L’une des étapes les plus coûteuses dans la fabrication de médicaments protéiques tels que les anticorps ou l’insuline est l’étape de purification : isoler la protéine du bioréacteur utilisé pour la produire. Cette étape peut représenter jusqu’à la moitié du coût total de fabrication d’une protéine.
Dans un effort pour aider à réduire ces coûts, les ingénieurs du MIT ont mis au point une nouvelle façon d’effectuer ce type de purification. Leur approche, qui utilise des nanoparticules spécialisées pour cristalliser rapidement les protéines, pourrait contribuer à rendre les médicaments protéiques plus abordables et accessibles, en particulier dans les pays en développement.
« Ce travail utilise des nanoparticules fonctionnalisées par bioconjugués pour agir comme modèles pour améliorer la formation de cristaux de protéines à de faibles concentrations », explique Kripa Varanasi, professeur de génie mécanique au MIT et auteur principal de la nouvelle étude. « L’objectif est de réduire les coûts afin que ce type de fabrication de médicaments devienne abordable dans les pays en développement. »
Les chercheurs ont démontré que leur approche peut être utilisée pour cristalliser le lysozyme (une enzyme antimicrobienne) et l’insuline. Ils pensent qu’il pourrait également être appliqué à de nombreuses autres protéines utiles, y compris les anticorps et les vaccins.
Caroline McCue, étudiante diplômée du MIT, est l’auteur principal de l’étude, qui paraît aujourd’hui dans la revue Matériaux et interfaces appliqués ACS. Henri-Louis Girard PhD ’20 est également l’un des auteurs de l’article.
Purification des protéines
Les anticorps et autres médicaments protéiques font partie d’une classe croissante de médicaments connus sous le nom de produits biologiques, qui comprennent également des molécules telles que l’ADN et l’ARN, ainsi que des thérapies cellulaires. La plupart des médicaments protéiques sont produits par des cellules vivantes telles que la levure dans de grands bioréacteurs.
Une fois ces protéines générées, elles doivent être isolées du réacteur, ce qui se fait généralement par un processus appelé chromatographie. La chromatographie, qui sépare les protéines en fonction de leur taille, nécessite des matériaux spécialisés qui rendent le processus très coûteux.
Varanasi et ses collègues ont décidé d’essayer une approche différente, basée sur la cristallisation des protéines. Les chercheurs cristallisent souvent des protéines pour étudier leurs structures, mais le processus est considéré comme trop lent pour une utilisation industrielle et ne fonctionne pas bien à de faibles concentrations de protéines. Pour surmonter ces obstacles, le laboratoire de Varanasi a décidé d’utiliser des structures à l’échelle nanométrique pour accélérer la cristallisation.
Dans des travaux antérieurs, le laboratoire a utilisé des caractéristiques à l’échelle nanométrique pour créer des matériaux qui repoussent l’eau ou pour modifier des interfaces pour l’injection de médicaments biologiques très visqueux. Dans ce cas, les chercheurs ont voulu adapter les nanoparticules afin qu’elles puissent augmenter localement la concentration de protéines à la surface et également fournir une matrice qui permettrait aux protéines de s’aligner correctement et de former des cristaux.
Pour créer la surface dont ils avaient besoin, les chercheurs ont enrobé des nanoparticules d’or avec des molécules appelées bioconjugués – ; matériaux qui peuvent aider à former des liens entre d’autres molécules. Pour cette étude, les chercheurs ont utilisé des bioconjugués appelés maléimide et NHS, qui sont couramment utilisés pour marquer des protéines à des fins d’étude ou pour attacher des médicaments protéiques à des nanoparticules administrant des médicaments.
Lorsque des solutions de protéines sont exposées à ces nanoparticules enrobées, les protéines s’accumulent à la surface et se lient aux bioconjugués. De plus, les bioconjugués obligent les protéines à s’aligner sur une orientation spécifique, créant un échafaudage pour que des protéines supplémentaires se joignent au cristal.
Les chercheurs ont démontré leur approche avec le lysozyme, une enzyme dont les propriétés de cristallisation ont été bien étudiées, et l’insuline. Ils disent qu’il pourrait également être appliqué à de nombreuses autres protéines.
« Il s’agit d’une approche générale qui pourrait également être adaptée à d’autres systèmes. Si vous connaissez la structure protéique que vous essayez de cristalliser, vous pouvez alors ajouter les bons bioconjugués qui forceront ce processus à se produire », explique Varanasi.
Cristallisation rapide
Dans leurs études sur le lysozyme et l’insuline, les chercheurs ont découvert que la cristallisation se produisait beaucoup plus rapidement lorsque les protéines étaient exposées aux nanoparticules enrobées de bioconjugué, par rapport aux nanoparticules nues ou à l’absence de nanoparticules. Avec les particules enrobées, les chercheurs ont constaté une réduction de sept fois du temps d’induction – ; combien de temps faut-il pour que les cristaux commencent à se former – ; et une multiplication par trois du taux de nucléation, c’est-à-dire la vitesse à laquelle les cristaux se développent une fois démarrés.
« Même à de faibles concentrations de protéines, nous voyons beaucoup plus de cristaux se former avec ces nanoparticules fonctionnalisées par bioconjugué », explique McCue. « Les nanoparticules fonctionnalisées réduisent tellement le temps d’induction parce que ces bioconjugués fournissent un site spécifique pour la liaison des protéines. Et parce que les protéines sont alignées, elles peuvent former un cristal plus rapidement. »
De plus, l’équipe a utilisé l’apprentissage automatique pour analyser des milliers d’images de cristaux. « La cristallisation des protéines est un processus stochastique, nous avions donc besoin d’un énorme ensemble de données pour pouvoir vraiment mesurer si notre approche améliorait le temps d’induction et le taux de nucléation de la cristallisation. Avec autant d’images à traiter, l’apprentissage automatique est le meilleur moyen de être en mesure de déterminer quand les cristaux se forment dans chaque image sans avoir à les parcourir et à les compter manuellement », explique McCue.
Ce projet fait partie d’un effort de la Fondation Bill et Melinda Gates pour rendre les médicaments biologiques, tels que les anticorps prophylactiques dont il a été démontré qu’ils préviennent le paludisme dans les essais cliniques, plus largement disponibles dans les pays en développement. L’équipe du MIT travaille actuellement à l’intensification du processus afin que il pourrait être utilisé dans un bioréacteur industriel et démontrer qu’il peut fonctionner avec des anticorps monoclonaux, des vaccins et d’autres protéines utiles.
« Si nous pouvons faciliter la fabrication de ces protéines n’importe où, alors tout le monde dans le monde peut en bénéficier », a déclaré Varanasi. « Nous ne disons pas que cela va être résolu demain grâce à nous, mais c’est un petit pas qui peut contribuer à cette mission. »
En plus de la Fondation Gates, la recherche a été en partie financée par une bourse de recherche supérieure de la National Science Foundation.
