Bon nombre des médicaments les plus prometteurs en cours de développement sont des protéines, souvent des anticorps, pour aider les patients à combattre la maladie. Ces protéines doivent être purifiées dans le cadre du processus de fabrication – une tâche qui peut être délicate et entraîner des déchets coûteux.

Les scientifiques ont eu du mal à mesurer directement le mouvement des protéines, connues sous le nom de diffusion des protéines, dans des matériaux comprenant à la fois des composants solides et liquides. Ils sont également en désaccord sur la façon dont le mouvement à la surface du matériau contribue au mouvement des protéines lorsqu’ils utilisent la chromatographie d’échange d’ions, un laboratoire et une méthode de fabrication pour séparer les matériaux en fonction de leur charge. Les protéines peuvent s’infiltrer dans les pores des billes de résine utilisées pour effectuer la chromatographie d’échange d’ions et se lier aux parois, en fonction de la charge.

Maintenant, une équipe d’ingénieurs de l’Université du Delaware, avec un collaborateur de la société pharmaceutique Amgen, a montré que la diffusion de surface dans le transport des protéines dans les billes échangeuses d’ions dépend de l’affinité d’adsorption – une mesure de l’attraction entre les deux matériaux. En exploitant cette relation, l’équipe a développé une procédure pour purifier un anticorps monoclonal – un type de molécule qui assure l’immunité – avec une productivité 43% plus élevée que d’habitude.

Les équipes résultats ont été publiés au Actes de l’Académie nationale des sciences en mars. Les auteurs de l’article comprennent Ohnmar Khanal, un étudiant au doctorat en génie chimique; Vijesh Kumar, stagiaire postdoctoral en génie chimique; Fabrice Schlegel, ingénieur principal chez Amgen; et Abraham Lenhoff, professeur Allan P. Colburn de génie chimique.

« Nous présentons un argument très solide pour l’importance de la diffusion de surface, et nous utilisons plusieurs approches pour corroborer son importance grâce à une technique simple qui peut être mise en œuvre immédiatement », a déclaré Khanal.

L’équipe a utilisé la chromatographie, la modélisation mécanistique, la microscopie confocale et la diffusion neutronique aux petits angles. Cette dernière a été réalisée au Centre national de recherche sur les neutrons de l’Institut national des normes et de la technologie.

En comprenant et en exploitant la diffusion de la surface des protéines dans la chromatographie d’échange d’ions, les chercheurs peuvent s’appuyer sur ce travail et développer des méthodes pour réduire les déchets au cours du processus de fabrication de médicaments coûteux.

« La chromatographie par échange d’ions de protéines est une opération absolument essentielle dans la fabrication biopharmaceutique », a déclaré Lenhoff.

Kumar et Lenhoff travaillent actuellement sur un projet distinct financé par le National Institute for Innovation in Biopharmaceutical Manufacturing, basé à l’Université du Delaware, pour développer des modèles mathématiques de chromatographie, qui pourraient permettre des moyens plus efficaces de concevoir et de développer des processus de fabrication.

Les chercheurs peuvent également s’appuyer sur cette nouvelle compréhension fondamentale de la diffusion des protéines et peut-être l’appliquer à d’autres problèmes. La diffusion des protéines sur les surfaces est également un phénomène important à l’intérieur du corps. Le mouvement et la fibrillation de l’amyloïde-ß dans le cerveau ont été associés à des maladies neurogénératives, par exemple, et la diffusion de la surface des protéines peut affecter les performances des biocapteurs.

« Ceci est un exemple de la façon dont la recherche fondamentale peut conduire à des applications pratiques et à des améliorations significatives de ces applications pratiques », a déclaré Lenhoff.

Et tout a commencé par un remue-méninges, où Khanal a suggéré une étude plus approfondie de la relation entre la diffusion de surface et l’affinité de liaison sur les surfaces chargées à l’aide d’outils complémentaires.

« Lorsque nous avons commencé cela, nous n’avions jamais pensé aller aussi loin », a déclaré Kumar. « Cela a commencé comme une toute petite idée. »

Référence

Khanal et al. (2020). Estimation et optimisation de la diffusion des protéines sur les surfaces de résine échangeuse d’ions. PNAS. EST CE QUE JE: https://doi.org/10.1073/pnas.1921499117

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