Uno studio su scala del proteoma rivela come le superfici plastiche e l’agitazione promuovano l’aggregazione proteica

Oct 03, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1227 (2023) Citare questo articolo

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L'aggregazione delle proteine ​​nei prodotti bioterapeutici può ridurne l'attività e l'efficacia. Può anche promuovere reazioni immunitarie responsabili di gravi effetti avversi. L’impatto dei materiali plastici sulla destabilizzazione delle proteine ​​non è del tutto compreso. Qui, proponiamo di deconvolvere gli effetti della superficie del materiale, dell'interfaccia aria/liquido e dell'agitazione per decifrare il loro rispettivo ruolo nella destabilizzazione e aggregazione delle proteine. Abbiamo analizzato l'effetto delle superfici in polipropilene, TEFLON, vetro e LOBIND sulla stabilità delle proteine ​​purificate (albumina sierica bovina, emoglobina e α-sinucleina) e su un estratto cellulare composto da 6000 proteine ​​solubili durante l'agitazione (P = 0,1–1,2 W/ kg). L'analisi proteomica ha rivelato che le chaperonine, le proteine ​​intrinsecamente disordinate e i ribosomi erano più sensibili agli effetti combinati delle superfici dei materiali e dell'agitazione, mentre i piccoli oligomeri metabolici potevano essere protetti nelle stesse condizioni. Le osservazioni sulla perdita di proteine ​​accoppiate alla microscopia Raman, alla diffusione dinamica della luce e alla proteomica ci hanno permesso di proporre un modello meccanicistico di destabilizzazione delle proteine ​​da parte della plastica. I nostri risultati suggeriscono che la perdita di proteine ​​non è dovuta principalmente alla nucleazione di piccoli aggregati in soluzione, ma alla destabilizzazione delle proteine ​​esposte alle superfici del materiale e alla loro successiva aggregazione all'interfaccia aria/liquido tagliata, un effetto che non può essere prevenuto utilizzando LOBIND tubi. È possibile stabilire una guida su come ridurre al minimo questi effetti avversi. Togliendo uno dei componenti di questo stress combinato - materiale, aria (anche parzialmente) o agitazione - le proteine ​​verranno preservate.

Il numero di terapie a base di proteine ​​sta aumentando rapidamente. Tuttavia, le proteine ​​sono esposte a stress durante la produzione, che ne influenzano la stabilità. L'aggregazione delle proteine ​​nei prodotti bioterapeutici può ridurne l'attività e l'efficacia, ma può anche promuovere reazioni immunitarie responsabili di gravi effetti avversi come risposte allergiche e anafilassi1.

Sono state sviluppate varie strategie per evitare l'aggregazione delle proteine ​​durante la lavorazione dei prodotti bioterapeutici controllando attentamente l'ambiente locale e il processo o rimuovendo gli aggregati prima del campionamento. I fattori fisici e chimici che determinano la stabilità delle proteine ​​o ne innescano l'aggregazione sono da tempo oggetto di ricerca in campo farmaceutico e biochimico. È noto che l'agitazione, la temperatura, il pH e la forza ionica inducono l'aggregazione proteica1,2,3.

L'effetto dei materiali sulla stabilità delle proteine ​​nella lavorazione bioterapeutica è stato relativamente meno studiato. In effetti, il quadro attuale è stato a lungo quello di una perdita minima di proteine ​​per adsorbimento sulle superfici, dove le interazioni proteina/materiale porterebbero solo alla passivazione superficiale senza influenzare le rimanenti proteine ​​libere in soluzione. A partire dagli anni '70, Leo Vroman4,5 dimostrò che l'adsorbimento delle proteine ​​non era un processo statico, ma piuttosto dinamico in cui gli scambi avvenivano all'interfaccia liquido-solido tra proteine ​​libere e adsorbite a seconda della concentrazione proteica e dell'affinità per la superficie. Questo modello può ora essere completato dalla parziale perdita di stabilità proteica a seguito di deboli interazioni con la superficie e successivo rilascio nella soluzione6, primo passo verso un remoto effetto delle interfacce.

Studi recenti hanno dimostrato che l'effetto destabilizzante delle interfacce solido/liquido sulla stabilità delle proteine ​​era più profondo di quanto inizialmente creduto e poteva essere migliorato mediante agitazione. Gli effetti sinergici del flusso e delle superfici sull'aggregazione degli anticorpi sono già stati descritti7,8. Altri studi hanno sottolineato il ruolo delle bolle d'aria9,10. Queste osservazioni suggeriscono che sia l'interfaccia solido/liquido, sia l'interfaccia aria/liquido sia l'agitazione sono attori chiave quando si considera l'effetto di un nuovo processo o materiale durante la produzione di prodotti bioterapeutici. Tuttavia, manca la descrizione meccanicistica che potrebbe spiegare i processi coinvolti e l'interazione tra le diverse interfacce e l'agitazione sulla stabilità delle proteine. Inoltre, la maggior parte degli studi sperimentali sono stati condotti con singole proteine ​​purificate, che non possono tenere conto del ruolo delle interazioni proteina-proteina quando sono coinvolte diverse proteine, della possibile associazione e dissociazione dei complessi proteici alle interfacce11 e delle variazioni nella sensibilità delle proteine ​​a questi stress.