Farmaci prodotti da cellule viventi, chiamati anche biologici, sono uno dei segmenti in più rapida crescita dell'industria farmaceutica. Questi farmaci, spesso anticorpi o altre proteine, vengono usati per curare il cancro, artrite, e molte altre malattie.

Il monitoraggio della qualità di questi farmaci si è dimostrato impegnativo, però, perché la produzione di proteine ​​da parte delle cellule viventi è molto più difficile da controllare rispetto alla sintesi dei farmaci tradizionali. Tipicamente questi farmaci sono costituiti da piccole molecole organiche prodotte da una serie di reazioni chimiche.

Gli ingegneri del MIT hanno escogitato un nuovo modo per analizzare i prodotti biologici mentre vengono prodotti, che potrebbe portare a test di sicurezza più rapidi ed efficienti per tali farmaci. Il sistema, basato su una serie di filtri su scala nanometrica, potrebbe anche essere impiegato per testare i farmaci immediatamente prima di somministrarli, per assicurarsi che non si siano degradati prima di raggiungere il paziente.

"Al momento non esiste alcun meccanismo per verificare la validità della proteina post-rilascio, "dice Jongyoon Han, un professore del MIT di ingegneria elettrica e informatica. "Se disponi di analisi che consumano una quantità molto piccola di un campione ma forniscono anche informazioni di sicurezza critiche sull'aggregazione e il legame, possiamo pensare all'analisi point-of-care."

Han è l'autore senior del documento, che appare nel numero del 22 maggio di Nanotecnologia della natura . L'autore principale del documento è il postdoc del MIT Sung Hee Ko.

Un processo complicato

Molti farmaci biologici sono prodotti in "bioreattori" popolati da cellule che sono state ingegnerizzate per produrre grandi quantità di determinate proteine ​​come anticorpi o citochine (un tipo di molecola di segnalazione utilizzata dal sistema immunitario). Alcuni di questi farmaci proteici richiedono anche l'aggiunta di molecole di zucchero attraverso un processo noto come glicosilazione.

"Le proteine ​​sono intrinsecamente più complicate dei farmaci a piccole molecole. Anche se esegui lo stesso identico processo di bioreattore, potresti ritrovarti con proteine ​​diverse, con diversa glicosilazione e diversa attività, " dice Han.

Sebbene i produttori possano monitorare le condizioni del bioreattore come temperatura e pH, che può avvertire di potenziali problemi, non c'è modo di testare la qualità delle proteine ​​fino al completamento della produzione, e questo processo può richiedere mesi.

"Alla fine di quel processo, potresti o meno ottenere un buon lotto. E se ti capita di ottenere un lotto difettoso, questo significa un sacco di sprechi nel flusso di lavoro di produzione complessivo, " dice Han.

Han credeva che i nanofiltri che aveva sviluppato in precedenza potessero essere adattati per ordinare le proteine ​​in base alle dimensioni mentre scorrono attraverso un minuscolo canale, che potrebbe consentire un continuo, monitoraggio automatico man mano che le proteine ​​vengono prodotte. Queste informazioni sulla dimensione possono rivelare se le proteine ​​si sono raggruppate insieme, che è un segno che la proteina ha perso la sua struttura originale.

Dopo che le proteine ​​entrano nel dispositivo array di nanofiltri, sono diretti a un lato del muro. Questa linea stretta di proteine ​​incontra quindi una serie di filtri inclinati con piccoli pori (da 15 a 30 nanometri). I pori sono progettati in modo che le proteine ​​più piccole si inseriscano facilmente attraverso di essi, mentre le proteine ​​più grandi si sposteranno lungo la diagonale per una certa distanza prima di attraversare uno dei pori. Ciò consente di separare le proteine ​​in base alla loro dimensione:le proteine ​​più piccole rimangono più vicine al lato da cui sono iniziate, mentre le proteine ​​più grandi si spostano verso il lato opposto.

Modificando la dimensione dei pori, i ricercatori possono utilizzare questo sistema per separare le proteine ​​che vanno in massa da 20 a centinaia di kilodalton. Ciò consente loro di determinare se le proteine ​​hanno formato grandi grumi che potrebbero provocare una risposta immunitaria pericolosa nei pazienti.

I ricercatori hanno testato il loro dispositivo su tre proteine:ormone della crescita umano; interferone alfa-2b, una citochina che viene testata come farmaco contro il cancro; e fattore stimolante le colonie di granulociti (GCSF), che viene utilizzato per stimolare la produzione di globuli bianchi.

Per dimostrare la capacità del dispositivo di rivelare la degradazione delle proteine, i ricercatori hanno esposto queste proteine ​​a condizioni dannose come il calore, perossido di idrogeno, e luce ultravioletta. La separazione delle proteine ​​attraverso il dispositivo array di nanofiltri ha permesso ai ricercatori di determinare con precisione se si fossero degradate o meno.

L'ordinamento per dimensione può anche rivelare se le proteine ​​si legano ai bersagli previsti. Per fare questo, i ricercatori hanno mescolato i prodotti biologici con frammenti proteici che i farmaci dovrebbero mirare. Se i biologici e i frammenti proteici si legano correttamente, formano una proteina più grande con una dimensione distintiva.

Analisi rapida

Questo sistema nanofluidico può analizzare un piccolo campione di proteine ​​in 30-40 minuti, più le poche ore necessarie per preparare il campione. Però, i ricercatori ritengono di poterlo velocizzare miniaturizzando ulteriormente il dispositivo.

"Potremmo essere in grado di farlo in decine di minuti, o anche pochi minuti, " dice Han. "Se ce ne rendiamo conto, potremmo essere in grado di eseguire veri controlli al punto di cura. Questa è la direzione futura".