Новая физическая форма белков, разработанная учеными Техасского университета в Остине (The University of Texas at Austin), может значительно усовершенствовать методы лечения рака и других заболеваний, решив одну из основных проблем современной медицины – как быстро, безопасно и эффективно доставить лекарственный препарат в организм пациента.

Стратегию получения белковых препаратов, разработанную преподавателями и студентами Школы инженерии Кокрелла (Cockrell School of Engineering) при Техасском университете в Остине, с полным правом можно назвать беспрецедентной: предлагаемый учеными новый и универсальный подход к доставке лекарств способен произвести революцию в лечении рака, артрита и инфекционных заболеваний.

Стабилизация белков при высокой концентрации представляет широкий интерес для доставки лекарств, лечения рака и многих других заболеваний. Созданные американскими учеными высококонцентрированные (до 260 мг/мл) дисперсии антител, состоящие их плотных белковых нанокластеров, при разбавлении in vitro и подкожном введении мышам распадаются на конформационно стабильные и биологически активные белковые мономеры. Как показывает компьютерное моделирование, чрезвычайно концентрированная среда нанокластеров (700 мг/мл) обеспечивает конформационную стабильность белка за счет нового механизма самоуплотнения, в то время как отталкивающие взаимодействия между нанокластерами приводят к образованию коллоидно стабильных прозрачных дисперсий. Нанокластеры образуются путем добавления сахара трегалозы, усиливающего притяжение между молекулами белка. Диаметр белкового кластера обратимо изменяется от 50 до 300 нм за счет баланса ближнего притяжения и дальнего электростатического отталкивания слабо заряженного белка при рН вблизи изоэлектрической точки. (Илл. pubs.acs.org)

Одной из основных проблем в области разработки фармацевтических препаратов является их доставка в организм пациента. Как правило, белковые биофармацевтические препараты имеют низкую концентрацию и вводятся внутривенно в условиях медицинского стационара. Ученые и инженеры давно пытаются получить безопасные препараты с более высокими концентрациями, которые пациент мог бы самостоятельно вводить в домашних условиях, как, например, инсулин. Но до сих пор добиться этого не позволяло свойство высококонцентрированных белков образовывать агрегаты, представляющие опасность для здоровья и жизни пациента.

Американские ученые представили новую физическую форму белков, в которой молекулы упаковываются в высококонцентрированные наноразмерные кластеры (от 50 до 300 нм), легко проходящие через иглу. Новая структура позволяет избежать проблем, с которыми ученые сталкивались в предыдущих исследованиях, поскольку белки в препарате образуют настолько плотные кластеры, что не изменяют конформацию и не слипаются в опасные агрегаты.

Ключевой успех пришел к ученым в 2004 году, когда профессор химической инженерии Томас Траскетт (Thomas Truskett) предположил, что растворы основанных на белках препаратов будут стабильны в ультравысоких концентрациях. В то время профессор химической инженерии Кит Джонстон (Keith Johnston) уже работал с наночастицами концентрированного стабильного белка, но не знал, как получить дисперсии, пригодные для инъекций.

Слева направо: доцент Дженнифер Мэйнард
(Jennifer Maynard), профессора Кит Джонстон (Keith
Johnston) и Томас Траскетт (Thomas Truskett).
(Фото: engr.utexas.edu)

В 2009 году ученым удалось получить белковые нанокластеры в воде при помощи корректировки рН (чтобы снизить белковый заряд) и добавления сахара (трегалозы), собирающего вместе молекулы белка. Вскоре был совершен и еще один прорыв: инженер-химик Брайан Вилсон (Brian Wilson) получил прозрачную дисперсию чрезвычайно концентрированного белка, которая, как позже было установлено, была образована нанокластерами.

Как показали биофизические и биохимические анализы, при разбавлении дисперсии in vitro или подкожной инъекции мышам нанокластеры распадаются на отдельные конформационно стабильные белковые мономеры, полностью сохраняющие биологическую активность. При попадании в кровь белки использованных в экспериментах дисперсий моноклональных антител 1B7, поликлонального овечьего иммуноглобулина G и бычьего сывороточного альбумина (с концентрацией до 260 мг/мл) адресно атакует клетки и опухоли. При этом фармакокинетика дисперсий неотличима от таковой стандартных растворов этих белков, используемых для внутривенного введения.

«Эта общая физическая концепция образования высококонцентрированных, но стабильных белковых дисперсий является одним из основных новых направлений в науке о белках», – поясняет профессор Джонстон, член Национальной инженерной академии США. «Мы считаем, что открытие новой высококонцентрированной формы белков – кластеров из отдельных белковых молекул – это инновация, способная изменить то, как мы боремся с болезнями».

Со времени начала исследований в 2004 году Бюро по коммерциализации технологий Техасского университета в Остине подало три заявки на получение патентов.

Аннотация к статье

Concentrated Dispersions of Equilibrium Protein Nanoclusters That Reversibly Dissociate into Active Monomers