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)院的工程師們設(shè)計了一種新的方法來進行這種純化。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)展中國家。
“這項工作使用生物共軛功能化的納米粒子作為模板，在低濃度下增強蛋白質(zhì)晶體的形成，”麻省理工學(xué)院機械工程教授、這項新研究的資深作者KripaVaranasi說。“目標(biāo)是降低成本，使發(fā)展中國家能夠負(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)，但這個過程被認(rèn)為對于工業(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，瓦拉納西的實驗室著手使用納米級結(jié)構(gòu)來加速結(jié)晶。
在之前的工作中，該實驗室使用納米級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，研究人員希望對納米粒子進行改造，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，蛋白質(zhì)會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)物來迫使這個過程發(fā)生，”Varanasi說。
快速結(jié)晶
在他們對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，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)時間減少了七倍——晶體開始形成所需的時間——成核率增加了三倍，這是晶體一旦開始生長的速度。
“即使在低蛋白質(zhì)濃度下，我們也會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)時間，因為這些生物共軛物為蛋白質(zhì)提供了一個特定的結(jié)合位點。而且由于蛋白質(zhì)是對齊的，它們可以更快地形成晶體。”
此外，該團隊使用機器學(xué)習(xí)分析了數(shù)千張晶體圖像。“蛋白質(zhì)結(jié)晶是一個隨機過程，所以我們需要有一個龐大的數(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)時間和成核率。有這么多的圖像要處理，機器學(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間，而無需仔細(xì)檢查并手動計算每個圖像，”McCue說。
該項目是比爾和梅琳達·蓋茨基金會努力制造生物藥物的一部分，例如在臨床試驗中被證明可以預(yù)防瘧疾的預(yù)防性抗體，可以在發(fā)展中國家更廣泛地使用。
麻省理工學(xué)院的團隊現(xiàn)在正致力于擴大這一過程，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問題，但這是可以為實現(xiàn)這一使命做出貢獻的一小步。”
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