蛋白质药物使用新颖的净化方法可以更便宜

最昂贵的步骤制造蛋白质抗体等药物或胰岛素是净化步骤:孤立的蛋白质生物反应器用于生产。这一步可以占到总成本的一半制造蛋白质。

为了帮助减少这些成本,麻省理工学院的工程师们设计了一种新的方式来执行这种净化。他们的方法,它使用专门的纳米粒子快速结晶蛋白质,可以帮助使蛋白质药物提供负担得起的和可以实现的,尤其是在发展中国家。

“这项工作使用bioconjugate-functionalized纳米粒子作为模板,从而增强在低浓度蛋白质晶体形成,“Kripa瓦拉纳西说,麻省理工学院机械工程教授,这项新研究的资深作者。“我们的目标是降低成本,这种药品生产成为发展中国家的负担得起的。”

研究人员表明,他们的方法可以用于结晶溶菌酶(一种抗菌酶)和胰岛素。他们认为它也可以应用于许多其他有用的蛋白质,包括抗体药物和疫苗。

麻省理工学院研究生卡罗琳麦丘是该研究的第一作者,今天在《华尔街日报》ACS应用材料和接口。Henri-Louis吉拉德20博士也是该论文的作者之一。

蛋白质纯化

抗体和其他蛋白质药物的一部分增长类药物被称为生物制剂,包括分子DNA和RNA等以及细胞疗法。大多数蛋白质药物是由活细胞产生的如酵母在大型生物反应器。

一旦这些蛋白质生成,他们必须从反应堆被孤立,这通常是通过这个过程被称为色谱法。色谱法,分离蛋白根据其大小,需要专门的材料,使这一过程非常昂贵。

瓦拉纳西和他的同事们决定尝试一种不同的方法,基于蛋白质结晶。研究者常常结晶蛋白质研究他们的结构,但是这个过程被认为是工业使用太慢和不工作在低浓度的蛋白质。为了克服这些障碍,瓦拉纳西的实验室开始使用纳米结构加快结晶。

在以往的研究中,该实验室创建材料,利用纳米特性击退水或修改接口注入高度粘性的生物药物。在这种情况下,研究人员想适应纳米颗粒,这样他们可以在本地增加蛋白质在表面的浓度,也提供了一个模板,使蛋白质正确对齐,形成晶体。

创建所需的表面,研究者涂布金纳米粒子被称为物——分子材料,可以帮助形成其他分子之间的联系。在这项研究中,研究人员用物称马来酰亚胺和NHS,通常用于标记蛋白质研究或附加蛋白质药物纳米药物传输。

当解决方案的蛋白质暴露于这些涂层纳米颗粒,表面的蛋白质积累,结合物。此外,物强迫的蛋白质使自己与一个特定的方向,为额外的蛋白质来创建一个脚手架,加入水晶。

研究人员展示了与溶菌酶的方法,一种酶的结晶特性已得到充分的研究,和胰岛素。他们说这也可以应用于许多其他蛋白质。

“这是一个通用方法,可以扩展到其他系统。如果你知道你想结晶的蛋白质结构,您可以添加物,将迫使这个过程发生,”瓦拉纳西说。

快速结晶

与溶菌酶和胰岛素的研究,研究人员发现,结晶发生快得多的蛋白质暴露在bioconjugate-coated纳米粒子时,相对于裸露的纳米粒子或没有纳米颗粒。与涂层粒子,研究人员看到了7倍减少诱导时间,需要多长时间晶体开始形成,成核速率,增加三倍,这是晶体生长的速度一旦开始。

“即使在低蛋白浓度,我们看到更多的与这些bioconjugate-functionalized晶体形成纳米粒子,“麦丘说。“功能化纳米粒子的减少诱导时间太多,因为这些物提供一个特定的蛋白质绑定的网站。因为蛋白质是一致的,他们可以形成一个水晶更快。”

此外,该小组使用机器学习来分析成千上万的晶体的图像。“蛋白质结晶是一个随机过程,所以我们需要有一个巨大的数据集能够真正衡量我们的方法是否改善结晶的诱导时间和成核速率。很多图像处理、机器学习的最好方法是能够确定当晶体形成在每个图像,而无需经过并手动计数每一个,”麦丘说。

这个项目是比尔和梅林达•盖茨基金会的一部分努力使生物药物,如预防性抗体已被证明在临床试验中预防疟疾,在发展中广泛使用nationsThe麻省理工学院的团队现在正致力于扩大的过程,以便它可以用于一个工业生物反应器,并证明它与单克隆抗体、疫苗,和其他有用的蛋白质。

“如果我们可以在任何地方更容易制造这些蛋白质,然后世界上每个人都可以受益,”瓦拉纳西说。“我们并不是说这是明天要得到解决,因为我们,但是这是一小步,也会造成任务。”

参考:麦丘C,吉拉德霍奇金淋巴瘤,瓦拉纳西KK。提高蛋白质晶体成核原位模板bioconjugate-functionalized纳米颗粒和机器学习。ACS:板牙接口。2023年。doi:10.1021 / acsami.2c17208

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