar en nyckelroll i barriär-, hydrerings-, smörjnings- och bioaktivitetsfunktionerna för människokroppen, och muciner är de grundläggande komponenterna i slem som tillhandahåller sådana funktioner. Men många detaljer i hur dessa funktioner är relaterade till mucinernas många strukturella egenskaper är fortfarande okända. I denna avhandling utvecklades strategier för att modifiera mucinstrukturer på definierade sätt för att få insikt och kontroll över flera nyckelfunktioner hos dessa molekyler. Vi ändrade funktionella motiv på mucinmolekylerna och ändrade konformationen av mucinnätverk för att modulera tillgängligheten för sådana funktionella motiv. Sedan studerades funktionella resultat, inklusive makrofagsvar, diffusion av molekyler genom mucinnätverk och mucinsmörjbarhet. Denna avhandling är organiserad i tre delar enligt de tre funktionerna.
Vi fann att svaren från makrofager på muciner modulerades genom att ändra platsen för tvärbindningar mellan muciner och genom immobilisering av muciner på ytor. Mucins flaskborstestruktur tillät tvärbindningar antingen via proteinryggraden eller via glykansidokedjorna med liknande tvärbindningstäthet. Med samma tvärbindande struktur ledde placeringen av tunna filmer av mucin på hårda substrat och mjuka substrat till olika makrofagsvar, och endast mucinbeläggning på mjuka geler inducerade liknande immunsvar som mucingeler. En bättre förståelse för hur mucinbioaktivitet, och specifikt hur immunmodulerande egenskaper kan moduleras, ger nya strategier för att utveckla nya biomaterial med definierade bioaktiviteter. Detta arbete kan också inspirera till nya strategier för att modulera mucinbioaktiviteten in vivo för att behandla mucinrelaterade sjukdomar såsom mucinös cancer.
Diffusionen av molekyler genom mucingeler modulerades genom att ändra gelnätverket och deras affinitetsfiltreringskapacitet. Genom att lokalisera tvärbindningsställena på proteinryggraden eller glykankedjorna förblev gelnätverket detsamma med liknande diffusionsprofiler för dextraner. Men med enkel förändring av mucinkoncentration diffunderade molekyler av olika storlek snabbare i geler med lägre mucinkoncentration. Affinitetsfiltreringen av mucingeler modulerades genom att ta bort sialinsyra, som fungerar som ett bindningsställe för molekyler eller celler via elektrostatiska interaktioner eller specifik bindning, och bindningen kan bromsa diffusion av celler eller molekyler. Genom att ändra sialinsyrainnehållet modulerades diffusionen av laddat dextran och penetrationen av spermier ökades. Med denna förståelse så kan mucingeler med kontrollerad permeabilitet utformas för att införa läkemedel eller inkapsla vävnad. Och strategier kan utvecklas i framtiden för att behandla slembarriärrelaterad sjukdom in vivo, såsom inflammatorisk tarmsjukdom.
Hydratiseringen och smörjningen av mucinbeläggningen modulerades med förändrad mucinstruktur och avlägsnande av tillhörande föroreningar. Hydratiseringen av mucinbeläggningen förblev densamma, men dess smörjförmåga förlorades genom att negativt laddade sockerarter avlägsnades. Komponenterna associerade med mucin, såsom DNA, kompenserade dock för saknaden av negativa sockerarter. Kommersiell PGM hittades med skadad glykosylering och saknade peptiddomäner, och dess smörjförmåga förlorades helt jämfört med labbrenade muciner. Med denna kunskap kan mucinstrukturen moduleras för önskad hydrering och smörjprestanda, och detta kan inspirera till att utveckla nya strategier för att återställa deras hydrering och smörjighet in vivo under sjukdomar, såsom torra ögon.