Läkemedel som tillverkas av levande celler, kallas även biologics, är ett av de snabbast växande segmenten inom läkemedelsindustrin. Dessa läkemedel, ofta antikroppar eller andra proteiner, används för att behandla cancer, artrit, och många andra sjukdomar.

Att övervaka kvaliteten på dessa läkemedel har visat sig vara utmanande, dock, eftersom proteinproduktion av levande celler är mycket svårare att kontrollera än syntesen av traditionella läkemedel. Vanligtvis består dessa läkemedel av små organiska molekyler som produceras av en rad kemiska reaktioner.

MIT -ingenjörer har utvecklat ett nytt sätt att analysera biologiska ämnen när de produceras, vilket kan leda till snabbare och effektivare säkerhetstester för sådana läkemedel. Systemet, baserat på en serie nanoskala filter, kan också användas för att testa läkemedel omedelbart innan de administreras, för att säkerställa att de inte har försämrats innan de når patienten.

"Just nu finns det ingen mekanism för att kontrollera giltigheten av proteinet efter publicering, "säger Jongyoon Han, en MIT -professor i elektroteknik och datavetenskap. "Om du har analyser som konsumerar en mycket liten mängd av ett prov men också ger viktig säkerhetsinformation om aggregering och bindning, vi kan tänka på punkt-av-vård-analys. "

Han är seniorförfattare till tidningen, som visas i 22 maj -numret av Naturnanoteknik . Tidningens huvudförfattare är MIT postdoc Sung Hee Ko.

En komplicerad process

Många biologiska ämnen produceras i "bioreaktorer" befolkade av celler som har konstruerats för att producera stora mängder av vissa proteiner, såsom antikroppar eller cytokiner (en typ av signalmolekyl som används av immunsystemet). Några av dessa proteindroger kräver också tillsats av sockermolekyler genom en process som kallas glykosylering.

"Proteiner är i sig mer komplicerade än småmolekylära läkemedel. Även om du kör samma exakta bioreaktorprocess, du kan sluta med olika proteiner, med olika glykosylering och olika aktiviteter, Säger Han.

Även om tillverkare kan övervaka bioreaktorförhållanden som temperatur och pH, som kan varna för potentiella problem, det finns inget sätt att testa proteinkvaliteten förrän produktionen är klar, och den processen kan ta månader.

"I slutet av den processen, du kanske får en bra sats. Och om du råkar få en dålig sats, detta innebär mycket slöseri i det totala tillverkningsarbetsflödet, Säger Han.

Han trodde att nanofilter som han tidigare hade utvecklat kunde anpassas för att sortera proteiner efter storlek när de flödar genom en liten kanal, som kan möjliggöra kontinuerlig, automatisk övervakning när proteinerna produceras. Denna storleksinformation kan avslöja om proteinerna har klumpat ihop sig, vilket är ett tecken på att proteinet har tappat sin ursprungliga struktur.

När proteiner har kommit in i nanofilterarrayenheten, de riktas till ena sidan av väggen. Denna smala rad proteiner möter sedan en serie snedställda filter med små porer (15 till 30 nanometer). Porerna är utformade så att mindre proteiner lätt kommer att passera genom dem, medan större proteiner kommer att röra sig längs diagonalen en bit innan de tar sig igenom en av porerna. Detta gör att proteinerna kan separeras baserat på deras storlek:Mindre proteiner håller sig närmare sidan där de började, medan större proteiner driver mot motsatt sida.

Genom att ändra storleken på porerna, forskarna kan använda detta system för att separera proteiner i massa från 20 till hundratals kilodalton. Detta gör att de kan avgöra om proteinerna har bildat stora klumpar som kan framkalla ett farligt immunsvar hos patienter.

Forskarna testade sin enhet på tre proteiner:humant tillväxthormon; interferon alfa-2b, ett cytokin som testas som ett cancerläkemedel; och granulocytkolonistimulerande faktor (GCSF), som används för att stimulera produktionen av vita blodkroppar.

För att demonstrera enhetens förmåga att avslöja proteinnedbrytning, forskarna utsatte dessa proteiner för skadliga förhållanden som värme, Väteperoxid, och ultraviolett ljus. Att separera proteinerna genom nanofilterarray -enheten gjorde det möjligt för forskarna att exakt avgöra om de hade försämrats eller inte.

Sortering efter storlek kan också avslöja om proteiner binder till sina avsedda mål. Att göra detta, forskarna blandade biologerna med proteinfragment som läkemedlen är avsedda att rikta in sig på. Om biologiska ämnen och proteinfragment binder korrekt, de bildar ett större protein med en distinkt storlek.

Snabb analys

Detta nanofluidiska system kan analysera ett litet proteinprov på 30 till 40 minuter, plus de få timmar det tar att förbereda provet. Dock, forskarna tror att de kan påskynda det genom att ytterligare miniatyrisera enheten.

"Vi kanske kan göra det på tiotals minuter, eller till och med några minuter, "Säger Han." Om vi ​​inser det, vi kanske kan göra riktiga kontroller. Det är den framtida riktningen. "