Os engenheiros químicos do MIT descobriram que conjuntos de bilhões de sensores em nanoescala têm propriedades exclusivas que podem ajudar as empresas farmacêuticas a produzir medicamentos - especialmente aqueles baseados em anticorpos - de forma mais segura e eficiente.

Usando esses sensores, os pesquisadores foram capazes de caracterizar variações na força de ligação de drogas de anticorpos, que são promissores para o tratamento de câncer e outras doenças. Eles também usaram os sensores para monitorar a estrutura das moléculas de anticorpos, incluindo se eles contêm uma cadeia de açúcares que interfere com o funcionamento adequado.

"Isso pode ajudar as empresas farmacêuticas a descobrir por que certas formulações de medicamentos funcionam melhor do que outras, e pode ajudar a melhorar sua eficácia, "diz Michael Strano, um professor de engenharia química do MIT e autor sênior de um artigo recente que descreve os sensores na revista ACS Nano .

A equipe também demonstrou como matrizes de nanosensores podem ser usadas para determinar quais células em uma população de geneticamente modificadas, células produtoras de drogas são as mais produtivas ou desejáveis, Strano diz.

O principal autor do artigo é Nigel Reuel, um estudante de graduação no laboratório de Strano. Os laboratórios dos membros do corpo docente do MIT Krystyn Van Vliet, Christopher Love e Dane Wittrup também contribuíram, junto com cientistas da Novartis.

Testando a força da droga

Strano e outros cientistas já haviam mostrado que minúsculos, sensores de tamanho nanométrico, como nanotubos de carbono, oferecem uma maneira poderosa de detectar quantidades mínimas de uma substância. Nanotubos de carbono são 50, 000 vezes mais fino que um cabelo humano, e eles podem se ligar a proteínas que reconhecem uma molécula alvo específica. Quando o alvo está presente, ele altera o sinal fluorescente produzido pelo nanotubo de uma forma que os cientistas podem detectar.

Alguns pesquisadores estão tentando explorar grandes matrizes de nanosensores, como nanotubos de carbono ou nanofios semicondutores, cada um personalizado para uma molécula alvo diferente, para detectar muitos alvos diferentes de uma vez. No novo estudo, Strano e seus colegas queriam explorar propriedades únicas que emergem de grandes conjuntos de sensores que detectam a mesma coisa.

O primeiro recurso que eles descobriram, por meio de modelagem matemática e experimentação, é que matrizes uniformes podem medir a distribuição da força de ligação de proteínas complexas, como anticorpos. Os anticorpos são moléculas de ocorrência natural que desempenham um papel fundamental na capacidade do corpo de reconhecer e se defender contra invasores estranhos. Nos últimos anos, cientistas têm desenvolvido anticorpos para tratar doenças, particularmente câncer. Quando esses anticorpos se ligam a proteínas encontradas nas células cancerosas, eles estimulam o próprio sistema imunológico do corpo a atacar o tumor.

Para que os medicamentos com anticorpos sejam eficazes, eles devem ligar fortemente seu alvo. Contudo, o processo de fabricação, que depende de não-humanos, células projetadas, nem sempre gera consistência, uniformemente ligando lotes de anticorpos.

Atualmente, as empresas farmacêuticas usam processos analíticos demorados e caros para testar cada lote e garantir que ele atenda aos padrões regulatórios de eficácia. Contudo, o novo sensor MIT pode tornar esse processo muito mais rápido, permitindo que os pesquisadores não apenas monitorem e controlem melhor a produção, mas também para ajustar o processo de fabricação para gerar um produto mais consistente.

"Você poderia usar a tecnologia para rejeitar lotes, mas o ideal é usá-lo no desenvolvimento do processo upstream para definir melhor as condições de cultura, então você não produziria lotes espúrios, "Reuel diz.

Medindo interações fracas

Outra característica útil de tais sensores é a capacidade de medir interações de ligação muito fracas, o que também pode ajudar na fabricação de anticorpos.

Os anticorpos são geralmente revestidos com longas cadeias de açúcar por meio de um processo chamado glicosilação. Essas cadeias de açúcar são necessárias para que os medicamentos sejam eficazes, mas são extremamente difíceis de detectar porque interagem de maneira muito fraca com outras moléculas. Organismos fabricantes de drogas que sintetizam anticorpos também são programados para adicionar cadeias de açúcar, mas o processo é difícil de controlar e é fortemente influenciado pelas condições ambientais das células, incluindo temperatura e acidez.

Sem a glicosilação adequada, anticorpos entregues a um paciente podem provocar uma resposta imune indesejada ou ser destruídos pelas células do corpo, tornando-os inúteis.

“Este tem sido um problema tanto para as empresas farmacêuticas quanto para os pesquisadores, tentando medir proteínas glicosiladas, reconhecendo a cadeia de carboidratos, "Strano diz." O que um nanosensor array pode fazer é expandir muito o número de oportunidades para detectar eventos de ligação raros. Você pode medir o que, de outra forma, não seria capaz de quantificar com um único, sensor maior com a mesma sensibilidade. "

Esta ferramenta pode ajudar os pesquisadores a determinar as condições ideais para que ocorra o grau correto de glicosilação, tornando mais fácil a produção consistente de medicamentos eficazes.

Produção de mapeamento

A terceira propriedade que os pesquisadores descobriram é a capacidade de mapear a produção de uma molécula de interesse. "Uma das coisas que você gostaria de fazer é encontrar cepas de organismos específicos que produzam a terapêutica que você deseja, "Strano diz." Existem muitas maneiras de fazer isso, mas nenhum deles é fácil. "

A equipe do MIT descobriu que, ao cultivar as células em uma superfície revestida com uma série de sensores de tamanho nanométrico, eles podiam detectar a localização das células mais produtivas. Neste estudo, eles procuraram um anticorpo produzido por células renais embrionárias humanas projetadas, mas o sistema também pode ser adaptado a outras proteínas e organismos.

Assim que as células mais produtivas forem identificadas, os cientistas procuram genes que distinguem essas células das menos produtivas e criam uma nova cepa que é altamente produtiva, Strano diz.

As aplicações potenciais, como o monitoramento de células produtoras de drogas, são o que torna a nova tecnologia empolgante, diz Lara Mahal, um professor associado de química na New York University, que não fazia parte da equipe de pesquisa.

"É potencialmente muito poderoso como forma de selecionar colônias, "Mahal diz." A produção é algo que as pessoas têm muito interesse em monitorar. Você pode ter todas essas células crescendo no mesmo ambiente, no entanto, eles não mostram o mesmo comportamento. "

Os pesquisadores construíram um protótipo do tamanho de uma pasta de seu sensor que planejam testar com a Novartis, que financiou a pesquisa junto com a National Science Foundation.

"Nanotubos de carbono acoplados a entidades de ligação de proteínas são interessantes para várias áreas de biofabricação, pois oferecem grande potencial para monitoramento online dos níveis e qualidade do produto. Nossa colaboração mostrou que sensores fluorescentes baseados em nanotubos de carbono são aplicáveis ​​para tais fins, e estou ansioso para acompanhar o amadurecimento dessa tecnologia, "diz Ramon Wahl, autor do artigo e cientista principal da Novartis.

O artigo é intitulado "Propriedades Emergentes de Matrizes de Nanosensores:Aplicativos para Monitorar Distribuições de Afinidade de IgG, Hipermanosilação Fracamente Afinada, e Seleção de Colônia para Biofabricação. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.