När det kommer till att leverera läkemedel till kroppen är en stor utmaning att se till att de stannar kvar i det område de behandlar och fortsätter att leverera sin nyttolast korrekt. Även om stora framsteg har gjorts när det gäller att leverera läkemedel, är övervakning av dem en utmaning som ofta kräver invasiva procedurer som biopsier.

Forskare vid NYU Tandon under ledning av Jin Kim Montclare, professor i kemi- och biomolekylär teknik, har utvecklat proteiner som kan sättas ihop till fibrer för att användas som terapeutiska medel för potentiella behandlingar av flera sjukdomar.

Dessa biomaterial kan kapsla in och leverera terapi för en mängd sjukdomar. Men medan Montclares labb länge har arbetat med att producera dessa material, fanns det en gång en utmaning som var svår att övervinna – hur man säkerställer att dessa proteiner fortsatte att leverera sin terapeutika på rätt plats i kroppen under den nödvändiga tiden.

I en nyligen publicerad studie publicerad av tidskriften ACS Applied Nano Materials , hennes labb kunde skapa biomaterial som var fluorerade. Tack vare denna fluorering kan de övervakas med enkla FMRI-skanningar, vilket gör det möjligt för medicinsk personal att säkerställa att läkemedlen finns kvar på behandlingsområdena genom icke-invasiv bildteknik.

Materialet består av naturliga proteiner, men forskargruppen introducerade den icke-naturliga aminosyran trifluoroleucin. Eftersom fluor är sällsynt i kroppen gör det att biomaterialen lyser upp som en helgdagsvisning när kroppen görs med en 19FMRI-skanning.

"Som ett terapeutiskt medel kan det inte bara leverera ett terapeutiskt medel för cancer eller ledsjukdom, till exempel, men vi kan nu se att det fortfarande är på plats i kroppen och släpper läkemedlet där det är tänkt", säger Montclare. "Det tar bort behovet av invasiva operationer eller biopsier för att se vad som händer."

Montclares labb utför banbrytande forskning inom ingenjörsproteiner för att efterlikna naturen och, i vissa fall, fungera bättre än naturen. Hon arbetar med att skräddarsy artificiella proteiner med syfte att rikta in sig på mänskliga sjukdomar, läkemedelsleverans och vävnadsregenerering samt skapa nanomaterial för elektronik. Genom användning av kemi och genteknik har hon bidragit till sjukdomar som sträcker sig från covid-19 till artros till många fler.

Detta genombrott använder samma aminosyror och proteiner som kännetecknar mycket av Montclares forskning. Eftersom de är gjorda av organiska material, när dessa biomaterial har slutfört sitt jobb och levererat terapi, kan kroppen bryta ner dem utan någon form av negativa effekter.

Detta skiljer det från andra behandlingar som använder icke-organiska material som kan orsaka ett allvarligt immunsvar eller andra reaktioner. I kombination med fluoreringstekniken kan dessa material ge en behandling för lokala sjukdomar som kan vara mycket mindre invasiva än nuvarande behandlingar och som är mycket lättare och mindre störande att övervaka.

Montclare samarbetade nära med fakulteten vid NYU School of Medicine i denna studie, inklusive medförfattaren Youssef Z. Wadghiri vid avdelningen för radiologi, samt Richard Bonneau vid Flatiron Institute.

Montclares team visade sin forskning i musmodeller, men hon funderar redan på att experimentera på möss med specifika sjukdomar för att bevisa proteinets förmåga att behandla sjukdomar.

De självmonterande proteinerna som Montclares team använde är bara en delmängd av det hon och hennes labb arbetar med. I en annan artikel publicerad i Biomacromolecules , kunde hennes labb använda beräkningsdesign för att skapa proteiner som kunde bilda hydrogeler, tack vare ett program skrivet av hennes Ph.D. student Dustin Britton.

Dessa hydrogeler har olika övergångstemperaturer - den temperatur som gelerna kan förbli gelade utan att lösas upp eller bli instabila. Tidigare var den övre gränsen för gelning runt 17° Celsius. För biomedicinska tillämpningar var detta suboptimalt, eftersom det skulle smälta när det närmade sig mänsklig kroppstemperatur. Genom att använda sina beräkningsmässigt utformade proteiner kunde Britton flytta denna gräns upp till 33,6° Celsius.

På grund av denna nya stabilitet kunde proteinerna som Britton och Montclare designade användas för topikala behandlingar, inklusive läkning av sår. Och förutom den ökade värmetoleransen kan det nya proteinet gela mycket snabbare än tidigare versioner, vilket gör det mycket effektivare och mer användbart för medicinska tillämpningar.

Samtidigt som temperaturen ändrades kunde Britton också designa ett protein som också är fluorescerande, vilket innebär att det har samma potential för visualisering som de fluorerade proteinerna i deras andra studie. Det gör det möjligt för läkare att övervaka dess närvaro i sår och att säkerställa att den levererar sin terapeutiska nyttolast. Och gelén har samma fördelar som laboratoriets proteiner avsedda för internt bruk, genom att den kommer att kunna brytas ned och försvinna i kroppen med få eller inga negativa effekter.

Brittons datormodell gör mer än att designa detta specifika protein. Enligt Monclare har området för proteinkonstruerade biomaterial länge dominerats av trial-and-error-testning av hypotetiska konstruktioner i hopp om att se om de kommer att vara stabila. Men Brittons modell kunde skapa konsekvent framgångsrika geler, generera sekvenser med en extremt hög framgångsfrekvens och skapa nya proteiner med nya egenskaper för potentiell terapeutisk användning.

"För tillverkning av biomaterial kommer detta absolut att påskynda vad vi kan göra", säger Montclare. "Så som det traditionellt görs gör man rationella förändringar och ser om det fungerar, och 90 procent av tiden gör det inte det. Med den här nya modellen fungerar alla, och vi kan sedan välja bland de bästa av dem. som fungerar. Det kommer att revolutionera sättet vi gör biomaterial på."

I Monclares labb har detta förändrat hur de kommer att skapa nya proteiner och material framöver - det finns ingen återvändo till den rationella iterationspraxis som hade en så hög misslyckandefrekvens. Och det kommer säkerligen att påskynda produktionen av revolutionerande biomaterial som snart kommer att läka några av de allvarligaste medicinska tillstånden i världen.

Mer information: Dustin Britton et al, Protein-Engineered Fibres For Drug Incapsulation Spårbara via 19F magnetisk resonans, ACS Applied Nano Materials (2023). DOI:10.1021/acsanm.3c04357

Dustin Britton et al, Computational Prediction of Coiled-Coil Protein Gelation Dynamics and Structure, Biomakromolekyler (2023). DOI:10.1021/acs.biomac.3c00968

Journalinformation: Biomakromolekyler

Tillhandahålls av NYU Tandon School of Engineering