制造抗體或胰島素等蛋白質(zhì)藥物最昂貴的步驟之一是純化步驟：從用于生產(chǎn)它的生物反應(yīng)器中分離蛋白質(zhì)。該步驟最多可占制造蛋白質(zhì)總成本的一半。
為了幫助降低這些成本，麻省理工學(xué)院的工程師們?cè)O(shè)計(jì)了一種新的方法來進(jìn)行這種純化。他們的方法使用專門的納米粒子使蛋白質(zhì)快速結(jié)晶，這可能有助于使蛋白質(zhì)藥物更便宜、更容易獲得，尤其是在發(fā)展中國(guó)家。
“這項(xiàng)工作使用生物共軛功能化的納米粒子作為模板，在低濃度下增強(qiáng)蛋白質(zhì)晶體的形成，”麻省理工學(xué)院機(jī)械工程教授、這項(xiàng)新研究的資深作者KripaVaranasi說。“目標(biāo)是降低成本，使發(fā)展中國(guó)家能夠負(fù)擔(dān)得起這種藥物制造。”
研究人員證明，他們的方法可用于結(jié)晶溶菌酶(一種抗菌酶)和胰島素。他們相信它也可以應(yīng)用于許多其他有用的蛋白質(zhì)，包括抗體藥物和疫苗。
麻省理工學(xué)院研究生CarolineMcCue是該研究的主要作者，該研究于今天(2月28日)發(fā)表在ACSAppliedMaterialsandInterfaces雜志上。Henri-LouisGirard博士'20也是該論文的作者。
蛋白純化
抗體和其他蛋白質(zhì)藥物是越來越多的被稱為生物制劑的藥物的一部分，其中還包括DNA和RNA等分子，以及基于細(xì)胞的療法。大多數(shù)蛋白質(zhì)藥物是由大型生物反應(yīng)器中的活細(xì)胞(例如酵母)生產(chǎn)的。
一旦產(chǎn)生這些蛋白質(zhì)，就必須將它們從反應(yīng)器中分離出來，這通常是通過一種稱為色譜法的過程來完成的。根據(jù)蛋白質(zhì)的大小分離蛋白質(zhì)的色譜法需要專門的材料，這使得該過程非常昂貴。
Varanasi和他的同事決定嘗試一種基于蛋白質(zhì)結(jié)晶的不同方法。研究人員經(jīng)常通過結(jié)晶蛋白質(zhì)來研究它們的結(jié)構(gòu)，但這個(gè)過程被認(rèn)為對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來說太慢了，而且在低濃度蛋白質(zhì)下效果不佳。為了克服這些障礙，瓦拉納西的實(shí)驗(yàn)室著手使用納米級(jí)結(jié)構(gòu)來加速結(jié)晶。
在之前的工作中，該實(shí)驗(yàn)室使用納米級(jí)特征來制造防水材料或修改用于注射高粘性生物藥物的界面。在這種情況下，研究人員希望對(duì)納米粒子進(jìn)行改造，以便它們可以局部增加表面蛋白質(zhì)的濃度，并提供一個(gè)模板，使蛋白質(zhì)能夠正確排列并形成晶體。
為了創(chuàng)造他們需要的表面，研究人員在金納米粒子上涂上了一種叫做生物共軛物的分子——這種材料可以幫助其他分子之間形成聯(lián)系。在這項(xiàng)研究中，研究人員使用了稱為馬來酰亞胺和NHS的生物共軛物，它們通常用于標(biāo)記蛋白質(zhì)以供研究或?qū)⒌鞍踪|(zhì)藥物附著到藥物遞送納米顆粒上。
當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液暴露于這些包被的納米粒子時(shí)，蛋白質(zhì)會(huì)積聚在表面并與生物偶聯(lián)物結(jié)合。此外，生物偶聯(lián)物迫使蛋白質(zhì)以特定方向排列自身，為其他蛋白質(zhì)形成支架并加入晶體。
研究人員展示了他們使用溶菌酶(一種結(jié)晶特性已得到充分研究的酶)和胰島素的方法。他們說它也可以應(yīng)用于許多其他蛋白質(zhì)。
“這是一種通用方法，也可以擴(kuò)展到其他系統(tǒng)。如果你知道你試圖結(jié)晶的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，你就可以添加正確的生物偶聯(lián)物來迫使這個(gè)過程發(fā)生，”Varanasi說。
快速結(jié)晶
在他們對(duì)溶菌酶和胰島素的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，與裸露的納米顆?；驔]有納米顆粒相比，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)暴露于生物綴合物涂層的納米顆粒時(shí)，結(jié)晶發(fā)生的速度要快得多。使用涂層顆粒，研究人員發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)時(shí)間減少了七倍——晶體開始形成所需的時(shí)間——成核率增加了三倍，這是晶體一旦開始生長(zhǎng)的速度。
“即使在低蛋白質(zhì)濃度下，我們也會(huì)看到更多的晶體與這些生物共軛功能化的納米粒子形成，”McCue說。“功能化的納米顆粒大大減少了誘導(dǎo)時(shí)間，因?yàn)檫@些生物共軛物為蛋白質(zhì)提供了一個(gè)特定的結(jié)合位點(diǎn)。而且由于蛋白質(zhì)是對(duì)齊的，它們可以更快地形成晶體。”
此外，該團(tuán)隊(duì)使用機(jī)器學(xué)習(xí)分析了數(shù)千張晶體圖像。“蛋白質(zhì)結(jié)晶是一個(gè)隨機(jī)過程，所以我們需要有一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)集才能真正衡量我們的方法是否正在改善結(jié)晶的誘導(dǎo)時(shí)間和成核率。有這么多的圖像要處理，機(jī)器學(xué)習(xí)是最好的方法能夠確定晶體在每幅圖像中形成的時(shí)間，而無需仔細(xì)檢查并手動(dòng)計(jì)算每個(gè)圖像，”McCue說。
該項(xiàng)目是比爾和梅琳達(dá)·蓋茨基金會(huì)努力制造生物藥物的一部分，例如在臨床試驗(yàn)中被證明可以預(yù)防瘧疾的預(yù)防性抗體，可以在發(fā)展中國(guó)家更廣泛地使用。
麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正致力于擴(kuò)大這一過程，以便它可以用于工業(yè)生物反應(yīng)器，并證明它可以與單克隆抗體、疫苗和其他有用的蛋白質(zhì)一起使用。
“如果我們能讓在任何地方制造這些蛋白質(zhì)變得更容易，那么世界上每個(gè)人都可以受益，”瓦拉納西說。“我們并不是說明天就可以解決這個(gè)問題，但這是可以為實(shí)現(xiàn)這一使命做出貢獻(xiàn)的一小步。”
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