Los ingenieros químicos del MIT han descubierto que conjuntos de miles de millones de sensores a nanoescala tienen propiedades únicas que podrían ayudar a las compañías farmacéuticas a producir medicamentos, especialmente aquellos basados ​​en anticuerpos, de manera más segura y eficiente.

Usando estos sensores, los investigadores pudieron caracterizar variaciones en la fuerza de unión de los fármacos de anticuerpos, que son prometedores para el tratamiento del cáncer y otras enfermedades. También usaron los sensores para monitorear la estructura de las moléculas de anticuerpos, incluso si contienen una cadena de azúcares que interfiere con el funcionamiento adecuado.

"Esto podría ayudar a las compañías farmacéuticas a descubrir por qué ciertas formulaciones de medicamentos funcionan mejor que otras, y puede ayudar a mejorar su eficacia, "dice Michael Strano, profesor de ingeniería química del MIT y autor principal de un artículo reciente que describe los sensores en la revista ACS Nano .

El equipo también demostró cómo se podrían usar matrices de nanosensores para determinar qué células en una población de genéticamente modificadas, las células productoras de fármacos son las más productivas o deseables, Dice Strano.

El autor principal del artículo es Nigel Reuel, estudiante de posgrado en el laboratorio de Strano. Los laboratorios de los miembros de la facultad del MIT Krystyn Van Vliet, Christopher Love y Dane Wittrup también contribuyeron, junto con científicos de Novartis.

Prueba de la fuerza del fármaco

Strano y otros científicos han demostrado previamente que pequeños, sensores de tamaño nanométrico, como los nanotubos de carbono, ofrecen una forma poderosa de detectar cantidades diminutas de una sustancia. Los nanotubos de carbono son 50, 000 veces más delgado que un cabello humano, y pueden unirse a proteínas que reconocen una molécula diana específica. Cuando el objetivo está presente, Altera la señal fluorescente producida por el nanotubo de una manera que los científicos pueden detectar.

Algunos investigadores están intentando explotar grandes conjuntos de nanosensores, como nanotubos de carbono o nanocables semiconductores, cada uno personalizado para una molécula objetivo diferente, para detectar muchos objetivos diferentes a la vez. En el nuevo estudio, Strano y sus colegas querían explorar propiedades únicas que surgen de grandes conjuntos de sensores que detectan lo mismo.

La primera característica que descubrieron, a través de modelos matemáticos y experimentación, es que las matrices uniformes pueden medir la distribución en la fuerza de unión de proteínas complejas como los anticuerpos. Los anticuerpos son moléculas de origen natural que desempeñan un papel clave en la capacidad del cuerpo para reconocer y defenderse de invasores extraños. En años recientes, los científicos han estado desarrollando anticuerpos para tratar enfermedades, particularmente el cáncer. Cuando esos anticuerpos se unen a proteínas que se encuentran en las células cancerosas, estimulan el propio sistema inmunológico del cuerpo para que ataque el tumor.

Para que los fármacos de anticuerpos sean eficaces, deben atar fuertemente a su objetivo. Sin embargo, el proceso de manufactura, que se basa en no humanos, células diseñadas, no siempre genera consistencia, lotes de anticuerpos que se unen uniformemente.

En la actualidad, Las compañías farmacéuticas utilizan procesos analíticos costosos y que consumen mucho tiempo para probar cada lote y asegurarse de que cumpla con los estándares regulatorios de efectividad. Sin embargo, el nuevo sensor MIT podría hacer que este proceso sea mucho más rápido, permitiendo a los investigadores no solo monitorear y controlar mejor la producción, sino también para afinar el proceso de fabricación para generar un producto más consistente.

"Podría utilizar la tecnología para rechazar lotes, pero lo ideal sería utilizarlo en el desarrollo de su proceso ascendente para definir mejor las condiciones de cultivo, entonces no producirías lotes falsos, "Dice Reuel.

Midiendo interacciones débiles

Otro rasgo útil de estos sensores es su capacidad para medir interacciones de enlace muy débiles, lo que también podría ayudar con la fabricación de fármacos de anticuerpos.

Los anticuerpos generalmente se recubren con largas cadenas de azúcar mediante un proceso llamado glicosilación. Estas cadenas de azúcar son necesarias para que los medicamentos sean efectivos, pero son extremadamente difíciles de detectar porque interactúan muy débilmente con otras moléculas. Los organismos productores de fármacos que sintetizan anticuerpos también están programados para agregar cadenas de azúcar, pero el proceso es difícil de controlar y está fuertemente influenciado por las condiciones ambientales de las células, incluyendo temperatura y acidez.

Sin la glicosilación adecuada, Los anticuerpos administrados a un paciente pueden provocar una respuesta inmunitaria no deseada o ser destruidos por las células del cuerpo. haciéndolos inútiles.

"Esto ha sido un problema tanto para las empresas farmacéuticas como para los investigadores, tratando de medir proteínas glicosiladas reconociendo la cadena de carbohidratos, "Dice Strano." Lo que puede hacer una matriz de nanosensores es ampliar en gran medida el número de oportunidades para detectar eventos de unión raros. Puede medir lo que de otro modo no podría cuantificar con una sola sensor más grande con la misma sensibilidad ".

Esta herramienta podría ayudar a los investigadores a determinar las condiciones óptimas para que se produzca el grado correcto de glicosilación. facilitando la producción constante de medicamentos eficaces.

Cartografía de la producción

La tercera propiedad que descubrieron los investigadores es la capacidad de mapear la producción de una molécula de interés. "Una de las cosas que le gustaría hacer es encontrar cepas de organismos particulares que produzcan la terapéutica que desea, "Dice Strano." Hay muchas formas de hacer esto, pero ninguno de ellos es fácil ".

El equipo del MIT descubrió que al hacer crecer las células en una superficie recubierta con una serie de sensores del tamaño de un nanómetro, pudieron detectar la ubicación de las células más productivas. En este estudio, buscaron un anticuerpo producido por células renales embrionarias humanas manipuladas, pero el sistema también podría adaptarse a otras proteínas y organismos.

Una vez que se identifican las células más productivas, Los científicos buscan genes que distingan esas células de las menos productivas y diseñan una nueva cepa que sea altamente productiva. Dice Strano.

Las aplicaciones potenciales, como el seguimiento de las células productoras de fármacos, son las que hacen que la nueva tecnología sea emocionante, dice Lara Mahal, profesor asociado de química en la Universidad de Nueva York, que no formaba parte del equipo de investigación.

"Es potencialmente muy poderoso como una forma de poder seleccionar colonias, "Dice Mahal." La producción es algo en lo que la gente está muy interesada en monitorear. Puede hacer que todas estas células crezcan en el mismo entorno, sin embargo, no muestran el mismo comportamiento ".

Los investigadores han construido un prototipo del sensor del tamaño de un maletín que planean probar con Novartis. que financió la investigación junto con la National Science Foundation.

"Los nanotubos de carbono acoplados a entidades de unión a proteínas son interesantes para varias áreas de la fabricación biológica, ya que ofrecen un gran potencial para el monitoreo en línea de los niveles y la calidad del producto. Nuestra colaboración ha demostrado que los sensores fluorescentes basados ​​en nanotubos de carbono son aplicables para tales fines, y estoy ansioso por seguir la maduración de esta tecnología, "dice Ramon Wahl, autor del artículo y científico principal de Novartis.

El artículo se titula "Propiedades emergentes de las matrices de nanosensores:aplicaciones para supervisar las distribuciones de afinidad de IgG, Hipermanosilación débilmente afinada, y selección de colonias para biofabricación ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.