Studies on the recombinant production and anticancer activity of thermostable L- asparaginase I from Pyrococcus abyssi / Estudos sobre a produção recombinante e atividade anticancerígena da L-asparaginase I termoestável de Pyrococcus abyssi

L-Asparaginase catalysing the breakdown of L-Asparagine to L-Aspartate and ammonia is an enzyme of therapeutic importance in the treatment of cancer, especially the lymphomas and leukaemia. The present study describes the recombinant production, properties and anticancer potential of enzyme from a hyperthermophilic archaeon Pyrococcus abyssi. There are two genes coding for asparaginase in the genome of this organism. A 918 bp gene encoding 305 amino acids was PCR amplified and cloned in BL21 (DE3) strain of E. coli using pET28a (+) plasmid. The production of recombinant enzyme was induced under 0.5mM IPTG, purified by selective heat denaturation and ion exchange chromatography. Purified enzyme was analyzed for kinetics, in silico structure and anticancer properties. The recombinant enzyme has shown a molecular weight of 33 kDa, specific activity of 1175 U/mg, KM value 2.05mM, optimum temperature and pH 80°C and 8 respectively. No detectable enzyme activity found when L-Glutamine was used as the substrate. In silico studies have shown that the enzyme exists as a homodimer having Arg11, Ala87, Thr110, His112, Gln142, Leu172, and Lys232 being the putative active site residues. The free energy change calculated by molecular docking studies of enzyme and substrate was found as ∆G ­ 4.5 kJ/mole indicating the affinity of enzyme with the substrate. IC50 values of 5U/mL to 7.5U/mL were determined for FB, caco2 cells and HepG2 cells. A calculated amount of enzyme (5U/mL) exhibited 78% to 55% growth inhibition of caco2 and HepG2 cells. In conclusion, the recombinant enzyme produced and characterized in the present study offers a good candidate for the treatment of cancer. The procedures adopted in the present study can be prolonged for in vivo studies.

A L-asparaginase, que catalisa a degradação da L-asparagina em L-aspartato e amônia, é uma enzima de importância terapêutica no tratamento do câncer, especialmente dos linfomas e da leucemia. O presente estudo descreve a produção recombinante, propriedades e potencial anticancerígeno da enzima de Pyrococcus abyssi, um archaeon hipertermofílico. Existem dois genes que codificam para a asparaginase no genoma desse organismo. Um gene de 918 bp, que codifica 305 aminoácidos, foi amplificado por PCR e clonado na cepa BL21 (DE3) de E. coli usando o plasmídeo pET28a (+). A produção da enzima recombinante foi induzida sob 0,5mM de IPTG, purificada por desnaturação seletiva por calor e cromatografia de troca iônica. A enzima purificada foi analisada quanto à cinética, estrutura in silico e propriedades anticancerígenas. A enzima recombinante apresentou peso molecular de 33 kDa, atividade específica de 1.175 U / mg, valor de KM 2,05 mM, temperatura ótima de 80º C e pH 8. Nenhuma atividade enzimática detectável foi encontrada quando a L-glutamina foi usada como substrato. Estudos in silico mostraram que a enzima existe como um homodímero, com Arg11, Ala87, Thr110, His112, Gln142, Leu172 e Lys232 sendo os resíduos do local ativo putativo. A mudança de energia livre calculada por estudos de docking molecular da enzima e do substrato foi encontrada como ∆G ­ 4,5 kJ / mol, indicando a afinidade da enzima com o substrato. Valores de IC50 de 5U / mL a 7,5U / mL foram determinados para células FB, células caco2 e células HepG2. Uma quantidade de enzima (5U / mL) apresentou inibição de crescimento de 78% a 55% das células caco2 e HepG2, respectivamente. Em conclusão, a enzima recombinante produzida e caracterizada no presente estudo é uma boa possibilidade para o tratamento do câncer. Os procedimentos adotados na presente pesquisa podem ser aplicados para estudos in vivo.

Desenvolvimento e caracterização de lipossomas peguilados para veiculação de L-asparaginase / Development and characterization of peg-grafted liposomes for lasparaginase encapsulation

A Leucemia Linfoide Aguda (LLA) é um câncer de maior incidência em crianças, e tem a Lasparaginase (ASNase) como fármaco amplamente utilizado no tratamento dos afetados. A ASNase catalisa a hidrólise do aminoácido L-asparagina (Asn), presente na corrente sanguínea, a ausência do aminoácido no meio extracelular leva à morte células leucêmicas, que necessitam deste aminoácido para as funções celulares. Fatores envolvendo a eficiência do tratamento com ASNase como reações adversas e curta meia-vida, principalmente devido ao reconhecimento pelo sistema imune e degradação por proteases, limitam a sua eficácia. A encapsulação da enzima em lipossomas pode conferir proteção à degradação, melhorar seu perfil farmacocinético e diminuir os efeitos adversos, de forma a melhorar o tratamento da LLA sendo este o objetivo desse trabalho. Lipossomas de DOPC (1,2-dioleoil-sn-glicero-3-fosfocolina) e DMPC (1,2-dimiristoil-snglicero-3-fosfocolina) foram desenvolvidos empregando-se o método de hidratação do filme lipídico e diferentes protocolos de preparo contendo ou não diferentes concentrações de 18:0 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polietilenogicol)-2000] (DSPE-PEG). Os lipossomas produzidos foram utilizados para encapsular a ASNase e os sistemas contendo ou não ASNase encapsulada foram caracterizados por espalhamento de luz dinâmico (DLS), potencial zeta, microscopia eletrônica de transmissão (MET) e criomicroscopia de transmissão. Adicionalmente, foram avaliados a taxa de encapsulação e o perfil de permeabilidade das vesículas à L-asparagina. As análises de DLS mostraram que as nanoestruturas formadas empregando-se agitação magnética a partir de sistemas contendo 10% e 20% de DSPE-PEG possuem diâmetro hidrodinâmico menor (~ 25 nm a 60 nm) que os mesmos sistemas sem o fosfolipídio peguilado (~190 nm a 222 nm), demonstrando a relação entre a diminuição do tamanho e o aumento da quantidade de fosfolipídio peguilado e possível formação de estruturas micelares ou bicelares. O emprego de agitação em vórtex para hidratação do filme lipídico, adição do antioxidante -tocoferol e redução da concentração de DSPE-PEG (5% e 10%) levou à formação de sistemas com diâmetro hidrodinâmico maior, sendo esse protocolo e concentrações de PEG definidos como padrão. As análises de MET comprovaram a formação de lipossomas com diâmetro hidrodinâmico semelhante ao observado por DLS; com a utilização da criomicroscopia foi possível observar os lipossomas sem deformações. Os lipossomas de DMPC/DSPE-PEG 10% apresentaram maior permeabilidade à L-asparagina ao longo do tempo e, portanto, poderiam funcionar como nanoreatores, depletando o aminoácido da circulação. Estudos in vitro com células tumorais devem ser realizados e em seguida estudos in vivo, para confirmar este potencial

