Een nieuw wiskundig model beschrijft hoe sterk geconcentreerde antilichaamoplossingen zich in verschillende fasen scheiden, vergelijkbaar met een mengsel van olie en water. Deze scheiding kan de stabiliteit en houdbaarheid van sommige geneesmiddelen die monoklonale antilichamen gebruiken, verminderen, waaronder enkele die worden gebruikt voor de behandeling van auto-immuunziekten en kanker. Een team van wetenschappers van Penn State en MedImmune, LLC (nu AstraZeneca) onderzocht de thermodynamica en kinetiek, de relaties tussen temperatuur, energie, en de snelheden van chemische reacties, van het fenomeen met behulp van een innovatieve methode die de snelle studie van meerdere monsters tegelijk mogelijk maakt. Een paper waarin hun model wordt beschreven, verschijnt op 22 juli, 2019, in het journaal Proceedings van de National Academy of Sciences .

Veel medicijnen worden tegenwoordig als vaste stoffen opgeslagen en opgelost in IV-zakken voor levering aan patiënten, maar de farmaceutische industrie is op weg naar medicijnen die als vloeistof kunnen worden bewaard en via een injectie kunnen worden toegediend. Sommige van deze medicijnoplossingen, zoals die worden gebruikt voor de behandeling van auto-immuunziekten en sommige vormen van kanker, hoge concentraties monoklonale antilichamen bevatten - eiwitten die zich hechten aan lichaamsvreemde stoffen, zoals bacteriën en virussen, ze markeren voor vernietiging door het immuunsysteem van de patiënt.

"Hooggeconcentreerde eiwitoplossingen kunnen in verschillende fasen uiteenvallen, zoals een vinaigrette-saladedressing die in de loop van de tijd in lagen uiteenvalt, " zei Bradley Rogers, afgestudeerde student scheikunde aan Penn State en eerste auteur van het artikel. "Fasescheiding is een van de wegen die deze medicijnen onstabiel en ongeschikt maken voor gebruik. De klassieke methode om dit proces te begrijpen, omvat het manipuleren van de temperatuur van één monster in de loop van de tijd. We gebruikten een microfluïdica-platform met temperatuurgradiënt om snel naar veel temperaturen tegelijk te kijken. "

Een antilichaamrijke oplossing begint als een heldere vloeistof bij kamertemperatuur, maar als de oplossing afkoelt, troebele druppeltjes beginnen zich te vormen. Overuren, de druppeltjes zakken naar de bodem, met verdunde vloeistof bovenop, waardoor het monster duidelijk lijkt. Het team gebruikte een innovatief apparaat dat een reeks temperaturen over een temperatuurgradiënt creëert en gebruikte een techniek genaamd dark-field imaging om te meten hoe snel dit proces plaatsvindt. Vervolgens berekende het team verschillende parameters om de thermodynamica en kinetiek van het systeem beter te begrijpen, inclusief de temperaturen waarbij faseovergangen plaatsvinden en de hoeveelheid energie die nodig is om van de ene fase naar de volgende te gaan - activeringsenergieën.

"We hebben vastgesteld dat de snelheid waarmee een oplossing in twee fasen wordt gescheiden, een vreemde afhankelijkheid van temperatuur heeft, " zei Rogers. "Deze relatie is veel gecompliceerder voor geconcentreerde antilichaamoplossingen dan voor andere systemen. We hebben lang geprobeerd om de gegevens te begrijpen, maar uiteindelijk hebben we een model ontwikkeld dat verklaart wat we zien."

Het model beschrijft hoe antilichaammoleculen aan elkaar plakken als de temperatuur daalt, vormen druppeltjes die groeien als extra moleculen samenkomen. Dit omkeerbare proces gebeurt steeds sneller met dalende temperatuur, omdat de oplossing steeds meer verzadigd raakt met vrije antilichaammoleculen. Vervolgens, terwijl de oplossing blijft afkoelen, druppeltjes kleven aan andere druppeltjes en zakken naar de bodem. Bij nog koudere temperaturen, de oplossing vormt een gel en kan de scheiding niet voltooien, zelfs in de loop van een maand.

"In een enkel experiment we kunnen de homogene heldere oplossing visualiseren, de troebele oplossing als druppeltjes beginnen te vormen, de fasegescheiden vloeistof, en de gel, zei Paul Cremer, J. Lloyd Huck leerstoel natuurwetenschappen aan Penn State en senior auteur van het artikel. "Eerder onderzoek beschreef deze verschillende toestanden, en ons model beschrijft de wiskunde en temperatuurafhankelijke kinetiek achter wat wij denken dat er gebeurt."

Volgende, het onderzoeksteam is van plan te onderzoeken of hun model fasescheiding in andere systemen kan verklaren. Ze zijn ook van plan om te testen of parameters die uit dit soort experimenten zijn verzameld, de stabiliteit en houdbaarheid van therapieën kunnen voorspellen.

"Als deze parameters ons kunnen helpen de stabiliteit en houdbaarheid te voorspellen, kunnen we misschien betere kandidaat-geneesmiddelen selecteren, " zei Rogers. "We kunnen misschien ook de ideale oplossingseigenschappen bepalen voor een veelbelovend kandidaat-geneesmiddel om het stabiel te houden."

Naast Rogers en Cremer, the research team includes Kelvin Rembert, Matthew Poyton, Halil Okur, Amanda Kale, and Tinglu Yang at Penn State and Jifeng Zhang from AstraZeneca. The work was supported by MedImmune LLC (now AstraZeneca). Additional support was provided by the National Science Foundation.