Un nuevo estudio utilizó un gradiente de temperatura para observar cómo las soluciones de anticuerpos altamente concentrados, como los habituales en algunas drogas, separar en fases, como una solución de agua y aceite. A temperaturas más frías, comienzan a formarse gotitas turbias en la solución que una vez fue transparente. A medida que las gotas crecen y se depositan en el fondo del recipiente, la solución se separa en dos fases distintas. Esta separación de fases puede afectar la vida útil y la estabilidad de un medicamento. Crédito:Cremer Lab, Penn State
Un nuevo modelo matemático describe cómo las soluciones de anticuerpos altamente concentradas se separan en diferentes fases, similar a una mezcla de aceite y agua. Esta separación puede reducir la estabilidad y la vida útil de algunos medicamentos que usan anticuerpos monoclonales, incluidos algunos utilizados para tratar enfermedades autoinmunes y cáncer. Un equipo de científicos de Penn State y MedImmune, LLC (ahora AstraZeneca) investigó la termodinámica y la cinética, las relaciones entre la temperatura, energía, y las velocidades de las reacciones químicas, del fenómeno utilizando un método innovador que permite el estudio rápido de múltiples muestras a la vez. Un artículo que describe su modelo aparece el 22 de julio, 2019, en el diario procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .
Hoy en día, muchos medicamentos se almacenan como sólidos y se disuelven en bolsas intravenosas para su entrega a los pacientes. pero la industria farmacéutica se ha estado moviendo hacia medicamentos que pueden almacenarse en forma líquida y administrarse mediante una inyección. Algunas de estas soluciones farmacológicas, como los que se utilizan para tratar enfermedades autoinmunes y algunos cánceres, contienen altas concentraciones de anticuerpos monoclonales, proteínas que se adhieren a sustancias extrañas en el cuerpo, como bacterias y virus, señalándolos para su destrucción por el sistema inmunológico del paciente.
"Las soluciones de proteínas altamente concentradas pueden separarse en diferentes fases, como un aderezo de vinagreta para ensaladas que se separa en capas con el tiempo, "dijo Bradley Rogers, estudiante de posgrado en química en Penn State y primer autor del artículo. "La separación de fases es una de las vías que hace que estos medicamentos sean inestables e inadecuados para su uso. El método clásico para comprender este proceso implica manipular la temperatura de una muestra a lo largo del tiempo. Usamos una plataforma de microfluidos de gradiente de temperatura para observar rápidamente muchas temperaturas simultáneamente. "
Una solución rica en anticuerpos comienza como un líquido transparente a temperatura ambiente, pero a medida que la solución se enfría, comienzan a formarse gotitas turbias. Tiempo extraordinario, las gotas se depositan en el fondo, con líquido diluido restante encima, haciendo que la muestra parezca clara. El equipo utilizó un dispositivo innovador que crea un rango de temperaturas a través de un gradiente de temperatura y utilizó una técnica llamada imágenes de campo oscuro para medir la rapidez con que ocurre este proceso. Luego, el equipo calculó una variedad de parámetros para comprender mejor la termodinámica y la cinética del sistema, incluidas las temperaturas a las que se producen las transiciones de fase y la cantidad de energía necesaria para pasar de una fase a la siguiente:energías de activación.
"Observamos que la velocidad a la que una solución se separa en dos fases tiene una extraña dependencia de la temperatura, ", dijo Rogers." Esta relación es mucho más complicada para las soluciones de anticuerpos concentrados que para otros sistemas. Pasamos mucho tiempo tratando de dar sentido a los datos, pero finalmente desarrollamos un modelo que explica lo que estamos viendo ".
El modelo describe cómo las moléculas de anticuerpos se unen a medida que disminuye la temperatura, formando gotitas que crecen a medida que se unen moléculas adicionales. Este proceso reversible ocurre cada vez más rápidamente con la disminución de la temperatura, porque la solución se satura cada vez más con moléculas de anticuerpos libres. Luego, a medida que la solución continúa enfriándose, las gotas se adhieren a otras gotas y se depositan en el fondo. A temperaturas aún más frías, la solución forma un gel y no puede completar la separación, incluso en el transcurso de un mes.
"En un solo experimento, podemos visualizar la solución clara homogénea, la solución turbia a medida que comienzan a formarse gotas, el líquido de fases separadas, y el gel, "dijo Paul Cremer, J. Lloyd Huck Catedrático de Ciencias Naturales en Penn State y autor principal del artículo. "Investigaciones anteriores describieron estos diferentes estados, y nuestro modelo describe las matemáticas y la cinética dependiente de la temperatura detrás de lo que creemos que está sucediendo ".
Próximo, el equipo de investigación planea investigar si su modelo puede explicar la separación de fases en otros sistemas. También planean probar si los parámetros recopilados de este tipo de experimento pueden predecir la estabilidad y la vida útil de las terapias.
"Si estos parámetros pueden ayudarnos a predecir la estabilidad y la vida útil, es posible que podamos seleccionar mejores candidatos a fármacos, " said Rogers. "We may also be able to determine the ideal solution properties for a promising drug candidate to keep it stable."
In addition to Rogers and Cremer, the research team includes Kelvin Rembert, Matthew Poyton, Halil Okur, Amanda Kale, and Tinglu Yang at Penn State and Jifeng Zhang from AstraZeneca. The work was supported by MedImmune LLC (now AstraZeneca). Additional support was provided by the National Science Foundation.
