Les ingénieurs chimistes du MIT ont découvert que des réseaux de milliards de capteurs nanométriques ont des propriétés uniques qui pourraient aider les sociétés pharmaceutiques à produire des médicaments, en particulier ceux à base d'anticorps, de manière plus sûre et efficace.

Grâce à ces capteurs, les chercheurs ont pu caractériser les variations de la force de liaison des médicaments anticorps, qui sont prometteurs pour le traitement du cancer et d'autres maladies. Ils ont également utilisé les capteurs pour surveiller la structure des molécules d'anticorps, y compris s'ils contiennent une chaîne de sucres qui interfère avec le bon fonctionnement.

« Cela pourrait aider les sociétés pharmaceutiques à comprendre pourquoi certaines formulations de médicaments fonctionnent mieux que d'autres, et peut contribuer à améliorer leur efficacité, " dit Michael Strano, professeur de génie chimique au MIT et auteur principal d'un article récent décrivant les capteurs dans la revue ACS Nano .

L'équipe a également démontré comment les réseaux de nanocapteurs pourraient être utilisés pour déterminer quelles cellules dans une population de produits génétiquement modifiés, les cellules productrices de médicaments sont les plus productives ou souhaitables, dit Strano.

L'auteur principal de l'article est Nigel Reuel, un étudiant diplômé du laboratoire de Strano. Les laboratoires des membres du corps professoral du MIT Krystyn Van Vliet, Christopher Love et Dane Wittrup ont également contribué, avec des scientifiques de Novartis.

Tester la force du médicament

Strano et d'autres scientifiques ont déjà montré que de minuscules, capteurs de taille nanométrique, comme les nanotubes de carbone, offrent un moyen puissant de détecter des quantités infimes d'une substance. Les nanotubes de carbone sont au nombre de 50, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain, et ils peuvent se lier à des protéines qui reconnaissent une molécule cible spécifique. Lorsque la cible est présente, il modifie le signal fluorescent produit par le nanotube d'une manière que les scientifiques peuvent détecter.

Certains chercheurs tentent d'exploiter de grands réseaux de nanocapteurs, tels que les nanotubes de carbone ou les nanofils semi-conducteurs, chacun personnalisé pour une molécule cible différente, pour détecter plusieurs cibles différentes à la fois. Dans la nouvelle étude, Strano et ses collègues voulaient explorer les propriétés uniques qui émergent de grands réseaux de capteurs qui détectent tous la même chose.

La première fonctionnalité qu'ils ont découverte, par la modélisation mathématique et l'expérimentation, est que des puces uniformes peuvent mesurer la distribution de la force de liaison de protéines complexes telles que les anticorps. Les anticorps sont des molécules naturelles qui jouent un rôle clé dans la capacité du corps à reconnaître et à se défendre contre les envahisseurs étrangers. Dans les années récentes, les scientifiques ont développé des anticorps pour traiter la maladie, en particulier le cancer. Lorsque ces anticorps se lient aux protéines présentes sur les cellules cancéreuses, ils stimulent le propre système immunitaire du corps pour attaquer la tumeur.

Pour que les médicaments à base d'anticorps soient efficaces, ils doivent lier fortement leur cible. Cependant, le processus de fabrication, qui repose sur des non-humains, cellules modifiées, ne génère pas toujours de cohérence, des lots d'anticorps se liant uniformément.

Actuellement, les sociétés pharmaceutiques utilisent des processus analytiques longs et coûteux pour tester chaque lot et s'assurer qu'il répond aux normes réglementaires d'efficacité. Cependant, le nouveau capteur MIT pourrait rendre ce processus beaucoup plus rapide, permettant aux chercheurs non seulement de mieux surveiller et contrôler la production, mais aussi d'affiner le processus de fabrication pour générer un produit plus cohérent.

« Vous pouvez utiliser la technologie pour rejeter des lots, mais idéalement vous voudriez l'utiliser dans votre développement de processus en amont pour mieux définir les conditions de culture, Ainsi, vous ne produisez pas de lots falsifiés, " dit Réuel.

