Waarom blijven sommige eiwitten toch plakken op eiwitwerende coatings?

Zodra een medisch hulpmiddel het lichaam binnenkomt, of het nu een implantaat, katheter of biosensor is, wordt het direct bedekt met eiwitten uit lichaamsvloeistoffen. Deze eiwitlaag, de zogeheten eiwitcorona, bepaalt grotendeels hoe het lichaam op het materiaal reageert. Het afweersysteem en omliggend weefsel reageren namelijk vooral op die eiwitlaag, niet op het materiaal zelf. Een verkeerde samenstelling van de corona kan ontstekingen of afstoting veroorzaken.

Om dat risico te beperken, ontwikkelden wetenschappers zogeheten anti-foulingcoatings. Deze coatings houden een dunne, stevig gebonden waterlaag vast aan het oppervlak, die als een soort barrière werkt en voorkomt dat eiwitten zich hechten. In de praktijk, bijvoorbeeld in bloedserum, blijken sommige eiwitten die bescherming toch te omzeilen. Tot nu toe was onduidelijk welke eiwitten dat konden en waarom.

Arginine doorbreekt de waterbarrière

Een onderzoeksteam van het Institute of Science Tokyo, onder leiding van universitair hoofddocent Tomohiro Hayashi, onderzocht samen met masterstudent Ayano Nomura en het bedrijf Kyocera wat er precies gebeurt op moleculair niveau. Ze analyseerden de eiwitcorona die ontstaat wanneer humaan serum in contact komt met zes verschillende oppervlakken, waaronder veelgebruikte anti-foulingcoatings. Met behulp van massaspectrometrie identificeerden ze op elk oppervlak meer dan tweehonderd verschillende eiwitten.

De onderzoekers keken eerst naar bekende factoren zoals molecuulgewicht en lading, maar die verklaarden niet welke eiwitten zich hechtten. Statistische analyse wees uiteindelijk één kenmerk aan dat wél doorslaggevend was: de hoeveelheid arginine die zichtbaar aan het oppervlak van een eiwit zit. Eiwitten met veel arginine aan de buitenkant hechtten zich consequent vaker aan de anti-foulingcoating.

Volgens Hayashi komt dit doordat arginine een brede, platte chemische groep bevat, de guanidiniumgroep, die zich anders gedraagt dan vergelijkbare groepen in andere positief geladen aminozuren. Deze groep kan de beschermende waterlaag op het coatingoppervlak verstoren en zo alsnog een verbinding met het materiaal aangaan, ook al is het oppervlak daar in principe tegen bestand.

Betekenis voor medische technologie

De uitkomst verklaart mogelijk waarom bepaalde biologisch belangrijke eiwitten zich toch verzamelen op oppervlakken die juist ontworpen zijn om dat te voorkomen. Voor de ontwikkeling van medische materialen is dat waardevolle kennis. Door bij het ontwerp van coatings al rekening te houden met de arginine-inhoud van eiwitten in het lichaam, kunnen fabrikanten gerichter werken aan implantaten, stents en biosensoren die minder snel een ongewenste eiwitlaag opbouwen. Hayashi noemt de bevinding een nieuwe ontwerprichtlijn om de vorming van de eiwitcorona op moleculair niveau te voorspellen en te sturen, wat uiteindelijk de biocompatibiliteit van medische apparatuur moet verbeteren.