Gli ingegneri chimici del MIT hanno scoperto che array di miliardi di sensori su nanoscala hanno proprietà uniche che potrebbero aiutare le aziende farmaceutiche a produrre farmaci, specialmente quelli basati su anticorpi, in modo più sicuro ed efficiente.

Utilizzando questi sensori, i ricercatori sono stati in grado di caratterizzare le variazioni nella forza di legame dei farmaci anticorpali, che promettono di curare il cancro e altre malattie. Hanno anche usato i sensori per monitorare la struttura delle molecole di anticorpi, compreso se contengono una catena di zuccheri che interferisce con il corretto funzionamento.

"Questo potrebbe aiutare le aziende farmaceutiche a capire perché alcune formulazioni di farmaci funzionano meglio di altre, e possono contribuire a migliorare la loro efficacia, "dice Michele Strano, un professore di ingegneria chimica del MIT e autore senior di un recente articolo che descrive i sensori nella rivista ACS Nano .

Il team ha anche dimostrato come gli array di nanosensori potrebbero essere utilizzati per determinare quali cellule in una popolazione di cellule geneticamente modificate, le cellule produttrici di farmaci sono le più produttive o desiderabili, Strano dice.

L'autore principale del documento è Nigel Reuel, uno studente laureato nel laboratorio di Strano. I laboratori dei membri della facoltà del MIT Krystyn Van Vliet, Anche Christopher Love e Dane Wittrup hanno contribuito, insieme a scienziati di Novartis.

Testare la forza del farmaco

Strano e altri scienziati hanno precedentemente dimostrato che piccoli, sensori di dimensioni nanometriche, come i nanotubi di carbonio, offrono un modo potente per rilevare piccole quantità di una sostanza. I nanotubi di carbonio sono 50, 000 volte più sottile di un capello umano, e possono legarsi a proteine ​​che riconoscono una specifica molecola bersaglio. Quando il bersaglio è presente, altera il segnale fluorescente prodotto dal nanotubo in un modo che gli scienziati possono rilevare.

Alcuni ricercatori stanno cercando di sfruttare grandi array di nanosensori, come i nanotubi di carbonio o i nanofili semiconduttori, ciascuno personalizzato per una diversa molecola bersaglio, per rilevare molti bersagli diversi contemporaneamente. Nel nuovo studio, Strano e i suoi colleghi volevano esplorare proprietà uniche che emergono da una vasta gamma di sensori che rilevano tutti la stessa cosa.

La prima caratteristica che hanno scoperto, attraverso modelli e sperimentazioni matematiche, è che gli array uniformi possono misurare la distribuzione della forza di legame di proteine ​​complesse come gli anticorpi. Gli anticorpi sono molecole presenti in natura che svolgono un ruolo chiave nella capacità del corpo di riconoscere e difendersi dagli invasori estranei. Negli ultimi anni, gli scienziati hanno sviluppato anticorpi per curare le malattie, in particolare il cancro. Quando quegli anticorpi si legano alle proteine ​​trovate sulle cellule tumorali, stimolano il sistema immunitario del corpo ad attaccare il tumore.

Affinché i farmaci anticorpali siano efficaci, devono vincolare fortemente il loro obiettivo. Però, il processo di fabbricazione, che si basa su non umani, cellule ingegnerizzate, non sempre genera coerente, lotti di anticorpi che legano uniformemente.

Attualmente, le aziende farmaceutiche utilizzano processi analitici lunghi e costosi per testare ogni lotto e assicurarsi che soddisfi gli standard normativi per l'efficacia. Però, il nuovo sensore del MIT potrebbe rendere questo processo molto più veloce, consentendo ai ricercatori non solo di monitorare e controllare meglio la produzione, ma anche per mettere a punto il processo di fabbricazione per generare un prodotto più coerente.

"Potresti usare la tecnologia per rifiutare i lotti, ma idealmente vorresti usarlo nello sviluppo del processo a monte per definire meglio le condizioni della cultura, così allora non produrresti lotti spuri, "dice Reuel.

