Kredit:Unsplash/CC0 Public Domain
En forskargrupp från University of Toronto Engineering har skapat en ny plattform som levererar flera terapeutiska proteiner till kroppen, var och en i sin egen oberoende kontrollerade hastighet. Innovationen kan hjälpa till att behandla degenerativa sjukdomar som åldersrelaterad makuladegeneration (AMD), den främsta orsaken till synförlust för personer över 50 år.
Till skillnad från traditionella läkemedel gjorda av små molekyler är terapeutiska proteiner syntetiska versioner av större biomolekyler som finns naturligt i kroppen. Ett exempel är det syntetiska insulinet som används för att behandla diabetes. Det finns andra proteiner som kan modulera kroppens egna reparationsprocesser på sätt som småmolekylära läkemedel inte kan.
"Proteiner har stor terapeutisk potential, men de är notoriskt svåra att leverera", säger professor Molly Shoichet (ChemE, BME, Donnelly), som ledde teamet. "I mer än ett decennium har vår grupp kommit på olika sätt att lösa det grundläggande problemet."
En utmaning är att proteiner är mindre kemiskt stabila än små molekyler, vilket gör dem sårbara för skador från fysiska krafter eller interaktioner med lösningsmedel och andra kemikalier. En annan utmaning är att få dem till den plats där de behövs.
"Du kan injicera ett terapeutiskt protein på platsen för en skada, men naturliga biokemiska processer i kroppen tenderar att transportera bort dem ganska snabbt", säger Carter Teal (BME Ph.D.-kandidat), en doktorand i Shoichets labb.
"För att övervinna det behöver du system som långsamt frigör proteinerna på ett kontrollerat sätt - och du kan inte nödvändigtvis använda samma som för traditionella läkemedelsmolekyler, eftersom de ofta är för hårda."
Shoichet och hennes team är specialiserade på att tillverka biokompatibla material som kallas hydrogeler, som har en porös, svampliknande struktur med utrymmen som är tillräckligt stora för att tillåta terapeutiska proteiner att röra sig fritt. Hydrogeler kan infunderas med dessa proteiner och sedan implanteras i kroppen, där proteinerna långsamt diffunderar ut över tiden.
"En fördel med hydrogeler är att de kan anpassas för att ge önskade mekaniska egenskaper och proteinfrisättningshastigheter genom modifiering med en mängd olika kemiska grupper som tvärbinder på olika sätt eller interagerar med de terapeutiska proteiner vi vill leverera", säger Marian Hettiaratchi , som arbetade med projektet som postdoktor i Shoichets labb och nu är professor vid University of Oregons Phil and Penny Knight Campus for Accelerating Scientific Impact.
"Proteiner kan också vanligtvis lätt blandas in i hydrogeler utan att störa deras struktur, och ett antal hydrogeler har visat sig skydda proteiner från nedbrytning när de levereras till kroppen."
I deras senaste artikel, publicerad i Advanced Materials , modifierade teamet sina hydrogeler med affikroppsproteiner, biomolekyler som är besläktade med små antikroppar.
"Affibody-proteiner härrörde ursprungligen från en bakterie känd som Staphylococcus aureus", säger Teal.
"S. aureus producerar ett protein - känt som protein A - och genom att separera och modifiera en liten del av protein A kan anpassningsbara bindemedel för många olika typer av biomolekyler skapas. Dessa bindemedel kallas affikroppsproteiner."
U of T Engineering-teamet arbetade med University of Minnesota Twin Cities professor Ben Hackel och hans team på Institutionen för kemiteknik och materialvetenskap, som tillhandahållit ett bibliotek med mer än 100 miljoner varianter av affikroppsproteiner.
Shoichets team screenade sedan detta bibliotek för att hitta affikroppsproteiner som skulle binda till vart och ett av de två terapeutiska proteinerna de ville leverera:insulinliknande tillväxtfaktor-1 (IGF-1) och pigmentepitelhärledd faktor (PEDF).
Tidigare forskning har visat att IGF-1 och PEDF var och en har potential att bromsa utvecklingen av retinala degenerativa sjukdomar som AMD på egen hand. När de används i kombination kan de vara ännu mer kraftfulla än var och en för sig.
"Normalt, när forskare gör dessa typer av screeningar, letar de efter affikroppsproteiner med både hög selektivitet, vilket innebär att de bara binder till det protein du vill ha, och hög affinitet, vilket betyder att de binder tätt till målproteinet", säger Shoichet.
"I vårt fall ville vi ha hög selektivitet, men bara måttlig affinitet, eftersom vi vill att det terapeutiska proteinet ska frigöras långsamt med tiden. Det är lite som att hitta skatter i papperskorgen:det här är varianter som i ett annat sammanhang bara skulle har kastats ut."
Efter att ha begränsat fältet till de två affikroppsproteinerna med den selektivitet och affinitet de behövde använde teamet en teknik som kallas "klickkemi" för att belägga dem på deras hydrogeler.
Tester utförda på dessa material visade att IGF-1 och PEDF frisattes långsammare och förblev aktiva i lösning längre med dessa nya affibody-hydrogeler än med hydrogeler utan affikroppar.
De visade också att frisättningshastigheterna kunde kontrolleras oberoende genom att variera nivåerna av de två affikroppsproteinerna. Om teamet till exempel ville sänka frisättningshastigheten för IGF-1 samtidigt som frisättningshastigheten för PEDF lämnades oförändrad, kunde de helt enkelt använda mer av motsvarande affibody-proteinpar i hydrogelen.
"Screeningsprocessen har många olika steg i sig, och det tog många månader att gå från hundratals miljoner potentiella kandidater ner till de två vi så småningom valde ut", säger Teal. "Det var verkligen spännande att se att vi i slutet av det uppnådde det vi hade för avsikt att göra."
Eftersom tillvägagångssättet är modulärt, säger Shoichet att det lätt kan anpassas för andra användningsområden.
"Vi valde IGF-1 och PEDF på grund av deras synergistiska effekt vid behandling av makuladegeneration, som länge har varit fokus på vårt labb, men du kan göra detta för vilken uppsättning proteiner som helst", säger hon.
"Nu när vi har visat att det är möjligt hoppas vi att det öppnar upp fältet för andra." + Utforska vidare
