Een onderzoeksteam van de University of Toronto Engineering heeft een nieuw platform gecreëerd dat meerdere therapeutische eiwitten aan het lichaam levert, elk met een eigen onafhankelijk gecontroleerde snelheid. De innovatie zou kunnen helpen bij de behandeling van degeneratieve ziekten zoals leeftijdsgebonden maculaire degeneratie (AMD), de belangrijkste oorzaak van verlies van gezichtsvermogen bij 50-plussers.

In tegenstelling tot traditionele medicijnen gemaakt van kleine moleculen, zijn therapeutische eiwitten synthetische versies van grotere biomoleculen die van nature in het lichaam aanwezig zijn. Een voorbeeld is de synthetische insuline die wordt gebruikt om diabetes te behandelen. Er zijn andere eiwitten die de lichaamseigen herstelprocessen kunnen moduleren op een manier die medicijnen met kleine moleculen niet kunnen.

"Eiwitten hebben een groot therapeutisch potentieel, maar ze zijn notoir moeilijk te leveren", zegt professor Molly Shoichet (ChemE, BME, Donnelly), die het team leidde. "Al meer dan tien jaar bedenkt onze groep verschillende manieren om dat fundamentele probleem op te lossen."

Een uitdaging is dat eiwitten chemisch minder stabiel zijn dan kleine moleculen, waardoor ze kwetsbaar zijn voor schade door fysieke krachten of interacties met oplosmiddelen en andere chemicaliën. Een andere uitdaging is om ze naar de locatie te krijgen waar ze nodig zijn.

"Je kunt een therapeutisch eiwit injecteren op de plaats van een verwonding, maar natuurlijke biochemische processen in het lichaam hebben de neiging om ze vrij snel af te voeren", zegt Carter Teal (BME PhD-kandidaat), een afgestudeerde student in het laboratorium van Shoichet.

"Om dat te overwinnen, heb je systemen nodig die de eiwitten langzaam en gecontroleerd vrijgeven - en je kunt niet per se dezelfde gebruiken die je zou gebruiken voor traditionele medicijnmoleculen, omdat ze vaak te hard zijn."

Shoichet en haar team zijn gespecialiseerd in het maken van biocompatibele materialen, hydrogels genaamd, die een poreuze, sponsachtige structuur hebben met ruimtes die groot genoeg zijn om therapeutische eiwitten vrij te laten bewegen. Hydrogels kunnen met deze eiwitten worden toegediend en vervolgens in het lichaam worden geïmplanteerd, waar de eiwitten in de loop van de tijd langzaam naar buiten diffunderen.

"Een voordeel van hydrogels is dat ze kunnen worden aangepast om de gewenste mechanische eigenschappen en eiwitafgiftesnelheden te bieden door middel van modificatie met een verscheidenheid aan chemische groepen die op verschillende manieren verknopen of interageren met de therapeutische eiwitten die we willen leveren", zegt Marian Hettiaratchi , die aan het project werkte als een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Shoichet, en nu professor is aan de Phil and Penny Knight Campus van de Universiteit van Oregon voor het versnellen van wetenschappelijke impact.

"Eiwitten kunnen doorgaans ook gemakkelijk in hydrogels worden gemengd zonder hun structuur te verstoren, en van een aantal hydrogels is aangetoond dat ze eiwitten beschermen tegen afbraak wanneer ze aan het lichaam worden afgeleverd."

In hun laatste paper, gepubliceerd in Advanced Materials wijzigde het team hun hydrogels met affibody-eiwitten, biomoleculen die verwant zijn aan kleine antilichamen.

"Affibody-eiwitten zijn oorspronkelijk afgeleid van een bacterie die bekend staat als Staphylococcus aureus", zegt Teal.

"S. aureus produceert een eiwit - bekend als eiwit A - en door een klein deel van eiwit A te scheiden en te modificeren, kunnen aanpasbare bindmiddelen voor veel verschillende soorten biomoleculen worden gemaakt. Deze bindmiddelen worden affibody-eiwitten genoemd."

Het U of T Engineering-team werkte samen met professor Ben Hackel, Twin Cities van de University of Minnesota en zijn team van de afdeling Chemical Engineering and Materials Science, die een bibliotheek van meer dan 100 miljoen variante affibody-eiwitten leverden.

Het team van Shoichet screende vervolgens deze bibliotheek om affibody-eiwitten te vinden die zouden binden aan elk van de twee therapeutische eiwitten die ze wilden leveren:insuline-achtige groeifactor-1 (IGF-1) en van pigmentepitheel afgeleide factor (PEDF).

Eerder onderzoek heeft aangetoond dat IGF-1 en PEDF elk het potentieel hebben om op zichzelf de voortgang van retinale degeneratieve ziekten zoals AMD te vertragen. Wanneer ze in combinatie worden gebruikt, kunnen ze zelfs nog krachtiger zijn dan elk afzonderlijk.

"Normaal gesproken, wanneer onderzoekers dit soort screenings doen, zijn ze op zoek naar affibody-eiwitten met zowel een hoge selectiviteit, wat betekent dat ze alleen binden aan het gewenste eiwit, als een hoge affiniteit, wat betekent dat ze stevig aan het doeleiwit binden", zegt Shoichet.

"In ons geval wilden we een hoge selectiviteit, maar slechts een matige affiniteit, omdat we willen dat het therapeutische eiwit in de loop van de tijd langzaam vrijkomt. Het is een beetje zoals het vinden van schatten in de prullenbak:dit zijn varianten die in een andere context gewoon zijn weggegooid."

Na het veld te hebben verkleind tot de twee affibody-eiwitten met de selectiviteit en affiniteit die ze nodig hadden, gebruikte het team een ​​techniek genaamd "klikchemie" om ze op hun hydrogels te coaten.

Tests uitgevoerd op deze materialen toonden aan dat IGF-1 en PEDF langzamer werden afgegeven en langer actief bleven in oplossing met deze nieuwe affibody-hydrogels dan met hydrogels zonder affibodies.

Ze toonden ook aan dat de afgiftesnelheden onafhankelijk konden worden gecontroleerd door de niveaus van de twee affibody-eiwitten te variëren. Als het team bijvoorbeeld de afgiftesnelheid van IGF-1 wilde vertragen terwijl de afgiftesnelheid van PEDF ongewijzigd zou blijven, zouden ze eenvoudig meer van het overeenkomstige affibody-eiwitpaar in de hydrogel kunnen gebruiken.

"Het screeningproces omvat veel verschillende stappen en het duurde vele maanden om van honderden miljoenen potentiële kandidaten naar de twee te gaan die we uiteindelijk selecteerden", zegt Teal. "Het was echt opwindend om te zien dat we aan het einde van die tijd bereikten wat we wilden doen."

Omdat de aanpak modulair is, zegt Shoichet dat het gemakkelijk kan worden aangepast voor ander gebruik.

"We kozen voor IGF-1 en PEDF vanwege hun synergetische effect bij de behandeling van maculaire degeneratie, wat al lang een focus van ons laboratorium is, maar je zou dit voor elke set eiwitten kunnen doen", zegt ze.

"Nu we hebben laten zien dat het mogelijk is, hopen we dat het het veld opent voor anderen." + Verder verkennen

Wetenschappers ontwikkelen gel gemaakt van spinzijde-eiwitten voor biomedische toepassingen