Наносенсоры могут помочь в производстве лекарственных препаратов

Специалисты в области инженерии химических соединений из Массачусетского Технологического Института (Massachusetts Institute of Technology, MIT, США) показали, что матрицы, состоящие из миллиардов наноразмерных сенсоров, обладают уникальными свойствами, способными повысить безопасность и эффективность производства различных лекарственных препаратов, в частности, медикаментов, основанных на антителах.

С помощью этих сенсоров ученые смогли охарактеризовать разные виды взаимодействий лекарственных препаратов, основанных на антителах, что в перспективе поможет в разработке эффективных методов лечения рака и других заболеваний. Сенсоры можно использовать для оценки структуры молекул антител и определения содержания в них цепочек сахаров, мешающих их функционированию.

«Метод может помочь фармакологическим компаниям определить причину, по которой определенные технологии приготовления лекарств работают лучше, чем другие, что повысит эффективность производства», – говорит Майкл Страно (Michael Strano), профессор в области химической инженерии из MIT, один из авторов статьи о наноразмерных сенсорах, недавно опубликованной в журнале ACS Nano.

По словам Страно, исследовательская команда также продемонстрировала, как наносенсорные матрицы можно использовать для определения наиболее производительных и предпочтительных клеток в популяции генетически модифицированных клеток, синтезирующих лекарственные препараты.

Оценка эффективности лекарственных препаратов

Результаты предыдущих исследований, проведенных Страно и другими учеными, показали, что применение тончайших наноразмерных сенсоров, например, углеродных нанотрубок, является эффективным методом определения химических соединений, содержащихся в растворе в малых количествах. Углеродные нанотрубки в 50 тыс. раз тоньше человеческого волоса. Они способны присоединяться к белкам, распознающим специфические таргетные молекулы. Если в растворе присутствует таргетная молекула, флюоресцентный сигнал, производимый углеродной нанотрубкой, меняется, и это можно детектировать.

Для одномоментного определения большого количества различных мишеней в растворе некоторые ученые пытаются использовать крупные матрицы из наносенсоров, в частности, углеродные нанотрубки или полупроводниковые нанопровода, каждый из которых нацелен на специфическую таргетную молекулу. В новом исследовании Страно и его коллеги изучали уникальные свойства крупных сенсоров, выявляющих одно и то же химическое вещество.

Первое свойство, выявленное учеными в наносенсорах – это то, что матрицы, состоящие из равномерно расположенных сенсоров, могут измерять распределение силы соединений, возникающих в сложных белках, например, в антителах.

Антитела – естественно синтезируемые организмом молекулы, играющие ключевую роль в иммунном ответе. В последние годы ученые разрабатывали антитела для лечения различных заболеваний, в том числе, рака. Присоединение этих антител к поверхностным белкам раковых клеток стимулирует развитие иммунного ответа на опухоль.

Чтобы лекарственные препараты на основе антител были эффективными, они должны специфично присоединяться к своей мишени. Однако процесс производства антител, который зависит от инженерных клеток, не всегда приводит к получению последовательно и равномерно присоединяющихся партий антител.

В настоящее время для тестирования партий лекарственных препаратов с целью подтверждения их соответствия стандартам эффективности фармацевтические компании используют продолжительные по времени и дорогие аналитические процессы. Новый сенсор, разработанный учеными из MIT, может во много раз ускорить этот процесс, позволив ученым не только более эффективно наблюдать и контролировать процесс производства лекарственных препаратов, но также точно регулировать их изготовление. В результате будет синтезирован более однородный продукт.

Измерение слабых взаимодействий

Другим полезным свойством созданных сенсоров является их способность измерять слабые связывающие взаимодействия, что также может помочь при производстве лекарственных препаратов на основе антител.

Обычно в результате процесса гликозилирования белков поверхность антител оказывается покрыта длинными цепями углеводов, которые обеспечивают эффективность лекарственных препаратов. Но цепочки сахаров чрезвычайно трудно детектировать, поскольку они взаимодействуют слабыми связями с другими молекулами. Организмы, вырабатывающие антитела, запрограммированы таким образом, чтобы присоединять цепочки сахаров. Однако этот процесс трудно контролировать, и он в значительной степени зависит от условий среды, окружающей клетки, включая температуру и кислотность.

Если антитела, введенные в организм пациента, не будут содержать гликозилированные белки, они могут вызвать развитие нежелательного иммунного ответа или быть уничтожены собственными клетками организма пациента, что сделает их бесполезными.

По словам Страно, фармакологические компании и ученые, пытавшиеся определить гликозилированные белки путем распознавания углеводородных цепочек, испытывали сложности. «Наносенсорная матрица может во много раз увеличить возможности определения редких событий присоединения молекул. Вы сможете измерить то, что не сможете оценить с помощью одного большого сенсора с такой же чувствительностью», – говорит Страно.

Новый метод может помочь ученым определить оптимальные условия для корректировки степени гликозилирования белков, что облегчит производство одинаково эффективных лекарственных препаратов.

Определение получаемого продукта

Третье свойство наноразмерных сенсоров, изученное учеными, – это способность детектировать синтез интересующей молекулы. По словам Страно, специалисты хотят иметь возможность выявлять штаммы специфических микроорганизмов, которые синтезируют необходимые лекарственные средства. «Существует множество способов сделать это, но ни один из них не является простым», – говорит Страно.

Исследовательская команда из MIT установила, что культивирование клеток на поверхности, покрытой матрицей из наноразмерных сенсоров, может помочь определить расположение большинства синтезирующих клеток. В новом исследовании ученые изучали антитела, синтезируемые искусственно синтезированными человеческими эмбриональными клетками почки. Однако созданная система также может быть индивидуально настроена на другие белки и организмы.

По словам Страно, сразу после выявления наиболее производительных клеток, ученые исследуют гены, отличающие эти клетки от других клеток, обладающих меньшей эффективностью при производстве лекарств. В результате они создают новый штамм, обладающей способностью к повышенному синтезу желаемых химических соединений.

Ученые создали портативный прототип сенсора, который они планируют протестировать в фармакологической компании Novartis. Это исследование будет профинансировано компанией Novartis и Национальным Научным Фондом (National Science Foundation, США).

Микрофотография наносенсорной матрицы. Интенсивность флуоресценции каждой углеродной нанотрубки изменяется после связывания с таргетной молекулой. (фото: Image courtesy of the researchers)

По материалам Massachusetts Institute of Technology

Оригинальная статья:
Nigel F. Reuel, Brittany Grassbaugh, Sebastian Kruss, J. Zachary Mundy, Cary Opel, Adebola O. Ogunniyi, Kamal Egodage, Ramon Wahl, Bernhard Helk, Jingqing Zhang, Z. Ilke Kalcioglu, Kevin Tvrdy, Darin O. Bellisario, Bin Mu, Steven S. Blake, Krystyn J. Van Vliet, J. Christopher Love, Karl Dane Wittrup, Michael S. Strano. Emergent Properties of Nanosensor Arrays: Applications for Monitoring IgG Affinity Distributions, Weakly Affined Hypermannosylation, and Colony Selection for Biomanufacturing. ACS Nano, 2013; : 130815121200007 DOI: 10.1021/nn403215e