多倫多大學(xué)的一個研究小組創(chuàng)建了一個新平臺，向身體提供多種治療性蛋白質(zhì) - 每種蛋白質(zhì)都以自己獨(dú)立控制的速度。這項(xiàng)創(chuàng)新可以幫助治療退行性疾病，如年齡相關(guān)性黃斑變性(AMD)，這是50歲以上人群視力喪失的主要原因。

與由小分子制成的傳統(tǒng)藥物不同，治療性蛋白質(zhì)是體內(nèi)天然存在的較大生物分子的合成版本。一個例子是用于治療糖尿病的合成胰島素。其他蛋白質(zhì)可以以小分子藥物無法調(diào)節(jié)的方式調(diào)節(jié)人體自身的修復(fù)過程。

“蛋白質(zhì)具有巨大的治療潛力，但它們是出了名的難以提供，”應(yīng)用科學(xué)與工程學(xué)院化學(xué)工程和應(yīng)用化學(xué)系，生物醫(yī)學(xué)工程研究所和唐納利細(xì)胞和生物分子研究中心的大學(xué)教授Molly Shoichet說。

“十多年來，我們小組一直在想出不同的方法來解決這個根本問題。

一個挑戰(zhàn)是蛋白質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性不如小分子，使它們?nèi)菀资艿轿锢砹蚺c溶劑和其他化學(xué)物質(zhì)相互作用的損害。另一個挑戰(zhàn)是將它們送到需要它們的位置。

“你可以在受傷部位注射治療性蛋白質(zhì)，但體內(nèi)的自然生化過程往往會很快將它們吸走，”生物醫(yī)學(xué)工程博士候選人、Shoichet實(shí)驗(yàn)室研究生Carter Teal說。

“為了克服這個問題，你需要以受控方式緩慢釋放蛋白質(zhì)的系統(tǒng) - 你不一定使用與傳統(tǒng)藥物分子相同的系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兺ǔ＿^于苛刻。

Shoichet和她的團(tuán)隊(duì)專門制造稱為水凝膠的生物相容性材料，其具有多孔的海綿狀結(jié)構(gòu)，其空間足夠大，可以讓治療性蛋白質(zhì)自由移動。水凝膠可以注入這些蛋白質(zhì)，然后植入體內(nèi)，隨著時間的推移，蛋白質(zhì)會慢慢擴(kuò)散出來。

“水凝膠的一個優(yōu)點(diǎn)是，它們可以定制，通過用各種化學(xué)基團(tuán)進(jìn)行修飾來提供所需的機(jī)械性能和蛋白質(zhì)釋放速率，這些化學(xué)基團(tuán)以不同的方式交聯(lián)或與我們想要提供的治療性蛋白質(zhì)相互作用，”Marian Hettiaratchi說，他在Shoichet實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博士后研究員，現(xiàn)在是俄勒岡大學(xué)菲爾和佩妮奈特校區(qū)的教授，用于加速科學(xué)。沖擊。

“蛋白質(zhì)通常也可以很容易地混合到水凝膠中而不會破壞其結(jié)構(gòu)，并且許多水凝膠已被證明可以保護(hù)蛋白質(zhì)在輸送到身體時免受降解。

在他們發(fā)表在Advanced Materials上的最新論文中，該團(tuán)隊(duì)用親和蛋白修飾了他們的水凝膠，這種生物分子類似于小抗體。

“Affibody蛋白最初來源于一種稱為金黃色葡萄球菌的細(xì)菌，”Teal說。

“金黃色葡萄球菌產(chǎn)生一種蛋白質(zhì) - 稱為蛋白質(zhì)A - 通過分離和修飾一小部分蛋白質(zhì)A，可以創(chuàng)建許多不同種類生物分子的可定制結(jié)合劑。這些結(jié)合劑被稱為親和蛋白。

多倫多大學(xué)工程團(tuán)隊(duì)與明尼蘇達(dá)大學(xué)雙城分校教授Ben Hackel及其化學(xué)工程和材料科學(xué)系的團(tuán)隊(duì)合作，他們提供了一個超過100億個變異親和抗體蛋白的文庫。

Shoichet的團(tuán)隊(duì)隨后篩選了這個文庫，以找到與他們想要提供的兩種治療性蛋白質(zhì)結(jié)合的親和體蛋白：胰島素樣生長因子-1(IGF-1)和色素上皮衍生因子(PEDF)。

過去的研究表明，IGF-1和PEDF都有可能減緩AMD等視網(wǎng)膜退行性疾病的進(jìn)展。當(dāng)組合使用時，它們可能比單獨(dú)使用中的任何一種都更有效。

“通常，當(dāng)研究人員進(jìn)行這些類型的篩選時，他們正在尋找具有高選擇性的親和體蛋白，這意味著它們只與你想要的蛋白質(zhì)結(jié)合，以及高親和力，這意味著它們與目標(biāo)蛋白緊密結(jié)合，”Shoichet說。

“在我們的案例中，我們想要高選擇性，但只有中等親和力，因?yàn)槲覀兿Ｍ委熜缘鞍踪|(zhì)隨著時間的推移緩慢釋放。這有點(diǎn)像在垃圾桶里尋找寶藏：這些變體在不同的背景下會被扔掉。

在將領(lǐng)域縮小到具有所需選擇性和親和力的兩種親和蛋白后，研究小組使用一種稱為“點(diǎn)擊化學(xué)”的技術(shù)將它們涂覆到他們的水凝膠上。

對這些材料進(jìn)行的測試表明，與沒有親和體的水凝膠相比，使用這些新的親和體水凝膠的IGF-1和PEDF釋放速度更慢，并且在溶液中保持活性的時間更長。

他們還表明，可以通過改變兩種親和蛋白的水平來獨(dú)立控制釋放速率。例如，如果研究小組想減慢IGF-1的釋放速率，同時保持PEDF的釋放速率不變，他們可以簡單地在水凝膠中使用更多相應(yīng)的親和蛋白對。

“篩選過程中有很多不同的步驟，從數(shù)億潛在候選人到我們最終選擇的兩個候選人花了好幾個月的時間，”蒂爾說。“看到我們最終實(shí)現(xiàn)了我們的目標(biāo)，這真是令人著迷。”

由于這種方法是模塊化的，Shoichet說它可以很容易地適應(yīng)其他用途。

“我們選擇IGF-1和PEDF是因?yàn)樗鼈冊谥委燑S斑變性方面的協(xié)同作用，這一直是我們實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)，但你可以對任何一組蛋白質(zhì)做到這一點(diǎn)，”她說。

“現(xiàn)在我們已經(jīng)證明這是可能的，我們希望它為其他人打開了這個領(lǐng)域。