Geneesmiddelen vervaardigd door levende cellen, ook wel biologische genoemd, zijn een van de snelst groeiende segmenten van de farmaceutische industrie. Deze medicijnen, vaak antilichamen of andere eiwitten, worden gebruikt om kanker te behandelen, artritis, en vele andere ziekten.

Het monitoren van de kwaliteit van deze medicijnen is een uitdaging gebleken, echter, omdat de eiwitproductie door levende cellen veel moeilijker te controleren is dan de synthese van traditionele medicijnen. Meestal bestaan ​​deze medicijnen uit kleine organische moleculen die worden geproduceerd door een reeks chemische reacties.

MIT-ingenieurs hebben een nieuwe manier bedacht om biologische geneesmiddelen te analyseren terwijl ze worden geproduceerd. wat zou kunnen leiden tot snellere en efficiëntere veiligheidstests voor dergelijke geneesmiddelen. Het systeem, gebaseerd op een reeks filters op nanoschaal, ook kunnen worden ingezet om medicijnen te testen vlak voordat ze worden toegediend, om ervoor te zorgen dat ze niet zijn aangetast voordat ze de patiënt bereiken.

"Op dit moment is er geen mechanisme om de validiteit van het eiwit na vrijgave te controleren, " zegt Jongyoon Han, een MIT-professor in de elektrotechniek en informatica. "Als je analyses hebt die een zeer kleine hoeveelheid van een monster verbruiken, maar ook kritieke veiligheidsinformatie geven over aggregatie en binding, we kunnen nadenken over point-of-care analytics."

Han is de senior auteur van het artikel, die verschijnt in het nummer van 22 mei van Natuur Nanotechnologie . De hoofdauteur van het artikel is MIT-postdoc Sung Hee Ko.

Een ingewikkeld proces

Veel biologische geneesmiddelen worden geproduceerd in "bioreactoren" die worden bevolkt door cellen die zijn ontworpen om grote hoeveelheden van bepaalde eiwitten te produceren, zoals antilichamen of cytokinen (een type signaalmolecuul dat door het immuunsysteem wordt gebruikt). Sommige van deze eiwitgeneesmiddelen vereisen ook de toevoeging van suikermoleculen via een proces dat bekend staat als glycosylering.

"Eiwitten zijn inherent gecompliceerder dan medicijnen met kleine moleculen. Zelfs als je exact hetzelfde bioreactorproces uitvoert, je kan eindigen met verschillende eiwitten, met verschillende glycosylering en verschillende activiteit, "zegt Han.

Hoewel fabrikanten bioreactoromstandigheden zoals temperatuur en pH kunnen bewaken, die kan waarschuwen voor mogelijke problemen, er is geen manier om de kwaliteit van de eiwitten te testen totdat de productie is voltooid, en dat proces kan maanden duren.

"Aan het einde van dat proces u kunt wel of niet een goede batch krijgen. En als je toevallig een slechte batch krijgt, dit betekent veel verspilling in de algehele productieworkflow, "zegt Han.

Han geloofde dat nanofilters die hij eerder had ontwikkeld, konden worden aangepast om eiwitten op grootte te sorteren terwijl ze door een klein kanaal stromen. die een continue, automatische monitoring als de eiwitten worden geproduceerd. Deze informatie over de grootte kan onthullen of de eiwitten aan elkaar zijn geklonterd, wat een teken is dat het eiwit zijn oorspronkelijke structuur heeft verloren.

Nadat eiwitten het nanofilterarray-apparaat zijn binnengekomen, ze zijn naar één kant van de muur gericht. Deze smalle lijn van eiwitten stuit dan op een reeks schuine filters met minuscule poriën (15 tot 30 nanometer). De poriën zijn zo ontworpen dat kleinere eiwitten er gemakkelijk doorheen passen, terwijl grotere eiwitten enige afstand langs de diagonaal zullen bewegen voordat ze door een van de poriën gaan. Hierdoor kunnen de eiwitten worden gescheiden op basis van hun grootte:kleinere eiwitten blijven dichter bij de kant waar ze zijn begonnen, terwijl grotere eiwitten naar de andere kant drijven.

Door de grootte van de poriën te veranderen, de onderzoekers kunnen dit systeem gebruiken om eiwitten te scheiden die in massa variëren van 20 tot honderden kilodaltons. Hierdoor kunnen ze bepalen of de eiwitten grote klonten hebben gevormd die een gevaarlijke immuunrespons bij patiënten zouden kunnen veroorzaken.

De onderzoekers testten hun apparaat op drie eiwitten:menselijk groeihormoon; interferon alfa-2b, een cytokine dat wordt getest als kankermedicijn; en granulocyt-koloniestimulerende factor (GCSF), die wordt gebruikt om de productie van witte bloedcellen te stimuleren.

Om het vermogen van het apparaat om eiwitafbraak aan het licht te brengen aan te tonen, stelden de onderzoekers deze eiwitten bloot aan schadelijke omstandigheden zoals hitte, waterstof peroxide, en ultraviolet licht. Door de eiwitten door het nanofilterarray-apparaat te scheiden, konden de onderzoekers nauwkeurig bepalen of ze waren afgebroken of niet.

Sorteren op grootte kan ook onthullen of eiwitten binden aan hun beoogde doelen. Om dit te doen, de onderzoekers vermengden de biologische geneesmiddelen met eiwitfragmenten waarop de medicijnen zich moeten richten. Als de biologische en eiwitfragmenten correct binden, ze vormen een groter eiwit met een onderscheidende grootte.

Snelle analyse

Dit nanofluïdische systeem kan een klein eiwitmonster in 30 tot 40 minuten analyseren, plus de paar uur die nodig zijn om het monster voor te bereiden. Echter, de onderzoekers denken dat ze dat kunnen versnellen door het apparaat verder te miniaturiseren.

"Misschien kunnen we het in tien minuten doen, of zelfs een paar minuten, " zegt Han. "Als we ons dat realiseren, we kunnen misschien echte point-of-care-controles doen. Dat is de toekomstige richting."