Novo método de purificação pode tornar as drogas proteicas mais baratas

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Novo método de purificação pode tornar as drogas proteicas mais
baratas
Um dispositivo microfluídico foi projetado para combinar solução de proteína com nanopartículas e, em seguida, formar
milhares de minúsculas gotículas idênticas. Dentro de cada uma dessas gotículas, as proteínas interagem com as
nanopartículas, que as ajudam a formar cristais de proteína. Créditos:Crédito: Cortesia dos pesquisadores, colorido
pelo MIT News
Um dos passos mais caros na fabricação de medicamentos proteicos, como anticorpos ou insulina, é a etapa de
purificação: isolar a proteína do biorreator usado para produzi-la. Esta etapa pode representar até metade do custo
total de fabricação de uma proteína.
Em um esforço para ajudar a reduzir esses custos, os engenheiros do MIT criaram uma nova maneira de realizar
esse tipo de purificação. Sua abordagem, que usa nanopartículas especializadas para cristalizar rapidamente as
proteínas, poderia ajudar a tornar as drogas proteicas mais acessíveis e acessíveis, especialmente nos países em
desenvolvimento.
“Este trabalho usa nanopartículas funcionalizadas bioconjugatas para atuar como moldes para melhorar a formação
de cristais de proteína em baixas concentrações”, diz Kripa Varanasi, professor de engenharia mecânica no MIT e
autor sênior do novo estudo. “O objetivo é reduzir o custo para que esse tipo de fabricação de medicamentos se
torne acessível no mundo em desenvolvimento.”
Os pesquisadores demonstraram que sua abordagem pode ser usada para cristalizar a lisozima (uma enzima
antimicrobiana) e a insulina. Eles acreditam que também poderia ser aplicado a muitas outras proteínas úteis,
incluindo drogas anticorpo e vacinas.
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A estudante de pós-graduação do MIT, Caroline McCue, é a principal autora do estudo, que aparece hoje na revista
ACS Applied Materials and Interfaces. Henri-Louis Girard PhD ’20 é também um autor do artigo.
Purificação de proteínas
Anticorpos e outras drogas proteicas fazem parte de uma classe crescente de drogas conhecidas como produtos
biológicos, que também incluem moléculas como DNA e RNA, bem como terapias baseadas em células. A maioria
das drogas proteicas são produzidas por células vivas, como leveduras em grandes biorreatores.
Uma vez que essas proteínas são geradas, elas precisam ser isoladas do reator, o que geralmente é feito através de
um processo chamado cromatografia. A cromatografia, que separa as proteínas com base em seu tamanho, requer
materiais especializados que tornam o processo muito caro.
Varanasi e seus colegas decidiram tentar uma abordagem diferente, baseada na cristalização de proteínas. Os
pesquisadores muitas vezes cristalizam as proteínas para estudar suas estruturas, mas o processo é considerado
muito lento para uso industrial e não funciona bem em baixas concentrações de proteína. Para superar esses
obstáculos, o laboratório de Varanasi se prolove para usar estruturas em nanoescala para acelerar a cristalização.
Em trabalhos anteriores, o laboratório usou características em nanoescala para criar materiais que repelem a água
ou para modificar interfaces para injetar drogas biológicas altamente viscosas. Neste caso, os pesquisadores
queriam adaptar as nanopartículas para que pudessem aumentar localmente a concentração de proteína na
superfície e também fornecer um modelo que permitisse que as proteínas se alinhassem corretamente e formassem
cristais.
Para criar a superfície de que precisavam, os pesquisadores revestiam nanopartículas de ouro com moléculas
chamadas bioconjugações – materiais que podem ajudar a formar ligações entre outras moléculas. Para este
estudo, os pesquisadores usaram bioconjugadores chamados maleimida e NHS, que são comumente usados para
marcação de proteínas para estudo ou anexação de drogas proteicas a nanopartículas que entregam drogas.
Neste vídeo time-lapse, os cristais de proteína formam-se mais rapidamente em
nanopartículas funcionalizadas com moléculas chamadas bioconjugados (top). As
nanopartículas na parte inferior não têm as moléculas bioconjugadas.
Crédito: Cortesia dos pesquisadores
Quando as soluções de proteínas são expostas a essas nanopartículas revestidas, as proteínas se acumulam na
superfície e se ligam aos bioconjugados. Além disso, os bioconjugados obrigam as proteínas a se alinharem com
uma orientação específica, criando um andaime para que proteínas adicionais venham e se juntem ao cristal.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c17208
https://news.mit.edu/2019/droplets-bounce-waterproof-ice-0627
https://news.mit.edu/2019/droplets-bounce-waterproof-ice-0627
https://news.mit.edu/2020/syringe-concentrated-biologic-drugs-0824
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Os pesquisadores demonstraram sua abordagem com lisozima, uma enzima cujas propriedades de cristalização
foram bem estudadas e insulina. Eles dizem que também pode ser aplicado a muitas outras proteínas.
“Esta é uma abordagem geral que também pode ser dimensionada para outros sistemas. Se você conhece a
estrutura de proteína que está tentando cristalizar, poderá adicionar os bioconjugados certos que forçarão esse
processo a acontecer”, diz Varanasi.
Cristalização rápida
Em seus estudos com lisozima e insulina, os pesquisadores descobriram que a cristalização ocorreu muito mais
rapidamente quando as proteínas foram expostas às nanopartículas revestidas de bioconjugação, em comparação
com nanopartículas nuas ou sem nanopartículas. Com as partículas revestidas, os pesquisadores viram uma
redução de sete vezes no tempo de indução – quanto tempo leva para os cristais começarem a se formar – e um
aumento de três vezes na taxa de nucleação, que é a rapidez com que os cristais crescem uma vez iniciados.
“Mesmo em baixas concentrações de proteína, vemos muito mais cristais se formando com essas nanopartículas
bioconjugadas-funcionalizadas”, diz McCue. “As nanopartículas funcionalizadas reduzem tanto o tempo de indução
porque esses bioconjugadores estão fornecendo um local específico para as proteínas se ligarem. E porque as
proteínas estão alinhadas, elas podem formar um cristal mais rápido.
 Além disso, a equipe usou o aprendizado de máquina para analisar milhares de imagens de cristais. “A cristalização
da proteína é um processo estocástico, por isso precisávamos ter um enorme conjunto de dados para poder
realmente medir se nossa abordagem estava melhorando o tempo de indução e a taxa de cristalização de
nucleação. Com tantas imagens para processar, o aprendizado de máquina é a melhor maneira de determinar
quando os cristais estão se formando em cada imagem sem ter que passar e contar manualmente cada um”, diz
McCue.
Este projeto faz parte de um esforço da Fundação Bill e Melinda Gates para produzir medicamentos biológicos,
como anticorpos profiláticos que demonstraram prevenir a malária em ensaios clínicos, mais amplamente
disponíveis em países em desenvolvimento.
A equipe do MIT está agora trabalhando na ampliação do processo para que ele possa ser usado em um biorreator
industrial e demonstrando que ele pode trabalhar com anticorpos monoclonais, vacinas e outras proteínas úteis.
“Se podemos tornar mais fácil a fabricação dessas proteínas em qualquer lugar, então todos no mundo podem se
beneficiar”, diz Varanasi. “Não estamos dizendo que isso vai ser resolvido amanhã por nossa causa, mas este é um
pequeno passo que pode contribuir para essa missão.”
Além da Fundação Gates, a pesquisa foi parcialmente financiada por uma Bolsa de Pesquisa de Pós-Graduação da
Fundação Nacional de Ciência.