Ny strategi for levering af terapeutiske proteiner kan hjælpe med at behandle degenerative øjensygdomme

Et forskningshold fra University of Toronto Engineering har skabt en ny platform, der leverer flere terapeutiske proteiner til kroppen, hver med sin egen uafhængige kontrollerede hastighed. Innovationen kan hjælpe med at behandle degenerative sygdomme såsom aldersrelateret makuladegeneration (AMD), den førende årsag til synstab for mennesker over 50.

I modsætning til traditionelle lægemidler lavet af små molekyler, er terapeutiske proteiner syntetiske versioner af større biomolekyler, der er naturligt til stede i kroppen. Et eksempel er den syntetiske insulin, der bruges til at behandle diabetes. Der er andre proteiner, der kan modulere kroppens egne reparationsprocesser på måder, som lægemidler med små molekyler ikke kan.

"Proteiner har et stort terapeutisk potentiale, men de er notorisk svære at levere," siger professor Molly Shoichet (ChemE, BME, Donnelly), der ledede holdet. "I mere end et årti har vores gruppe fundet på forskellige måder at løse det grundlæggende problem på."

En udfordring er, at proteiner er mindre kemisk stabile end små molekyler, hvilket gør dem sårbare over for skader fra fysiske kræfter eller interaktioner med opløsningsmidler og andre kemikalier. En anden udfordring er at få dem til det sted, hvor der er brug for dem.

"Du kan injicere et terapeutisk protein på stedet for en skade, men naturlige biokemiske processer i kroppen har en tendens til at fjerne dem ret hurtigt," siger Carter Teal (BME Ph.D.-kandidat), en kandidatstuderende i Shoichets laboratorium.

"For at overvinde det har du brug for systemer, der langsomt frigiver proteinerne på en kontrolleret måde - og du kan ikke nødvendigvis bruge de samme, som du ville til traditionelle lægemiddelmolekyler, fordi de ofte er for hårde."

Shoichet og hendes team har specialiseret sig i at fremstille biokompatible materialer kaldet hydrogeler, som har en porøs, svampelignende struktur med rum, der er store nok til at tillade terapeutiske proteiner at bevæge sig frit. Hydrogeler kan infunderes med disse proteiner og derefter implanteres i kroppen, hvor proteinerne langsomt diffunderer ud over tid.

"En fordel ved hydrogeler er, at de kan tilpasses til at give ønskede mekaniske egenskaber og proteinfrigivelseshastigheder gennem modifikation med en række kemiske grupper, der tværbinder på forskellige måder eller interagerer med de terapeutiske proteiner, vi ønsker at levere," siger Marian Hettiaratchi , der arbejdede på projektet som postdoc i Shoichets laboratorium og nu er professor ved University of Oregon's Phil and Penny Knight Campus for Accelerating Scientific Impact.

"Proteiner kan også typisk let blandes i hydrogeler uden at forstyrre deres struktur, og en række hydrogeler har vist sig at beskytte proteiner mod nedbrydning, når de leveres til kroppen."

I deres seneste papir, udgivet i Advanced Materials , modificerede holdet deres hydrogeler med affibody-proteiner, biomolekyler, der er beslægtet med små antistoffer.

"Affibody-proteiner blev oprindeligt afledt af en bakterie kendt som Staphylococcus aureus," siger Teal.

"S. aureus producerer et protein - kendt som protein A - og ved at adskille og modificere en lille sektion af protein A kan der skabes tilpassede bindingsmidler til mange forskellige slags biomolekyler. Disse bindingsmidler kaldes affibody-proteiner."

U of T Engineering-teamet arbejdede med University of Minnesota Twin Cities professor Ben Hackel og hans team i Department of Chemical Engineering and Materials Science, som leverede et bibliotek med mere end 100 millioner varianter af affibody-proteiner.

Shoichets team screenede derefter dette bibliotek for at finde affibody-proteiner, der ville binde til hver af de to terapeutiske proteiner, de ønskede at levere:insulinlignende vækstfaktor-1 (IGF-1) og pigmentepitel-afledt faktor (PEDF).

Tidligere forskning har vist, at IGF-1 og PEDF hver især har potentialet til at bremse udviklingen af ​​retinale degenerative sygdomme som AMD alene. Når de bruges i kombination, kan de være endnu mere potente end begge i sig selv.

"Normalt, når forskere laver disse typer screeninger, leder de efter affibody-proteiner med både høj selektivitet, hvilket betyder, at de kun binder til det protein, du ønsker, og høj affinitet, hvilket betyder, at de binder tæt til målproteinet," siger Shoichet.

"I vores tilfælde ønskede vi høj selektivitet, men kun moderat affinitet, fordi vi ønsker, at det terapeutiske protein langsomt frigives over tid. Det er lidt ligesom at finde skatte i skraldespanden:Det er varianter, som i en anden sammenhæng bare ville er blevet smidt ud."

Efter at have indsnævret feltet til de to affibody-proteiner med den selektivitet og affinitet, de havde brug for, brugte holdet en teknik kaldet "klikkemi" til at overtrække dem på deres hydrogeler.

Test udført på disse materialer viste, at IGF-1 og PEDF blev frigivet langsommere og forblev aktive i opløsning længere med disse nye affibody-hydrogeler end med hydrogeler uden affibodies.

De viste også, at frigivelseshastighederne kunne kontrolleres uafhængigt ved at variere niveauerne af de to affibody-proteiner. For eksempel, hvis holdet ønskede at bremse frigivelseshastigheden af ​​IGF-1, mens frigivelseshastigheden af ​​PEDF forbliver uændret, kunne de simpelthen bruge mere af det tilsvarende affibody-proteinpar i hydrogelen.

"Screeningsprocessen har en masse forskellige trin i sig, og det tog mange måneder at gå fra hundredvis af millioner af potentielle kandidater ned til de to, vi til sidst valgte," siger Teal. "Det var virkelig spændende at se, at vi til sidst nåede det, vi satte os for at gøre."

Fordi tilgangen er modulær, siger Shoichet, at den nemt kan tilpasses til andre formål.

"Vi valgte IGF-1 og PEDF på grund af deres synergistiske effekt til behandling af makuladegeneration, som længe har været et fokus i vores laboratorium, men du kunne gøre dette for ethvert sæt proteiner," siger hun.

"Nu hvor vi har vist, at det er muligt, håber vi, at det åbner banen for andre." + Udforsk yderligere

Forskere udvikler gel lavet af edderkoppesilkeproteiner til biomedicinske applikationer