L-asparaginase (ASNase) is a first-choice drug, combined with other drugs, in therapeutic schemes to treat Acute Lymphoblastic Leukemia (ALL) in children and adolescents. ASNase catalyzes the hydrolysis of L-asparagine (Asn) in the bloodstream; since ALL cells cannot synthesize this amino acid, protein synthesis is impaired leading to leukemic cells death by apoptosis. In spite of its therapeutic importance, treatment with ASNase is associated to side effects, mainly hypersensitivity and immunogenicity. Another drawback refers to degradation by plasma proteases that altogether with immunogenicity shortens the enzyme half-life. Encapsulation of ASNase in liposomes, vesicular nanostructures formed by the self-aggregation of phospholipids, is an attractive alternative that possibly will protect the enzyme from plasma proteases, resulting on better pharmacokinetics profile. In this work, we prepared by thin film hydration liposomal formulations of the phospholipid 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC) or 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3- phosphocholine (DMPC) containing or not different concentrations of 18:0 1,2-distearoyl-snglycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene glycol)-2000] (DSPE-PEG), and encapsulated ASNase by electroporation. The systems containing or not ASNase were analyzed by Dynamic Light Scattering, zeta potential and Electron Microscopy. The encapsulation efficiency and vesicles permeability were also evaluated. According to the DLS analysis, the nanostructures formed by film hydration under magnetic stirring employing 10% or 20% DSPE-PEG presented smaller hydrodynamic diameter (~ 25 nm to 60 nm) than the same systems without the pegylated phospholipid (~ 190 nm to 222 nm), demonstrating the relation between size and the amount of pegylated phospholipid that results in formation of micellar or bicellar structures. The protocol was stabilize by hydration of the lipid film under vortex agitation, addition of the antioxidant - tocopherol and reduction of the concentration of DSPE-PEG (5% and 10%), what altogether led to the formation of nanostructures of higher hydrodynamic diameter and monodisperse systems. TEM analyzes confirmed the formation of liposomes with hydrodynamic diameter similar to that observed by DLS; with the use of cryomicroscopy it was possible to observe the liposomes without deformations. Liposomes of DMPC/DSPE-PEG 10% showed permeability to L-asparagine over time and, therefore, could function as nanoreactors, depleting the circulating amino acid

Diabetes mellitus secundaria al uso de L-asparaginasa en el tratamiento de la leucemia linfoblástica aguda / Diabetes mellitus secondary to L-asparaginase use in the treatment of acute lymphoblastic leukemia

La L-asparaginasa es una droga utilizada para inducir remisión en la Leucemia Linfoblástica Aguda (LLA). Uno de sus efectos adversos es la hiperglicemia que se describe hasta en el 10 por ciento de los pacientes, siendo más frecuente en niños mayores de 10 años, obesos y portadores de síndrome de Down. Presentamos dos pacientes con una LLA que desarrollaron hiperglicemia. El primero, un niño de 9 años portador de un síndrome de Down que después de la tercera dosis de L-asparaginasa cursó con una diabetes mellitus transitoria necesitando insulina durante 35 días. El segundo, una adolescente de 14 años que luego de la octava dosis de L-asparaginasa cursó con un pancreatitis aguda y diabetes mellitus insulino dependiente. Recomendamos que a todos los pacientes portadores de una LLA y en tratamiento con L-asparaginasa se les determine glicemia y glucosura previo a cada dosis y con mayor razón en los pacientes con factores de riesgo

Effect of Vibrio cholerae-L-asparaginase on surface structure of splenic lymphocytes.

The surface ultrastructure of splenic lymphocytes and rosetting properties of lymphocytes of Swiss mice were studied under scanning electron microscope following transplantation of Dalton's lymphoma and ascites fibrosarcoma tumour cells and administration of Vibrio cholerae-L-asparaginase. The results were compared to those obtained with the standard Escherichia coli-L-asparaginase. The surface structure of the lymphocytes (T cells) following L-asparaginase administration was not so different from that of normal lymphocytes. V. cholerae-L-asparaginase did not cause higher number of rosette formation in T cells as compared to the normal group. The study thus revealed that V. cholerae-L-asparaginase did not have a significant stimulatory or non-immunosuppressive effect on the lymphocyte functions.