Med sjukhus som oftare söker efter antibiotika i sista hand för att bekämpa infektioner och de senaste utbrotten av ebola och zika som passerar gränser som aldrig förr, det världsomspännande forskarsamhället har utmanats med att utveckla nya antimikrobiella medel för att skydda befolkningen.

Forskningsgrenen till det amerikanska försvarsdepartementet, Defense Advanced Research Program Agency, eller DARPA, är känd för att ta sig an stora utmaningar som denna. Och så, de lade ut en uppmaning till forskare att ta reda på hur man kan göra minst 1000 doser till en okänd patogen - på en vecka.

Ett ASU-lag var ett av få som tog sig an denna utmaning.

"Såvitt vi vet var vi det enda teamet som kom på hur man gör detta för någon patogen - virus eller bakterie, " sa forskningsledare Stephen Albert Johnston, som leder ASU Biodesign Institutes Center for Innovations in Medicine och är professor vid School of Life Sciences. "Medan systemet är designat för att skapa antimikrobiella medel i en extrem nödsituation - som vi hoppas aldrig behövs - kan de grundläggande elementen tillämpas för att förbättra konventionella metoder för att göra anti-infektionsmedel.

"Mitt forskningscenter trivs med att ta på sig projekt som de flesta tror inte kan genomföras. Den här utmaningen var för bra för att inte svara."

Syntetiska vaktposter

Antikroppar är stora, Y-formade proteiner som produceras av det mänskliga immunsystemet för att avvärja främmande inkräktare. Våra kroppar tar upp detta försvar snabbt, speciellt om de har sett inkräktaren tidigare, producerar den nödvändiga antikroppen inom några dagar efter infektion.

Men för att göra dem i labbet, antikroppar specifika för bara en inkräktare kan ta månader, och vara ett dyrt förslag.

Johnston ville efterlikna naturens tillvägagångssätt samtidigt som den dramatiskt minskade den antimikrobiella upptäckten och produktionstiden.

Under det senaste decenniet, Johnstons team har varit en pionjär när det gäller att utveckla labbtillverkade versioner som fokuserar på bara affärssidan av antikroppar, kritiska patogenigenkänningselement, kallas syntetiska antikroppar, eller synkroppar.

Synkroppar är gjorda av två korta proteinfragment, kallas peptider, som är sammanfogade för att bilda en liten, antikroppsliknande förening som fortfarande är tillräckligt stor för att göra sitt jobb.

Chips bort

Men även processen med att göra synkroppar tar vanligtvis flera månader.

Synkroppar väljs ut på peptidchips som innehåller en förgjord uppsättning av 10, 000 peptider placerade i prydliga rader på ett objektglas, kallas en mikromatris.

För att skapa en synkropp med antibiotisk aktivitet, en lösning som innehåller bakterier eller virus kan placeras på mikromatrisen.

"Vår lösning för att spara tid var att förscreena ett stort antal patogener på mikroarrayen och hitta 100 peptider som skulle vara tillräckligt olika så att alla patogener som screenades skulle binda till två eller flera peptider, " sa Chris Diehnelt, en docent forskningsprofessor i Johnstons centrum som övervakade labbexperimenten.

De skulle kunna lagra stora lager av dessa 100 peptider i förväg så att 1, 000 eller fler doser av ett läkemedel kan snabbt produceras, screening av de bästa kandidaterna som blockerar en given patogen. Dessa kandidater produceras sedan i stora mängder, renas och testas på möss för akut toxicitet så att hela processen är klar på en vecka.

För deras proof-of-concept, de screenade totalt 21 olika virus och bakterier mot deras synbody-arrayer.

"Vi fann att majoriteten av peptiderna kände igen en patogen, sa Diehnelt.

Dessutom, de testade sitt system mot två okända patogener som inte användes i studien.

"Data visade att denna array potentiellt kan identifiera bindande peptider för en given patogen, sa Diehnelt.

Ett skott i armen

"Med detta tillvägagångssätt, dussintals eller till och med hundratals synkroppar kan produceras på en dag, sa Johnston.

De bästa kandidaterna utvärderas snabbt både för effektiv avdödning och toxicitet för människor och kan produceras i stor skala.

Till sist, deras system testades mot två samhälleliga gissel och stora globala hälsoproblem:en potentiellt pandemisk influensastam (H1N1-influensa) som ett viralt test och en bakterie som orsakar operationsrelaterade infektioner, S. epidermidis .

"Våra data indikerar att ett nytt virus eller en ny bakterie kan screenas mot det lilla peptidbiblioteket för att upptäcka bindande peptider som kan omvandlas till neutraliserande antivirala och antibakteriella synkroppar på ett snabbt sätt, sa Diehnelt.

Nästa steg skulle vara att förbereda den slutliga produkten för en IV-leverans, och att skala upp systemet för att producera tillräckligt med produkt för en befolkningsomfattande användning ——om nästa ebola, Zika eller oväntat utbrott inträffar.

"En nyckel, unik egenskap hos vår synbody-teknologi är att samma plattform kan producera synkroppar med direkt antibiotika eller antiviral aktivitet, och vi kan göra det till en bråkdel av den potentiella kostnaden som nuvarande, kommersiellt framställda terapeutiska antikroppar, sa Johnston.

Detta är goda nyheter för att rädda liv innan nästa oundvikliga utbrott inträffar.

Och för Johnston, som också har spunnit ut företag baserade på andra ASU-teknologier som han har utvecklat eller samutvecklat, det kan också innebära stora affärer utöver potentialen att rädda liv. Den globala marknaden för terapeutiska monoklonala antikroppar och cancerterapier är i hög efterfrågan, med en uppskattad marknadsstorlek nära 100 miljarder dollar för 2018.