Fremskyndelse af kvalitetskontrol for biologiske lægemidler

Lægemidler fremstillet af levende celler, også kaldet biologiske lægemidler, er et af de hurtigst voksende segmenter af den farmaceutiske industri. Disse stoffer, ofte antistoffer eller andre proteiner, bliver brugt til at behandle kræft, gigt, og mange andre sygdomme.

Overvågning af kvaliteten af ​​disse lægemidler har vist sig udfordrende, imidlertid, fordi proteinproduktion fra levende celler er meget sværere at kontrollere end syntesen af ​​traditionelle lægemidler. Typisk består disse lægemidler af små organiske molekyler produceret af en række kemiske reaktioner.

MIT-ingeniører har udtænkt en ny måde at analysere biologiske stoffer, mens de bliver produceret, hvilket kunne føre til hurtigere og mere effektive sikkerhedstests for sådanne lægemidler. Systemet, baseret på en række nanoskalafiltre, kunne også indsættes til at teste lægemidler umiddelbart før indgivelse af dem, for at sikre, at de ikke er blevet forringet, før de når frem til patienten.

"Lige nu er der ingen mekanisme til at kontrollere gyldigheden af ​​proteinet efter frigivelse, " siger Jongyoon Han, en MIT-professor i elektroteknik og datalogi. "Hvis du har analyser, der bruger en meget lille mængde af en prøve, men som også giver kritiske sikkerhedsoplysninger om aggregering og binding, vi kan tænke på point-of-care-analyse."

Han er den ledende forfatter af papiret, som vises i 22. maj-nummeret af Natur nanoteknologi . Avisens hovedforfatter er MIT postdoc Sung Hee Ko.

En kompliceret proces

Mange biologiske stoffer produceres i "bioreaktorer" befolket af celler, der er blevet konstrueret til at producere store mængder af visse proteiner såsom antistoffer eller cytokiner (en type signalmolekyle, der bruges af immunsystemet). Nogle af disse proteinlægemidler kræver også tilsætning af sukkermolekyler gennem en proces kendt som glycosylering.

"Proteiner er i sagens natur mere komplicerede end lægemidler med små molekyler. Selv hvis du kører den samme nøjagtige bioreaktorproces, du kan ende med forskellige proteiner, med forskellig glykosylering og forskellig aktivitet, " siger Han.

Selvom producenter kan overvåge bioreaktorforhold såsom temperatur og pH, som kan advare om potentielle problemer, der er ingen måde at teste kvaliteten af ​​proteinerne, før efter produktionen er afsluttet, og den proces kan tage måneder.

"I slutningen af ​​den proces, du kan eller måske ikke få en god batch. Og hvis du tilfældigvis får en dårlig batch, dette betyder meget spild i den samlede produktionsarbejdsgang, " siger Han.

Han mente, at nanofiltre, han tidligere havde udviklet, kunne tilpasses til at sortere proteiner efter størrelse, når de strømmer gennem en lille kanal, som kunne give mulighed for løbende, automatisk overvågning efterhånden som proteinerne produceres. Denne størrelsesinformation kan afsløre, om proteinerne er klumpet sammen, hvilket er et tegn på, at proteinet har mistet sin oprindelige struktur.

Efter proteiner er kommet ind i nanofilter array-enheden, de er rettet til den ene side af væggen. Denne smalle linje af proteiner støder derefter på en række skrå filtre med bittesmå porer (15 til 30 nanometer). Porerne er designet, så mindre proteiner let passer igennem dem, mens større proteiner vil bevæge sig langs diagonalen i et stykke tid, før de kommer igennem en af ​​porerne. Dette gør det muligt at adskille proteinerne baseret på deres størrelse:Mindre proteiner forbliver tættere på den side, hvor de startede, mens større proteiner driver mod den modsatte side.

Ved at ændre størrelsen af ​​porerne, forskerne kan bruge dette system til at adskille proteiner, der varierer i masse fra 20 til hundredvis af kilodaltons. Dette giver dem mulighed for at afgøre, om proteinerne har dannet store klumper, der kan fremkalde et farligt immunrespons hos patienter.

Forskerne testede deres enhed på tre proteiner:humant væksthormon; interferon alfa-2b, et cytokin, der testes som et kræftlægemiddel; og granulocyt-kolonistimulerende faktor (GCSF), som bruges til at stimulere produktionen af ​​hvide blodlegemer.

For at demonstrere enhedens evne til at afsløre proteinnedbrydning, forskerne udsatte disse proteiner for skadelige forhold såsom varme, brintoverilte, og ultraviolet lys. Adskillelse af proteinerne gennem nanofilter-array-enheden gjorde det muligt for forskerne nøjagtigt at bestemme, om de var nedbrudt eller ej.

Sortering efter størrelse kan også afsløre, om proteiner binder til deres tilsigtede mål. At gøre dette, forskerne blandede de biologiske stoffer med proteinfragmenter, som stofferne er beregnet til at målrette mod. Hvis de biologiske stoffer og proteinfragmenter binder korrekt, de danner et større protein med en karakteristisk størrelse.

Hurtig analyse

Dette nanofluidiske system kan analysere en lille proteinprøve på 30 til 40 minutter, plus de få timer, det tager at forberede prøven. Imidlertid, forskerne mener, at de kan fremskynde det ved at miniaturisere enheden yderligere.

"Vi kan muligvis gøre det på ti minutter, eller endda et par minutter, " siger Han. "Hvis vi indser det, vi kan muligvis lave reelle point-of-care-tjek. Det er den fremtidige retning."