研究人员为退行性眼病治疗铺平了道路

多伦多大学的一个研究小组创建了一个新平台，向身体提供多种治疗性蛋白质 - 每种蛋白质都以自己独立控制的速度。这项创新可以帮助治疗退行性疾病，如年龄相关性黄斑变性(AMD)，这是50岁以上人群视力丧失的主要原因。

与由小分子制成的传统药物不同，治疗性蛋白质是体内天然存在的较大生物分子的合成版本。一个例子是用于治疗糖尿病的合成胰岛素。其他蛋白质可以以小分子药物无法调节的方式调节人体自身的修复过程。

“蛋白质具有巨大的治疗潜力，但它们是出了名的难以提供，”应用科学与工程学院化学工程和应用化学系，生物医学工程研究所和唐纳利细胞和生物分子研究中心的大学教授Molly Shoichet说。

“十多年来，我们小组一直在想出不同的方法来解决这个根本问题。

一个挑战是蛋白质的化学稳定性不如小分子，使它们容易受到物理力或与溶剂和其他化学物质相互作用的损害。另一个挑战是将它们送到需要它们的位置。

“你可以在受伤部位注射治疗性蛋白质，但体内的自然生化过程往往会很快将它们吸走，”生物医学工程博士候选人、Shoichet实验室研究生Carter Teal说。

“为了克服这个问题，你需要以受控方式缓慢释放蛋白质的系统 - 你不一定使用与传统药物分子相同的系统，因为它们通常过于苛刻。

Shoichet和她的团队专门制造称为水凝胶的生物相容性材料，其具有多孔的海绵状结构，其空间足够大，可以让治疗性蛋白质自由移动。水凝胶可以注入这些蛋白质，然后植入体内，随着时间的推移，蛋白质会慢慢扩散出来。

“水凝胶的一个优点是，它们可以定制，通过用各种化学基团进行修饰来提供所需的机械性能和蛋白质释放速率，这些化学基团以不同的方式交联或与我们想要提供的治疗性蛋白质相互作用，”Marian Hettiaratchi说，他在Shoichet实验室担任博士后研究员，现在是俄勒冈大学菲尔和佩妮奈特校区的教授，用于加速科学。冲击。

“蛋白质通常也可以很容易地混合到水凝胶中而不会破坏其结构，并且许多水凝胶已被证明可以保护蛋白质在输送到身体时免受降解。

在他们发表在Advanced Materials上的最新论文中，该团队用亲和蛋白修饰了他们的水凝胶，这种生物分子类似于小抗体。

“Affibody蛋白最初来源于一种称为金黄色葡萄球菌的细菌，”Teal说。

“金黄色葡萄球菌产生一种蛋白质 - 称为蛋白质A - 通过分离和修饰一小部分蛋白质A，可以创建许多不同种类生物分子的可定制结合剂。这些结合剂被称为亲和蛋白。

多伦多大学工程团队与明尼苏达大学双城分校教授Ben Hackel及其化学工程和材料科学系的团队合作，他们提供了一个超过100亿个变异亲和抗体蛋白的文库。

Shoichet的团队随后筛选了这个文库，以找到与他们想要提供的两种治疗性蛋白质结合的亲和体蛋白：胰岛素样生长因子-1(IGF-1)和色素上皮衍生因子(PEDF)。

过去的研究表明，IGF-1和PEDF都有可能减缓AMD等视网膜退行性疾病的进展。当组合使用时，它们可能比单独使用中的任何一种都更有效。

“通常，当研究人员进行这些类型的筛选时，他们正在寻找具有高选择性的亲和体蛋白，这意味着它们只与你想要的蛋白质结合，以及高亲和力，这意味着它们与目标蛋白紧密结合，”Shoichet说。

“在我们的案例中，我们想要高选择性，但只有中等亲和力，因为我们希望治疗性蛋白质随着时间的推移缓慢释放。这有点像在垃圾桶里寻找宝藏：这些变体在不同的背景下会被扔掉。

在将领域缩小到具有所需选择性和亲和力的两种亲和蛋白后，研究小组使用一种称为“点击化学”的技术将它们涂覆到他们的水凝胶上。

对这些材料进行的测试表明，与没有亲和体的水凝胶相比，使用这些新的亲和体水凝胶的IGF-1和PEDF释放速度更慢，并且在溶液中保持活性的时间更长。

他们还表明，可以通过改变两种亲和蛋白的水平来独立控制释放速率。例如，如果研究小组想减慢IGF-1的释放速率，同时保持PEDF的释放速率不变，他们可以简单地在水凝胶中使用更多相应的亲和蛋白对。

“筛选过程中有很多不同的步骤，从数亿潜在候选人到我们最终选择的两个候选人花了好几个月的时间，”蒂尔说。“看到我们最终实现了我们的目标，这真是令人着迷。”

由于这种方法是模块化的，Shoichet说它可以很容易地适应其他用途。

“我们选择IGF-1和PEDF是因为它们在治疗黄斑变性方面的协同作用，这一直是我们实验室的重点，但你可以对任何一组蛋白质做到这一点，”她说。

“现在我们已经证明这是可能的，我们希望它为其他人打开了这个领域。