Médicaments fabriqués par des cellules vivantes, aussi appelés produits biologiques, sont l'un des segments les plus dynamiques de l'industrie pharmaceutique. Ces médicaments, souvent des anticorps ou d'autres protéines, sont utilisés pour traiter le cancer, arthrite, et bien d'autres maladies.
La surveillance de la qualité de ces médicaments s'est avérée difficile, cependant, car la production de protéines par les cellules vivantes est beaucoup plus difficile à contrôler que la synthèse des médicaments traditionnels. Typiquement, ces médicaments sont constitués de petites molécules organiques produites par une série de réactions chimiques.
Les ingénieurs du MIT ont mis au point une nouvelle façon d'analyser les produits biologiques au fur et à mesure qu'ils sont produits, ce qui pourrait conduire à des tests d'innocuité plus rapides et plus efficaces pour ces médicaments. Le système, basé sur une série de filtres nanométriques, pourraient également être déployés pour tester les médicaments immédiatement avant de les administrer, pour s'assurer qu'ils ne se sont pas dégradés avant d'atteindre le patient.
« À l'heure actuelle, il n'existe aucun mécanisme pour vérifier la validité de la protéine après la libération, " dit Jongyoon Han, un professeur de génie électrique et d'informatique au MIT. « Si vous avez des analyses qui consomment une très petite quantité d'un échantillon mais fournissent également des informations de sécurité critiques sur l'agrégation et la liaison, nous pouvons penser à l'analyse au point de service."
Han est l'auteur principal de l'article, qui paraît dans le numéro du 22 mai de Nature Nanotechnologie . L'auteur principal de l'article est le postdoctorant du MIT Sung Hee Ko.
Un processus compliqué
De nombreux produits biologiques sont produits dans des « bioréacteurs » peuplés de cellules qui ont été conçues pour produire de grandes quantités de certaines protéines telles que des anticorps ou des cytokines (un type de molécule de signalisation utilisée par le système immunitaire). Certains de ces médicaments protéiques nécessitent également l'ajout de molécules de sucre par un processus connu sous le nom de glycosylation.
"Les protéines sont intrinsèquement plus compliquées que les médicaments à petites molécules. Même si vous exécutez exactement le même processus de bioréacteur, vous pouvez vous retrouver avec différentes protéines, avec une glycosylation différente et une activité différente, " dit Han.
Bien que les fabricants puissent surveiller les conditions du bioréacteur telles que la température et le pH, qui peut avertir de problèmes potentiels, il n'y a aucun moyen de tester la qualité des protéines avant la fin de la production, et ce processus peut prendre des mois.
« À la fin de ce processus, vous pouvez ou non obtenir un bon lot. Et s'il vous arrive d'avoir un mauvais lot, cela signifie beaucoup de déchets dans le flux de production global, " dit Han.
Han croyait que les nanofiltres qu'il avait précédemment développés pouvaient être adaptés pour trier les protéines par taille lorsqu'elles traversaient un minuscule canal, ce qui pourrait permettre une continuité, suivi automatique au fur et à mesure de la production des protéines. Cette information de taille peut révéler si les protéines se sont agglutinées, ce qui est un signe que la protéine a perdu sa structure d'origine.
Une fois que les protéines sont entrées dans le dispositif de réseau de nanofiltres, ils sont dirigés vers un côté du mur. Cette ligne étroite de protéines rencontre alors une série de filtres inclinés avec de minuscules pores (15 à 30 nanomètres). Les pores sont conçus de manière à ce que les petites protéines s'y glissent facilement, tandis que les protéines plus grosses se déplaceront le long de la diagonale sur une certaine distance avant de traverser l'un des pores. Cela permet de séparer les protéines en fonction de leur taille :les petites protéines restent plus proches du côté où elles ont commencé, tandis que les plus grosses protéines dérivent vers le côté opposé.
En changeant la taille des pores, les chercheurs peuvent utiliser ce système pour séparer des protéines dont la masse varie de 20 à des centaines de kilodaltons. Cela leur permet de déterminer si les protéines ont formé de gros amas qui pourraient provoquer une réponse immunitaire dangereuse chez les patients.
Les chercheurs ont testé leur appareil sur trois protéines :l'hormone de croissance humaine; interféron alpha-2b, une cytokine testée en tant que médicament contre le cancer ; et le facteur de stimulation des colonies de granulocytes (GCSF), qui est utilisé pour stimuler la production de globules blancs.
Pour démontrer la capacité de l'appareil à révéler la dégradation des protéines, les chercheurs ont exposé ces protéines à des conditions nocives telles que la chaleur, peroxyde d'hydrogène, et la lumière ultraviolette. La séparation des protéines à l'aide du dispositif de réseau de nanofiltres a permis aux chercheurs de déterminer avec précision si elles s'étaient dégradées ou non.
Le tri par taille peut également révéler si les protéines se lient à leurs cibles visées. Pour faire ça, les chercheurs ont mélangé les produits biologiques avec des fragments de protéines que les médicaments sont censés cibler. Si les produits biologiques et les fragments de protéines se lient correctement, ils forment une protéine plus grosse avec une taille distinctive.
Analyse rapide
Ce système nanofluidique peut analyser un petit échantillon de protéine en 30 à 40 minutes, plus les quelques heures qu'il faut pour préparer l'échantillon. Cependant, les chercheurs pensent qu'ils peuvent accélérer cela en miniaturisant davantage l'appareil.
"On pourra peut-être le faire en quelques dizaines de minutes, ou même quelques minutes, " dit Han. " Si nous réalisons cela, nous pourrons peut-être effectuer de véritables contrôles aux points de service. C'est l'orientation future."
