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Uno de los pasos más costosos en la fabricación de fármacos proteicos como anticuerpos o insulina es el paso de purificación: aislar la proteína del biorreactor utilizado para producirla. Este paso puede representar hasta la mitad del costo total de fabricación de una proteína.
En un esfuerzo por ayudar a reducir estos costos, los ingenieros del MIT han desarrollado una nueva forma de realizar este tipo de purificación. Su enfoque, que utiliza nanopartículas especializadas para cristalizar rápidamente las proteínas, podría ayudar a que los medicamentos proteicos sean más asequibles y accesibles, especialmente en los países en desarrollo.
«Este trabajo utiliza nanopartículas funcionalizadas con bioconjugados para actuar como plantillas para mejorar la formación de cristales de proteínas en bajas concentraciones», dice Kripa Varanasi, profesor de ingeniería mecánica en el MIT y autor principal del nuevo estudio. «El objetivo es reducir los costos para que este tipo de fabricación de medicamentos sea asequible en los países en desarrollo».
Los investigadores demostraron que su enfoque puede usarse para cristalizar lisozima (una enzima antimicrobiana) e insulina. Creen que también podría aplicarse a muchas otras proteínas útiles, incluidos anticuerpos y vacunas.
Caroline McCue, estudiante de posgrado del MIT, es la autora principal del estudio, que aparece hoy en la revista Materiales aplicados e interfaces ACS. Henri-Louis Girard PhD ’20 también es uno de los autores del artículo.
Purificación de proteínas
Los anticuerpos y otros fármacos proteicos forman parte de una clase creciente de fármacos conocidos como productos biológicos, que también incluyen moléculas como el ADN y el ARN, así como terapias celulares. La mayoría de los fármacos proteicos son producidos por células vivas como la levadura en grandes biorreactores.
Una vez que se generan estas proteínas, deben aislarse del reactor, lo que generalmente se hace mediante un proceso llamado cromatografía. La cromatografía, que separa las proteínas en función de su tamaño, requiere materiales especializados que encarecen mucho el proceso.
Varanasi y sus colegas decidieron probar un enfoque diferente, basado en la cristalización de proteínas. Los investigadores a menudo cristalizan proteínas para estudiar sus estructuras, pero el proceso se considera demasiado lento para uso industrial y no funciona bien con bajas concentraciones de proteínas. Para superar estos obstáculos, el laboratorio de Varanasi decidió utilizar estructuras a nanoescala para acelerar la cristalización.
En trabajos anteriores, el laboratorio ha utilizado características a nanoescala para crear materiales que repelen el agua o para modificar interfaces para la inyección de fármacos biológicos altamente viscosos. En este caso, los investigadores querían adaptar las nanopartículas para que pudieran aumentar localmente la concentración de proteínas en la superficie y también proporcionar una matriz que permitiera que las proteínas se alinearan correctamente y formaran cristales.
Para crear la superficie que necesitaban, los investigadores recubrieron nanopartículas de oro con moléculas llamadas bioconjugados, materiales que pueden ayudar a formar enlaces entre otras moléculas. Para este estudio, los investigadores usaron bioconjugados llamados maleimida y NHS, que se usan comúnmente para marcar proteínas con fines de estudio o para unir fármacos proteicos a nanopartículas que administran fármacos.
Cuando las soluciones de proteínas se exponen a estas nanopartículas recubiertas, las proteínas se acumulan en la superficie y se unen a los bioconjugados. Además, los bioconjugados obligan a las proteínas a alinearse en una orientación específica, creando un andamio para que proteínas adicionales se unan al cristal.
Los investigadores demostraron su enfoque con lisozima, una enzima cuyas propiedades de cristalización han sido bien estudiadas, e insulina. Dicen que también podría aplicarse a muchas otras proteínas.
“Este es un enfoque general que también podría adaptarse a otros sistemas. Si conoce la estructura de la proteína que está tratando de cristalizar, entonces puede agregar los bioconjugados correctos que obligarán a que ocurra ese proceso”, dice Varanasi.
cristalización rápida
En sus estudios sobre la lisozima y la insulina, los investigadores descubrieron que la cristalización se producía mucho más rápido cuando las proteínas se exponían a nanopartículas recubiertas de bioconjugado, en comparación con las nanopartículas desnudas o sin nanopartículas. Con las partículas recubiertas, los investigadores encontraron una reducción de siete veces en el tiempo de inducción, el tiempo que tardan los cristales en comenzar a formarse, y un aumento de tres veces en la tasa de nucleación, es decir, la tasa a la que crecen los cristales una vez que comenzaron.
«Incluso a bajas concentraciones de proteínas, vemos que se forman muchos más cristales con estas nanopartículas funcionalizadas con bioconjugados», dice McCue. “Las nanopartículas funcionalizadas reducen mucho el tiempo de inducción porque estos bioconjugados proporcionan un sitio específico para la unión de proteínas. Y debido a que las proteínas están alineadas, pueden formar un cristal más rápido.
Además, el equipo utilizó el aprendizaje automático para analizar miles de imágenes de cristales. “La cristalización de proteínas es un proceso estocástico, por lo que necesitábamos un gran conjunto de datos para poder medir realmente si nuestro enfoque mejoraba el tiempo de inducción y la tasa de nucleación de la cristalización. Con tantas imágenes para procesar, el aprendizaje automático es la mejor manera de determinar cuándo se están formando cristales en cada imagen sin tener que recorrerlos y contarlos manualmente”, dice McCue.
Este proyecto es parte de un esfuerzo de la Fundación Bill y Melinda Gates para hacer que los medicamentos biológicos, como los anticuerpos profilácticos que han demostrado prevenir la malaria en ensayos clínicos, estén más disponibles en los países en desarrollo.
El equipo del MIT está trabajando actualmente en ampliar el proceso para que pueda usarse en un biorreactor industrial y demostrar que puede funcionar con anticuerpos monoclonales, vacunas y otras proteínas útiles.
«Si podemos facilitar la producción de estas proteínas en cualquier lugar, entonces todos en el mundo pueden beneficiarse», dice Varanasi. «No estamos diciendo que se resolverá mañana gracias a nosotros, pero es un pequeño paso que puede contribuir a esta misión».
Además de la Fundación Gates, la investigación fue parcialmente financiada por una beca de investigación senior de la Fundación Nacional de Ciencias.
