Biointeraction assessments of lipid membranes in relation to drug action

Lipids self-assemble into lipid bilayers, which divide bodily tissues into cells and into functionally specified compartments. Imbalances in the lipid composition and metabolism take part in severe neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s and Parkinson’s disease. These conditions are currently only symptomatically treated, and the functional insight into the effects of the drugs in different stages of the conditions is lacking. In the field of pharmacy, the current drug design protocols rely on the separate evaluation of the binding affinity between target protein and drug and the extent of lipid bilayer permeation, which dictates how likely the drug is to reach its target. For example, the direct treatment of the central nervous system requires the drug to cross the blood-brain barrier. Most of the drug target proteins are, however, permanently attached to the lipid membranes. This thesis hypothesizes that lipids and proteins can act together in relation to drug action, which chemical variations in the membrane constituents can profoundly affect. Oxidative stress induces peroxidation of unsaturated fatty acids, modulating the membrane properties, such as the permeability to water. It is of importance to understand how lipid peroxidation influences the extent of segregation of the domains in the lipid membrane. Although the functionality of the domains \emph{in vivo} is elusive, they may be associated with a myriad of cellular functions, such as the attachment of the actin cytoskeleton. By measuring lateral diffusion of lipids in Langmuir monolayers, we showed that the presence of oxidized lipids could irreversibly modulate the miscibility of the segregated microscale domains. This may affect the action of proteins, drugs and other molecules that interact with such structures. Since biological membranes are incredibly complex, consisting of thousands of molecules, they are challenging to study. Therefore, model lipid membranes are used in membrane research. In this thesis, these model systems were characterized using label-free surface-sensitive analytical techniques. Using the membrane models, we showed that the membrane-bound catechol-\emph{O}-methyltransferase (COMT) is able to function at the membrane-water interface, suggesting that the membrane partitioning and orientation of its substrates and inhibitors influences the drug efficacy. Inhibition of membrane-bound COMT is desirable in Parkinson's disease since it elevates dopamine levels in the brain. Also, the inhibition prevents the methylation of levodopa, a dopamine precursor that is currently the primary therapeutic agent. Therefore, we studied the partitioning of dopamine and different catechol compounds to model lipid membranes. Partitioning to the membranes, where the existence of nanoscale domains is proposed, was limited. The partitioning also seemed to be modulated by the charge, lipophilicity and hydrogen-bonding capacity of the compounds and surface charge of the membrane. These factors also affect the orientation of the compounds in the lipid membrane, which can define the probability of the to-be-catalyzed moieties to reach the catalytic site of the protein. To conclude, the results of this thesis demonstrate that the lipid environment can modulate drug action, which may have consequences for the design of novel therapeutics for neuropathological conditions.Lipidit eli rasva-aineet muodostavat lipidi-kaksoiskalvoja, jotka jakavat elimistön soluihin ja edelleen yksittäiset solut toiminnallisesti erilaisiin osastoihin. Häiriöt lipidien aineenvaihdunnassa ja eri lipidien suhteellisissa määrissä ovat taustalla vaikeissa hermosolukatoa aiheuttavissa sairauksissa, kuten Alzheimerin ja Parkinsonin taudeissa. Farmasiassa lääkekehitys nojaa tällä hetkellä työkaluihin, jotka pyrkivät toisistaan erillisinä ennustamaan ja mittaamaan lääkkeen sitoutumista kohdeproteiineihin ja kuinka hyvin lääkkeet läpäisevät lipidikalvoja, kuten veriaivoesteen. Lääkkeiden kohdeproteiinit ovat kuitenkin useimmiten sitoutuneina pysyvästi lipidikalvoihin. Tämän väitöskirjan hypoteesina on, että lääkkeiden solutason vaikutuksia tulisi tarkastella lipidien ja proteiinien yhteistoiminnan näkökulmasta, ja kemialliset muutokset lipidikalvossa ja lääkkeissä vaikuttavat näihin vaikutuksiin läheisesti. Elimistön hapetusstressistä johtuva tyydyttymättömien rasvahappojen hapettuminen muokkaa lipidikalvojen ominaisuuksia, kuten läpäisevyyttä. Erityisen tärkeää on ymmärtää, miten hapettuminen vaikuttaa lipidikalvoissa esiintyvien faasien eli olomuotoalueiden muodostumiseen. Vaikka näiden faasien toiminnallisuus elävissä soluissa on edelleen epäselvää, niiden arvellaan vaikuttavan monissa solutason toiminnoissa, kuten solun tukirangan kiinnittymisessä. Selvitimme lipidien diffuusiota mittaamalla, että hapettuneet lipidit estävät faasien sekoittumista, mutta faasien uudelleen muodostuminen ei välttämättä onnistu. Tällä voi olla vaikutusta erilaisiin lipidifaaseihin kohdistuvien lääkkeiden toimintaan. Koska biologiset lipidikalvot koostuvat tuhansista erilaisista molekyyleistä, niiden tutkiminen sellaisenaan on vaikeaa. Siksi tutkimuksissa käytetään solukalvomalleja, joissa on vain muutamia erilaisia lipidejä. Tässä väitöskirjassa tutkittiin näiden mallien ominaisuuksia käyttäen leimavapaita pintaherkkiä analyysimenetelmiä. Malleja käyttämällä näytimme, että entsyymi katekoli-O-metyylitransferaasi (KOMT) toimii lipidikalvoympäristössä. Tämän proteiinin toimintaa pyritään estämään Parkinsonin taudissa lääkkein, sillä se hajottaa levodopaa, välittäjäaine dopamiinin esiastetta, joka on pääasiallinen hoitomuoto. Siksi tutkimme myös dopamiinin ja erilaisten katekolilääkkeiden sitoutumista lipidikalvoon. Katekolien jakautuminen lipidikalvoon, jossa arvellaan muodostuvan nanokokoluokan faaseja, oli suhteellisen vähäistä. Väitöskirjan tulosten perusteella voidaan päätellä, että lipidikalvoympäristö vaikuttaa kalvoproteiineihin kohdentuvien lääkkeiden toimintaan, millä on merkitystä uusien aivosairauksien hoitomuotojen kehittämisessä