新的纯化方法可以使蛋白质药物更便宜

制造抗体或胰岛素等蛋白质药物最昂贵的步骤之一是纯化步骤：从用于生产蛋白质的生物反应器中分离蛋白质。这一步最多可以占制造蛋白质总成本的一半。

为了帮助降低这些成本，麻省理工学院的工程师设计了一种进行这种纯化的新方法。他们的方法使用专门的纳米颗粒快速结晶蛋白质，可以帮助使蛋白质药物更实惠和更容易获得，特别是在发展中国家。

“这项工作使用生物共轭功能化的纳米颗粒作为在低浓度下增强蛋白质晶体形成的模板，”麻省理工学院机械工程教授，新研究的资深作者Kripa Varanasi说。“我们的目标是降低成本，使这种药物制造在发展中国家变得负担得起。

研究人员证明，他们的方法可用于结晶溶菌酶(一种抗菌酶)和胰岛素。他们认为它也可以应用于许多其他有用的蛋白质，包括抗体药物和疫苗。

麻省理工学院研究生Caroline McCue是该研究的主要作者，该研究于今天(28月20日)发表在ACS应用材料和界面杂志上。Henri-Louis Girard Ph.D. ' <>也是该论文的作者。

蛋白质纯化

抗体和其他蛋白质药物是越来越多的生物制剂药物的一部分，其中还包括DNA和RNA等分子，以及基于细胞的疗法。大多数蛋白质药物是由活细胞(如大型生物反应器中的酵母)产生的。

一旦产生这些蛋白质，就必须从反应器中分离出来，这通常通过称为色谱法的过程来完成。色谱法根据蛋白质的大小分离蛋白质，需要特殊的材料，这使得该过程非常昂贵。

瓦拉纳西和他的同事们决定尝试一种基于蛋白质结晶的不同方法。研究人员经常结晶蛋白质以研究其结构，但该过程被认为对于工业用途来说太慢了，并且在低浓度的蛋白质下效果不佳。为了克服这些障碍，瓦拉纳西的实验室着手使用纳米级结构来加速结晶。

在以前的工作中，该实验室使用纳米级特征来创建排斥水的材料或修改用于注射高粘度生物药物的界面。在这种情况下，研究人员希望适应纳米颗粒，以便它们可以局部增加表面蛋白质的浓度，并提供一个模板，使蛋白质正确排列并形成晶体。

为了创造他们需要的表面，研究人员用称为生物偶联物的分子涂覆金纳米颗粒 - 可以帮助形成其他分子之间链接的材料。在这项研究中，研究人员使用了称为马来酰亚胺和NHS的生物偶联物，它们通常用于标记蛋白质以进行研究或将蛋白质药物附着在药物递送纳米颗粒上。

当蛋白质溶液暴露于这些包被的纳米颗粒时，蛋白质积聚在表面并与生物偶联物结合。此外，生物偶联物迫使蛋白质与特定方向对齐，为其他蛋白质进入并加入晶体创造了一个支架。

研究人员用溶菌酶(一种结晶特性已得到充分研究的酶)和胰岛素展示了他们的方法。他们说它也可以应用于许多其他蛋白质。

“这是一种通用方法，也可以扩展到其他系统。如果你知道你试图结晶的蛋白质结构，你可以添加正确的生物偶联物，迫使这个过程发生，“瓦拉纳西说。

快速结晶

在他们对溶菌酶和胰岛素的研究中，研究人员发现，与裸纳米颗粒或无纳米颗粒相比，当蛋白质暴露于生物偶联物包被的纳米颗粒时，结晶发生得更快。使用涂层颗粒，研究人员看到诱导时间减少了七倍 - 晶体开始形成所需的时间 - 并且成核速率增加了三倍，这是晶体一旦开始生长的速度。

“即使在低蛋白质浓度下，我们也会看到更多的晶体与这些生物共轭功能化的纳米颗粒形成，”McCue说。“功能化的纳米颗粒大大减少了诱导时间，因为这些生物偶联物为蛋白质结合提供了特定的位点。而且由于蛋白质是对齐的，它们可以更快地形成晶体。

此外，该团队使用机器学习来分析数千张晶体图像。“蛋白质结晶是一个随机过程，因此我们需要一个巨大的数据集，以便能够真正测量我们的方法是否改善了结晶的诱导时间和成核速率。由于需要处理如此多的图像，机器学习是能够确定每个图像中何时形成晶体的最佳方法，而无需通过并手动计算每个图像，“McCue说。

该项目是比尔和梅林达·盖茨基金会努力使生物药物(例如在临床试验中被证明可以预防疟疾的预防性抗体)在发展中国家更广泛地获得的努力的一部分。

麻省理工学院的团队现在正在努力扩大这一过程，以便它可以用于工业生物反应器，并证明它可以与单克隆抗体、疫苗和其他有用的蛋白质一起工作。

“如果我们能够更容易地在任何地方制造这些蛋白质，那么世界上每个人都可以从中受益，”瓦拉纳西说。“我们并不是说明天会因为我们而解决这个问题，但这是可以为这项任务做出贡献的一小步。