研究人员开发了新的对患者友好的水凝胶平台

生物制剂是一类源自生物体的疗法，为与具有挑战性的疾病和紊乱作斗争的患者提供了巨大的优势。基于生物制剂的治疗可以增强免疫系统，以阻止感染的攻击或针对特定途径来阻止肿瘤的形成。

“这些药物已经存在了20年，具有魔力，”麻省理工学院化学工程系(ChemE)的博士后Amir Erfani说。“他们可以拯救全世界数百万人。

但生物制剂无与伦比的有效性是有代价的。它们可能难以管理，通常需要在诊所进行耗时的静脉注射 (IV)。无论是对于与危及生命或终生疾病作斗争的患者，每隔几周离家数小时的前景都可能非常令人生畏。

现在，麻省理工学院团队与默克制药公司合作的新工作提出了一种克服管理生物制剂困难的实用解决方案。在最近发表在Advanced Healthcare Materials上的一篇论文中，这些研究人员描述了一种水凝胶平台，用于通过皮下注射递送单克隆抗体(MAB)(一种生物制剂)。

Erfani是该论文的主要作者。合著者包括Jeremy M. Schieferstein，他在研究时是ChemE的博士后，现在是Elektrofi的高级科学家;Apoorv Shanker，ChemE的博士后;宝拉·哈蒙德，研究所教授兼ChemE负责人;以及Robert T. Haslam(1911)化学工程教授Patrick S. Doyle以及默克研究人员。

“这是一个重要的里程碑，”Doyle说。“我们正在用单克隆抗体和其他种类的疗法改变下一代治疗方法。

高等检测抗体

与大多数化学配制并由小分子组成的传统药物不同，生物制剂是蛋白质，糖和DNA片段的庞大且不守规矩的链，由活体来源进行基因工程改造。这些巨大的有机分子不适合合成药丸或注射悬浮液中常见的那种整齐、致密的包装。

以Erfani和Doyle关注的MAB为例，称为pembrolizumab，简称pembro。这种独特的抗体与与介导肿瘤细胞免疫反应相关的受体结合，并用于一系列有时难以解决的癌症。Pembro 通常在稀释溶液中通过 IV 施用数小时，以达到有效所需的浓度。(默克公司已将这种药物配方申请了专利，称为Keytruda。

“当你试图浓缩现有的配方时，分子的粘度会以天文数字的速度增长，”Doyle说。“在关键时刻，他们开始几乎对彼此有感觉，并互动成为一种粘贴。被迫在一起，pembro分子变得不稳定并改变其结构，破坏其治疗特性。

因此，Doyle在软物质工程小组的研究小组着手创建一种pembro版本，可以以足够高的浓度注射以有效，但体积足够小，可以在皮肤下舒适快速地给药(大多数患者和临床医生的第二偏好，吞下药丸后)。凭借在流动、微流体和药物配方方面的专业知识，该实验室为应对挑战做好了充分准备。

顺其自然

“这种MAB非常粘稠和脆弱，我们需要找到某种方法让它的分子在注射器内自由移动，”Erfani说。“我们的见解是使用水凝胶颗粒，由糖基，亲水的生物聚合物制成，为蛋白质提供良好的环境，”Doyle说。“我们把它们用于其他应用，我知道如果我们能把它们做得足够小，它们就可以穿过针头而不会堵塞它。

研究人员从毒性文献中得知，他们的水凝胶胶囊具有生物相容性，并且在注射器中表现良好。“水凝胶颗粒是挤压的，可以相互滚动，实际上流动，”Erfani说。以合适的密度掺入pembro分子以进行一到两毫米的皮下注射看起来是一帆风顺的。但是，就像工程学中的许多事情一样，魔鬼原来在细节中。

“通过制造过程保持抗体完整，然后确保它在生物学上有效，因为它可以适当地分散在皮肤下，这是很棘手的，”Doyle说。任何偏离软水凝胶胶囊中pembro的精确配方都可能导致MAB无效或更糟。

在持续近五年的一系列实验中，Doyle的实验室进行了实验，以实现恰到好处的特征平衡。他们的研究依赖于一种自制装置，该设备首先将生物聚合物溶液和pembro晶体喷射到空气中，然后进入浴缸，在那里它们融合成珠子。

“我们在设计空间中测试了许多变量，”Erfani说，包括不同浓度的pembro，以及聚合物溶液的组成和pH值。“我们的目标不仅仅是在我们的实验室开发一种药物，而是开发一种可以轻松适应制药的工艺。

凭借他之前开发稳定晶体结构的MAB类型的行业背景，Erfani帮助团队越过了终点线。“他不仅将所有这些物理化学带到了这个过程中，而且还弄清楚了实验设计以及如何执行它，”Doyle说。

广阔的平台

研究人员现在正在通过体内试验来测试他们的pembro配方，目标是在未来几年内获得美国食品和药物管理局的批准。但Doyle和他的团队对他们发明的水凝胶平台有更广泛的目标。“我们相信这个平台与MAB无关，这意味着我们可以将许多不同的分子配制成正确的浓度和流动性，”他说。“这可是大事。”

Doyle设想的可能性之一是在注射后缓慢，持续释放含MAB的水凝胶颗粒 - 想想几周。该平台可以容纳其他类型的分子，如细胞因子，以增强免疫反应或靶向特定的癌症途径。水凝胶还可以结合两种药物来增强彼此的特性。

Erfani指出了该平台的潜在社会影响。“我们的技术有可能通过减少患者对医院的依赖来提高治疗的可及性，”他说。他指出，用更少的单次注射代替静脉注射，将为更多患者腾出诊所时间，鼓励更高的依从性，甚至降低药物的价格。人们有一天可能会在家里注射自己的针剂。

Erfani对将更多药物转移到这个平台的想法特别感兴趣，包括一些在开发早期死亡的药物。“有些制药公司放弃了，因为它们不能以足够高的浓度配制，”他说。“重新利用一种救命药物并将其带回市场，这不是非常令人兴奋吗?”

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