Een selectieve kristallisatiemethode zou de productie van geneesmiddelen voor gentherapie kunnen verbeteren

Enkele van de duurste medicijnen die momenteel in gebruik zijn, zijn gentherapieën om specifieke ziekten te behandelen, en de hoge kosten ervan beperken de beschikbaarheid ervan voor degenen die ze nodig hebben. Een deel van de reden voor de kosten is dat het productieproces maar liefst 90% niet-actief materiaal oplevert, en het scheiden van deze nutteloze delen langzaam gaat, tot aanzienlijke verliezen leidt en niet goed is aangepast aan productie op grote schaal.

Scheiding is verantwoordelijk voor bijna 70% van de totale productiekosten van gentherapie. Maar nu hebben onderzoekers van het Department of Chemical Engineering en het Center for Biomedical Innovation van MIT een manier gevonden om dat scheidingsproces aanzienlijk te verbeteren. De bevindingen zijn gepubliceerd in ACS Nano in een artikel van MIT-onderzoeker Vivekananda Bal, Edward R. Gilliland professor Richard Braatz en vijf collega’s.

“Sinds 2017 zijn er ongeveer 10.000 klinische onderzoeken met geneesmiddelen voor gentherapie geweest”, zegt Bal. Daarvan is ongeveer 60% gebaseerd op adeno-geassocieerd virus, dat wordt gebruikt als drager voor het gemodificeerde gen of de gemodificeerde genen. Deze virussen bestaan ​​uit een soort omhulselstructuur, bekend als capsiden, die het genetische materiaal binnenin beschermen, maar de productiesystemen die worden gebruikt om deze medicijnen te vervaardigen hebben de neiging grote hoeveelheden lege capsiden te produceren zonder genetisch materiaal erin.

Deze lege capsiden, die ergens tussen de helft en 90% van de opbrengst kunnen uitmaken, zijn therapeutisch nutteloos en kunnen in feite contraproductief zijn omdat ze elke immuunreactie bij de patiënt kunnen versterken zonder enig voordeel te bieden. Ze moeten voorafgaand aan de formulering worden verwijderd als onderdeel van het productieproces. De bestaande zuiveringsprocessen zijn niet schaalbaar en omvatten meerdere fasen, hebben lange verwerkingstijden en brengen hoge productverliezen en hoge kosten met zich mee.

Het scheiden van volle en lege capsiden wordt bemoeilijkt door het feit dat ze in vrijwel alle opzichten vrijwel identiek lijken. “Ze hebben allebei een vergelijkbare structuur, dezelfde eiwitsequenties”, zegt Bal. “Ze hebben ook een vergelijkbaar molecuulgewicht en een vergelijkbare dichtheid.” Gezien de gelijkenis is het uiterst uitdagend om ze te scheiden. “Hoe bedenk je een methode?”

De meeste systemen gebruiken momenteel een methode gebaseerd op chromatografie, waarbij het mengsel door een kolom absorberend materiaal gaat, en kleine verschillen in de eigenschappen kunnen ervoor zorgen dat ze met verschillende snelheden passeren, zodat ze kunnen worden gescheiden. Omdat de verschillen zo klein zijn, vereist het proces naast filtratiestappen meerdere verwerkingsronden, wat de tijd en kosten vergroot. De methode is ook inefficiënt: er wordt tot 30 tot 40% van het product verspild, zegt Bal. En het resulterende product is nog steeds slechts ongeveer tweederde puur, terwijl een derde inactief materiaal overblijft.

Er is nog een andere zuiveringsmethode die veel wordt gebruikt in de farmaceutische industrie met kleine moleculen, waarbij gebruik wordt gemaakt van een preferentieel kristallisatieproces in plaats van chromatografie, maar deze methode was nog niet eerder geprobeerd voor eiwitzuivering, met name voor op capside gebaseerde geneesmiddelen. Bal besloot het te proberen, omdat met deze methode “de gebruikstijd laag is en het productverlies ook erg laag is, en de bereikte zuiverheid heel, heel hoog is vanwege de hoge selectiviteit”, zegt hij.

De methode scheidt lege van volle capsiden in de oplossing, evenals het scheiden van celresten en ander nutteloos materiaal, allemaal in één stap, zonder dat de significante voor- en nabewerkingsstappen nodig zijn bij de andere methoden.

“De tijd die nodig is voor de zuivering met behulp van de kristallisatiemethode bedraagt ​​ongeveer vier uur, vergeleken met de tijd die nodig is voor de chromatografiemethode, die ongeveer 37 tot 40 uur bedraagt”, zegt hij. “Dus eigenlijk is het ongeveer 10 keer effectiever in termen van gebruikstijd.” Deze nieuwe methode zal de kosten van geneesmiddelen voor gentherapie vijf tot tien keer verlagen, zegt hij.

De methode is gebaseerd op een zeer klein verschil in de elektrische potentiaal van de volle versus lege capsiden. DNA-moleculen hebben een lichte negatieve lading, terwijl het oppervlak van de capsiden een positieve lading heeft.

“Daarom zal de algehele verdeling van de ladingsdichtheid van de volledige capsiden anders zijn dan die van de lege capsiden”, zegt hij. Dat verschil leidt tot een verschil in de kristallisatiesnelheden, die kunnen worden gebruikt om omstandigheden te creëren die de kristallisatie van de volledige capsiden bevorderen, terwijl de lege capsiden achterblijven.

Tests hebben de effectiviteit van de methode bewezen, die gemakkelijk kan worden aangepast aan grootschalige farmaceutische productieprocessen, zegt hij. Het team heeft via het Technology Licensing Office van MIT een patent aangevraagd en is al in gesprek met een aantal farmaceutische bedrijven over het starten van tests met het systeem, wat ertoe zou kunnen leiden dat het systeem binnen een paar jaar gecommercialiseerd wordt, zegt Bal.

“Ze werken feitelijk samen”, zegt hij over de bedrijven. “Ze dragen hun monsters over voor een proef met onze methode”, en uiteindelijk zal het proces in licentie worden gegeven aan een bedrijf, of de basis vormen voor een nieuw startend bedrijf, zegt hij.

Naast Bal en Braatz bestond het onderzoeksteam ook uit Jacqueline Wolfrum, Paul Barone, Stacy Springs, Anthony Sinskey en Robert Kotin, allen van het Center for Biomedical Innovation van MIT.