新的纯化方法可以使蛋白质药物更便宜

制造抗体或胰岛素等蛋白质药物最昂贵的步骤之一是纯化步骤：从用于生产它的生物反应器中分离蛋白质。该步骤最多可占制造蛋白质总成本的一半。

为了帮助降低这些成本，麻省理工学院的工程师们设计了一种新的方法来进行这种纯化。他们的方法使用专门的纳米粒子使蛋白质快速结晶，这可能有助于使蛋白质药物更便宜、更容易获得，尤其是在发展中国家。

“这项工作使用生物共轭功能化的纳米粒子作为模板，在低浓度下增强蛋白质晶体的形成，”麻省理工学院机械工程教授、这项新研究的资深作者 Kripa Varanasi 说。“目标是降低成本，使发展中国家能够负担得起这种药物制造。”

研究人员证明，他们的方法可用于结晶溶菌酶(一种抗菌酶)和胰岛素。他们相信它也可以应用于许多其他有用的蛋白质，包括抗体药物和疫苗。

麻省理工学院研究生 Caroline McCue 是这项研究的主要作者，该研究今天发表在ACS Applied Materials and Interfaces杂志上。Henri-Louis Girard PhD '20 也是该论文的作者。

蛋白纯化

抗体和其他蛋白质药物是越来越多的被称为生物制剂的药物的一部分，其中还包括 DNA 和 RNA 等分子，以及基于细胞的疗法。大多数蛋白质药物是由大型生物反应器中的活细胞(例如酵母)生产的。

一旦产生这些蛋白质，就必须将它们从反应器中分离出来，这通常是通过一种称为色谱法的过程来完成的。根据蛋白质的大小分离蛋白质的色谱法需要专门的材料，这使得该过程非常昂贵。

Varanasi 和他的同事决定尝试一种基于蛋白质结晶的不同方法。研究人员经常通过结晶蛋白质来研究它们的结构，但这个过程被认为对于工业应用来说太慢了，而且在低浓度蛋白质下效果不佳。为了克服这些障碍，瓦拉纳西的实验室着手使用纳米级结构来加速结晶。

在之前的工作中，该实验室使用纳米级特征来制造防水材料或修改用于注射高粘性生物药物的界面。在这种情况下，研究人员希望对纳米颗粒进行改造，以便它们可以局部增加表面蛋白质的浓度，并提供一个模板，使蛋白质能够正确排列并形成晶体。

为了创造他们需要的表面，研究人员在金纳米粒子上涂上了一种叫做生物共轭物的分子——这种材料可以帮助其他分子之间形成联系。在这项研究中，研究人员使用了称为马来酰亚胺和 NHS 的生物共轭物，它们通常用于标记蛋白质以供研究或将蛋白质药物附着到药物递送纳米颗粒上。

当蛋白质溶液暴露于这些包被的纳米粒子时，蛋白质会积聚在表面并与生物偶联物结合。此外，生物偶联物迫使蛋白质以特定方向排列自身，为其他蛋白质形成支架并加入晶体。

研究人员展示了他们使用溶菌酶(一种结晶特性已得到充分研究的酶)和胰岛素的方法。他们说它也可以应用于许多其他蛋白质。

“这是一种通用方法，也可以扩展到其他系统。如果你知道你试图结晶的蛋白质结构，你就可以添加正确的生物偶联物来迫使这个过程发生，”Varanasi 说。

快速结晶

在他们对溶菌酶和胰岛素的研究中，研究人员发现，与裸露的纳米颗粒或没有纳米颗粒相比，当蛋白质暴露于生物缀合物涂层的纳米颗粒时，结晶发生的速度要快得多。使用涂层颗粒，研究人员发现诱导时间减少了七倍——晶体开始形成所需的时间——成核率增加了三倍，这是晶体一旦开始生长的速度。

“即使在低蛋白质浓度下，我们也会看到更多的晶体与这些生物共轭功能化的纳米颗粒形成，”McCue 说。“功能化的纳米粒子大大减少了诱导时间，因为这些生物共轭物为蛋白质提供了一个特定的结合位点。而且由于蛋白质排列整齐，它们可以更快地形成晶体。”

此外，该团队使用机器学习分析了数千张晶体图像。“蛋白质结晶是一个随机过程，因此我们需要一个庞大的数据集才能真正衡量我们的方法是否正在改善结晶的诱导时间和成核率。有如此多的图像需要处理，机器学习是确定晶体何时在每幅图像中形成的最佳方法，而无需仔细检查并手动计算每个图像，”McCue 说。

该项目是比尔和梅琳达·盖茨基金会努力制造生物药物的一部分，例如已在临床试验中证明可以预防疟疾的预防性抗体，在发展中国家更广泛地使用麻省理工学院团队现在正在努力扩大这一过程，以便它可以用于工业生物反应器，并证明它可以与单克隆抗体、疫苗和其他有用的蛋白质一起使用。

“如果我们能让在任何地方制造这些蛋白质变得更容易，那么世界上每个人都可以受益，”Varanasi 说。“我们并不是说明天就可以解决这个问题，但这是可以为实现这一使命做出贡献的一小步。”