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Un team di ricerca di ingegneria dell'Università di Toronto ha creato una nuova piattaforma che fornisce all'organismo più proteine terapeutiche, ciascuna alla propria velocità controllata in modo indipendente. L'innovazione potrebbe aiutare a curare malattie degenerative come la degenerazione maculare legata all'età (AMD), la principale causa di perdita della vista per le persone di età superiore ai 50 anni.
A differenza dei farmaci tradizionali costituiti da piccole molecole, le proteine terapeutiche sono versioni sintetiche di biomolecole più grandi naturalmente presenti nell'organismo. Un esempio è l'insulina sintetica usata per curare il diabete. Esistono altre proteine che possono modulare i processi di riparazione dell'organismo in modi che i farmaci a piccole molecole non possono fare.
"Le proteine hanno un grande potenziale terapeutico, ma sono notoriamente difficili da fornire", afferma la professoressa Molly Shoichet (ChemE, BME, Donnelly), che ha guidato il team. "Per più di un decennio, il nostro gruppo ha escogitato diversi modi per risolvere questo problema fondamentale."
Una sfida è che le proteine sono chimicamente meno stabili delle piccole molecole, il che le rende vulnerabili ai danni causati dalle forze fisiche o dalle interazioni con solventi e altre sostanze chimiche. Un'altra sfida è portarli nel luogo in cui sono necessari.
"Puoi iniettare una proteina terapeutica nel sito di una lesione, ma i processi biochimici naturali all'interno del corpo tendono a eliminarli abbastanza rapidamente", afferma Carter Teal (candidato al dottorato di ricerca BME), uno studente laureato nel laboratorio di Shoichet.
"Per ovviare a questo, hai bisogno di sistemi che rilascino lentamente le proteine in modo controllato e non puoi necessariamente usare gli stessi che useresti per le molecole di farmaci tradizionali, perché spesso sono troppo aggressivi".
Shoichet e il suo team sono specializzati nella produzione di materiali biocompatibili chiamati idrogel, che hanno una struttura porosa simile a una spugna con spazi sufficientemente ampi da consentire alle proteine terapeutiche di muoversi liberamente. Gli idrogel possono essere infusi con queste proteine, quindi impiantati nel corpo, dove le proteine si diffondono lentamente nel tempo.
"Uno dei vantaggi degli idrogel è che possono essere personalizzati per fornire le proprietà meccaniche desiderate e le velocità di rilascio delle proteine attraverso la modifica con una varietà di gruppi chimici che si collegano in modo incrociato in modi diversi o interagiscono con le proteine terapeutiche che vogliamo fornire", afferma Marian Hettiaratchi , che ha lavorato al progetto come borsista post-dottorato nel laboratorio di Shoichet, e ora è professore presso il Phil and Penny Knight Campus dell'Università dell'Oregon per l'accelerazione dell'impatto scientifico.
"Le proteine possono anche essere in genere facilmente mescolate in idrogel senza interrompere la loro struttura e un certo numero di idrogel ha dimostrato di proteggere le proteine dalla degradazione quando vengono consegnate al corpo".
Nel loro ultimo articolo, pubblicato su Materiali avanzati , il team ha modificato i propri idrogel con proteine affibody, biomolecole simili a piccoli anticorpi.
"Le proteine affibody erano originariamente derivate da un batterio noto come Staphylococcus aureus", afferma Teal.
"S. aureus produce una proteina, nota come proteina A, e separando e modificando una piccola sezione della proteina A, è possibile creare agenti leganti personalizzabili per molti diversi tipi di biomolecole. Questi agenti leganti sono chiamati proteine affibody."
Il team di U of T Engineering ha lavorato con il professor Ben Hackel dell'Università del Minnesota Twin Cities e il suo team nel Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali, che ha fornito una libreria di oltre 100 milioni di proteine afficorpali varianti.
Il team di Shoichet ha quindi esaminato questa libreria per trovare proteine afficorpali che si legherebbero a ciascuna delle due proteine terapeutiche che volevano fornire:fattore di crescita simile all'insulina-1 (IGF-1) e fattore derivato dall'epitelio del pigmento (PEDF).
Ricerche precedenti hanno dimostrato che l'IGF-1 e il PEDF hanno ciascuno il potenziale per rallentare il progresso di malattie degenerative della retina come l'AMD da soli. Se usati in combinazione, possono essere anche più potenti di entrambi da soli.
"Normalmente, quando i ricercatori eseguono questi tipi di screening, cercano proteine affibody sia con alta selettività, il che significa che si legano solo alla proteina desiderata, sia con alta affinità, il che significa che si legano strettamente alla proteina bersaglio", afferma Shoichet.
"Nel nostro caso volevamo un'elevata selettività, ma solo un'affinità moderata, perché vogliamo che la proteina terapeutica venga rilasciata lentamente nel tempo. È un po' come trovare tesori nella spazzatura:si tratta di varianti che, in un contesto diverso, sarebbero solo sono stati espulsi."
Dopo aver ristretto il campo alle due proteine affibody con la selettività e l'affinità di cui avevano bisogno, il team ha utilizzato una tecnica chiamata "chimica del clic" per rivestirle sui loro idrogel.
I test condotti su questi materiali hanno mostrato che IGF-1 e PEDF sono stati rilasciati più lentamente e sono rimasti attivi in soluzione più a lungo con questi nuovi affibody-idrogel rispetto agli idrogel senza affibody.
Hanno anche dimostrato che le velocità di rilascio possono essere controllate indipendentemente variando i livelli delle due proteine affibody. Ad esempio, se il team volesse rallentare la velocità di rilascio di IGF-1 lasciando invariata la velocità di rilascio di PEDF, potrebbe semplicemente utilizzare più della corrispondente coppia di proteine affibody nell'idrogel.
"Il processo di screening prevede molti passaggi diversi e ci sono voluti molti mesi per passare da centinaia di milioni di potenziali candidati ai due che alla fine abbiamo selezionato", afferma Teal. "È stato davvero emozionante vedere che alla fine abbiamo raggiunto ciò che ci eravamo prefissati di fare."
Poiché l'approccio è modulare, Shoichet afferma che potrebbe essere facilmente adattato per altri usi.
"Abbiamo scelto IGF-1 e PEDF per il loro effetto sinergico nel trattamento della degenerazione maculare, che è stata a lungo al centro del nostro laboratorio, ma potresti farlo per qualsiasi insieme di proteine", afferma.
"Ora che abbiamo dimostrato che è possibile, speriamo che apra il campo agli altri". + Esplora ulteriormente
