Synthesis and characterization of a novel bottle-brush molecule with chondroitin sulfate chains covalently linked in a multivalent way onto a collagen core and interaction studies with Langerin

The mechanical properties of articular cartilage result from the extracellular matrix network of collagen and the main proteoglycan, aggrecan, which in combination provide the tensile, shear, and compressive stiffness of the tissue. Aggrecan has a (stiff) cylindrical-shaped structure (“bottle-brush”) that includes ∼100 negatively charged chondroitin sulfate glycosaminoglycan (CS-GAG) chains attached covalently to a core protein. The compressive properties of the cartilage tissue arise from electrostatic interactions between these GAG chains. Aggrecan degradation is the hallmark of cartilage degeneration in osteoarthritis (OA), pathology for which does not exist a real treatment. A biomimetic aggrecan was designed mimicking the three-dimensional bottle-brush architecture with the aim of restore cartilage functionality. The synthesis was done linking chondroitin sulfate bristles to a central collagen core through a reductive amination reaction. This bioconjugation technique turned out to be efficient. In this work, it has been described a solution for purifying and characterize the product. AFM confirmed the nanoscale dimension of the synthesized molecules. Furthermore, it was explored the possibility to use the synthesized molecule as an immunogen conjugate. The chondroitin sulfate lateral chains could be an interesting target for the carbohydrate recognition domain (CRD) of lectins. Lectins are proteins that play numerous roles in biological recognition phenomena function as pattern recognition receptors (PRRs), activating or modulating immune responses. In particular, it has been discovered that Langerin, a type of lectin expressed on the surface of Langerhans cells, performs unique specificity towards a broader range of GAGs and specifically is able to bind several types of CS. Through Molecular Dynamic tools the interactions between Langerin and C4S were explored, proving an effective interplay.

Le proprietà meccaniche della cartilagine articolare sono dovute alla presenza di un network di matrice extracellulare, collagene e proteoglicani, tra cui il principale è l’aggrecano; questi componenti in combinazione forniscono al tessuto caratteristiche di resistenza a trazione, a taglio e a compressione. L’aggrecano ha una struttura (rigida) a forma cilindrica ("bottle-brush") che include ~100 catene cariche negativamente di condroitin solfato (CS-GAG) legate in modo covalente su una proteina centrale. Le proprietà di compressione del tessuto cartilagineo derivano dalle interazioni elettrostatiche tra queste catene di GAG. La degradazione dell’aggrecano è il segno distintivo della degenerazione della cartilagine nell'osteoartrite (OA), patologia per la quale non esiste un vero trattamento. Un aggrecano biomimetico è stato progettato, imitandone l'architettura tridimensionale a spazzola, con l'obiettivo di ripristinare la funzionalità della cartilagine. La sintesi è stata fatta legando covalentemente catene di condroitin solfato ad un nucleo centrale di collagene attraverso una reazione di amminazione riduttiva. Questa tecnica di bio-coniugazione è risultata efficiente. In questo lavoro, è stata inoltre descritta una soluzione per purificare e caratterizzare il prodotto. Il microscopio a forza atomica (AFM) ha confermato la dimensione su scala nanometrica delle molecole sintetizzate. Oltre a ciò, è stata esplorata la possibilità di utilizzare la molecola sintetizzata come un coniugato immunogeno. Le catene laterali di condroitin solfato potrebbero essere un obiettivo interessante per il dominio di riconoscimento dei carboidrati (CRD) presente nelle lectine. Le lectine sono proteine che svolgono numerosi ruoli in fenomeni di riconoscimento biologico, in quanto agiscono come recettori dell'immunità innata (PRR), attivando o modulando la funzione immunitaria. In particolare, è stato scoperto che la Langerina, un tipo di lectina espressa sulla superficie delle cellule di Langerhans, offre una specificità unica verso un’ampia gamma di GAG. In particolar modo, la Langerina è in grado di legare diversi tipi di CS. Attraverso la dinamica molecolare sono state esplorate le interazioni tra Langerina e C4S, dimostrando l’esistenza di un’effettiva interazione.