Misurare le interazioni deboli

Un'altra caratteristica utile di tali sensori è la loro capacità di misurare interazioni di legame molto deboli, che potrebbe anche aiutare con la produzione di farmaci anticorpali.

Gli anticorpi sono solitamente ricoperti da lunghe catene di zucchero attraverso un processo chiamato glicosilazione. Queste catene di zucchero sono necessarie affinché i farmaci siano efficaci, ma sono estremamente difficili da rilevare perché interagiscono così debolmente con altre molecole. Gli organismi produttori di farmaci che sintetizzano anticorpi sono anche programmati per aggiungere catene di zuccheri, ma il processo è difficile da controllare ed è fortemente influenzato dalle condizioni ambientali delle cellule, compresa la temperatura e l'acidità.

Senza la glicosilazione appropriata, gli anticorpi consegnati a un paziente possono suscitare una risposta immunitaria indesiderata o essere distrutti dalle cellule del corpo, rendendoli inutili.

"Questo è stato un problema sia per le aziende farmaceutiche che per i ricercatori, cercando di misurare le proteine ​​glicosilate riconoscendo la catena dei carboidrati, " Strano dice. "Quello che un array di nanosensori può fare è espandere notevolmente il numero di opportunità per rilevare eventi di legame rari. Puoi misurare ciò che altrimenti non saresti in grado di quantificare con un singolo, sensore più grande con la stessa sensibilità."

Questo strumento potrebbe aiutare i ricercatori a determinare le condizioni ottimali affinché si verifichi il corretto grado di glicosilazione, rendendo più facile la produzione coerente di farmaci efficaci.

Mappatura della produzione

La terza proprietà scoperta dai ricercatori è la capacità di mappare la produzione di una molecola di interesse. "Una delle cose che vorresti fare è trovare ceppi di particolari organismi che producono la terapia che desideri, " Dice Strano. "Ci sono molti modi per farlo, ma nessuno di loro è facile."

Il team del MIT ha scoperto che facendo crescere le cellule su una superficie rivestita con una serie di sensori di dimensioni nanometriche, potrebbero rilevare la posizione delle cellule più produttive. In questo studio, hanno cercato un anticorpo prodotto da cellule renali embrionali umane ingegnerizzate, ma il sistema potrebbe anche essere adattato ad altre proteine ​​e organismi.

Una volta individuate le cellule più produttive, gli scienziati cercano geni che distinguano quelle cellule da quelle meno produttive e progettano un nuovo ceppo altamente produttivo, Strano dice.

Le potenziali applicazioni come il monitoraggio delle cellule produttrici di farmaci sono ciò che rende eccitante la nuova tecnologia, dice Lara Mahal, professore associato di chimica alla New York University, che non faceva parte del gruppo di ricerca.

"E 'potenzialmente molto potente come un modo per essere in grado di selezionare le colonie, " Mahal dice. "La produzione è qualcosa che le persone sono molto interessate a monitorare. Puoi far crescere tutte queste cellule nello stesso ambiente, eppure non mostrano lo stesso comportamento".

I ricercatori hanno costruito un prototipo delle dimensioni di una valigetta del loro sensore che intendono testare con Novartis, che ha finanziato la ricerca insieme alla National Science Foundation.

"I nanotubi di carbonio accoppiati a entità leganti le proteine ​​sono interessanti per diverse aree della bioproduzione in quanto offrono un grande potenziale per il monitoraggio online dei livelli e della qualità del prodotto. La nostra collaborazione ha dimostrato che i sensori fluorescenti basati su nanotubi di carbonio sono applicabili a tali scopi, e sono ansioso di seguire la maturazione di questa tecnologia, "dice Ramon Wahl, un autore della carta e uno scienziato principale a Novartis.

Il documento è intitolato "Proprietà emergenti degli array di nanosensori:applicazioni per il monitoraggio delle distribuzioni di affinità IgG, Ipermannosilazione debolmente affine, e la selezione della colonia per la bioproduzione."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.