Mesurer les interactions faibles

Un autre trait utile de ces capteurs est leur capacité à mesurer des interactions de liaison très faibles, ce qui pourrait également aider à la fabrication de médicaments à base d'anticorps.

Les anticorps sont généralement recouverts de longues chaînes de sucre par un processus appelé glycosylation. Ces chaînes de sucre sont nécessaires pour que les médicaments soient efficaces, mais ils sont extrêmement difficiles à détecter car ils interagissent si faiblement avec d'autres molécules. Les organismes fabricants de médicaments qui synthétisent des anticorps sont également programmés pour ajouter des chaînes de sucre, mais le processus est difficile à contrôler et est fortement influencé par les conditions environnementales des cellules, y compris la température et l'acidité.

Sans la glycosylation appropriée, les anticorps délivrés à un patient peuvent provoquer une réponse immunitaire indésirable ou être détruits par les cellules du corps, les rendant inutiles.

« Cela a été un problème pour les entreprises pharmaceutiques et les chercheurs, essayer de mesurer les protéines glycosylées en reconnaissant la chaîne glucidique, " dit Strano. "Ce qu'un réseau de nanocapteurs peut faire, c'est augmenter considérablement le nombre d'opportunités de détecter des événements de liaison rares. Vous pouvez mesurer ce que vous ne pourriez autrement pas quantifier avec un seul, capteur plus grand avec la même sensibilité."

Cet outil pourrait aider les chercheurs à déterminer les conditions optimales pour que le bon degré de glycosylation se produise, facilitant la production constante de médicaments efficaces.

Cartographie de la production

La troisième propriété découverte par les chercheurs est la capacité de cartographier la production d'une molécule d'intérêt. "L'une des choses que vous aimeriez faire est de trouver des souches d'organismes particuliers qui produisent la thérapeutique que vous voulez, " dit Strano. " Il y a beaucoup de façons de le faire, mais aucun d'eux n'est facile."

L'équipe du MIT a découvert qu'en faisant croître les cellules sur une surface recouverte d'un réseau de capteurs de taille nanométrique, ils pourraient détecter l'emplacement des cellules les plus productives. Dans cette étude, ils ont recherché un anticorps produit par des cellules rénales embryonnaires humaines modifiées, mais le système pourrait également être adapté à d'autres protéines et organismes.

Une fois les cellules les plus productives identifiées, les scientifiques recherchent des gènes qui distinguent ces cellules des moins productives et créent une nouvelle souche hautement productive, dit Strano.

Les applications potentielles telles que la surveillance des cellules productrices de médicaments sont ce qui rend la nouvelle technologie passionnante, dit Lara Mahal, professeur agrégé de chimie à l'Université de New York, qui ne faisait pas partie de l'équipe de recherche.

"C'est potentiellement très puissant comme moyen de pouvoir sélectionner des colonies, " dit Mahal. " La production est quelque chose que les gens sont très intéressés à surveiller. Vous pouvez faire pousser toutes ces cellules dans le même environnement, pourtant ils ne montrent pas le même comportement."

Les chercheurs ont construit un prototype de la taille d'une mallette de leur capteur qu'ils prévoient de tester avec Novartis, qui a financé la recherche avec la National Science Foundation.

« Les nanotubes de carbone couplés à des entités de liaison aux protéines sont intéressants pour plusieurs domaines de la bio-fabrication car ils offrent un grand potentiel pour le suivi en ligne des niveaux et de la qualité des produits. Notre collaboration a montré que les capteurs fluorescents à base de nanotubes de carbone sont applicables à de telles fins, et j'ai hâte de suivre la maturation de cette technologie, " dit Ramon Wahl, auteur de l'article et scientifique principal chez Novartis.

L'article est intitulé "Emergent Properties of Nanosensor Arrays:Applications for Monitoring IgG Affinity Distributions, Hypermannosylation faiblement affinée, et la sélection de colonies pour la bioproduction."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.