Entwicklung synthetischer Affinitätsreagenzien für eine verbesserte Diagnostik

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Wie die COVID-19-Pandemie gezeigt hat, sind wirksame Diagnosetechnologien ein wesentlicher Bestandteil der Reaktion auf einen Krankheitsausbruch. Die schnelle und groß angelegte Entwicklung von Diagnostika mit herkömmlichen Ansätzen kann jedoch eine Herausforderung darstellen. MIP Discovery arbeitet an der Lösung dieser Probleme, indem es molekular geprägte Polymere (MIPs) entwickelt – synthetische Affinitätsreagenzien, die mehrere Vorteile gegenüber Antikörpern bieten.

Um mehr über MIPS zu erfahren und warum sie sich besonders für den Einsatz in In-vitro-Diagnosetests eignen, haben wir mit Dr. Francesco Canfarotta, Leiter der Chemie bei MIP Discovery, gesprochen. In diesem Interview erzählt uns Dr. Canfarotta auch von der nanoMIP™-Technologie von MIP Discovery und wie das Unternehmen die jüngsten Fördermittel der Bill & Melinda Gates Foundation für die Entwicklung von NanoMIPs für den Einsatz bei einer zukünftigen Pandemiebekämpfung nutzen wird.

Anna MacDonald (AM): Können Sie erklären, was MIPS sind und wie sie hergestellt werden?

Dr. Francesco Canfarotta (FC): MIPS sind synthetische Affinitätsreagenzien, die rund um einen Biomarker oder ein interessierendes Ziel entwickelt und hergestellt werden, um dessen Form und Oberflächenfunktionalität nachzuahmen. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um Polymere mit einer funktionellen Bindungstasche, die in Anwendungen eingesetzt werden können, die ein Bindungsereignis erfordern.

AM: Können Sie uns mehr über die nanoMIP-Technologie von MIP Discovery erzählen und wie sie im Vergleich zu anderen Ansätzen abschneidet?

FC: Molekulare Prägetechniken sind gut etabliert, fanden jedoch in der Vergangenheit aufgrund von Einschränkungen hinsichtlich der Größe des resultierenden „Präge“-Moleküls und der Inkonsistenz der Erkennung kaum praktische Anwendung. Dies liegt größtenteils an der Art und Weise, wie die Abdrücke erzeugt werden, was häufig in der Lösung und ohne spezifische Strategie zur Erzeugung solcher Abdrücke liegt. MIP Discovery hat eine proprietäre Technologie – nanoMIPs – entwickelt, die diese Probleme überwindet. Unser Ansatz basiert auf der aktiven Gestaltung der von uns gewünschten Wiedererkennungsqualitäten. Unser Team verwendet High-End-Software zur molekularen Modellierung, um Wechselwirkungen zwischen dem Zielmolekül und einzelnen Monomeren (den Bausteinen von NanoMIPs) zu modellieren. Dadurch können wir eine Polymerisationsreaktion rund um das immobilisierte Ziel entwerfen und steuern, bei dem es sich um alles Mögliche handeln kann, von einem kleinen Molekül bis hin zu einem Protein oder einem ganzen Virus. Dies führt zur Bildung eines nanoMIP-Affinitätsreagenzes, das dann vom immobilisierten Ziel eluiert und auf seine Leistung in einer ausgewählten Anwendung hin bewertet wird. Das Ergebnis ist ein leistungsstarkes, streng kontrolliertes Affinitätsreagenz (typischerweise 10–60 nm groß), das ein ausgewähltes Ziel in einer bestimmten Ausrichtung spezifisch binden kann.

Die wichtigste Technologie, an der wir unseren Vergleich messen, sind Antikörper, obwohl wir auch alternative Technologien wie Aptamere und Afmere kennen. Ein gemeinsamer Unterschied zwischen NanoMIPs und allen anderen Technologien ist die schiere Anzahl an Bausteinen, die wir verwenden können, um ein NanoMIP mit den richtigen physikalisch-chemischen und Bindungseigenschaften zu erstellen. MIP Discovery basiert auf über 600 sorgfältig ausgewählten Monomeren im Vergleich zu den etwa 20 Aminosäuren, die für Antikörper/Affimere verwendet werden, oder den 50–100 Nukleotiden, die für Aptamere verwendet werden. Dieser vergrößerte Designraum verschafft nanoMIPs einen deutlichen Vorteil, der durch das Potenzial für eine größere Anzahl von Kontaktpunkten mit dem Ziel noch verstärkt wird (nominal 5–6 Kontaktpunkte für einen Antikörper gegenüber 10 oder mehr Kontaktpunkten für einen NanoMIP, je nach Größe). des Ziels).

Was Antikörper betrifft, so ist ihre Produktion in unterschiedlichem Maße von tierischen Probanden oder Komponenten abhängig. Abgesehen von der ethischen Dimension schafft es Herausforderungen im Zusammenhang mit Sterilität und Kontamination, ganz zu schweigen von den erheblichen Zeitplänen, die durch die Ausweitung der Tierhaltung/Zellkultur bedingt sind. nanoMIPs sind vollständig synthetisch, chemisch definiert und frei von tierischen Bestandteilen. Darüber hinaus können sie extremen Temperatur-, Druck- und pH-Bedingungen ausgesetzt werden, was eine Sterilisation unter Beibehaltung ihrer Funktionalität ermöglicht.

Während Antikörper zur Erkennung von Proteinen gut etabliert und in dieser Hinsicht zum Reagenz der Wahl geworden sind, sind sie für andere Zielklassen weniger gut geeignet. Es hat sich gezeigt, dass nanoMIPs über ein breites Erkennungsspektrum verfügen, von der Differenzierung einzelner Ionen, die nur durch die Wertigkeit getrennt sind, über kleine Moleküle wie Drogen bis hin zu Peptiden und Proteinen.

AM: Warum eignen sich NanoMIPs gut für den Einsatz in In-vitro-Diagnosetests? Gibt es andere Anwendungen, in denen MIPs verwendet werden?

FC: NanoMIPs verfügen über eine Fülle einzigartiger Eigenschaften, die für Entwickler diagnostischer Assays von Interesse sind. Der erste ist ihre Robustheit: Dank ihrer Polymerstruktur halten sie rauen Umgebungen und schwankenden Temperaturen stand und eignen sich daher ideal für Geräte im Feld. Stellen Sie sich ein Drogentestgerät in einem kanadischen Polizeiauto vor: Es muss extremen saisonalen Temperaturen und alltäglicher Handhabung standhalten, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Dies kann mit biologischen Reagenzien schwierig zu erreichen sein, aber nanoMIPs können dies überwinden. Ein weiteres Merkmal von NanoMIPs, das großes Interesse geweckt hat, ist ihre Skalierbarkeit und Reproduzierbarkeit, die zwangsläufig zur Versorgungssicherheit führt. Durch die chemische Produktionsmethode kann problemlos eine Chargenkonsistenz erreicht werden und Risiken in der Lieferkette, wie etwa, dass ein Antikörperklon nicht mehr produziert, eliminiert werden. Über diagnostische Tests hinaus arbeiten wir mit einer Reihe von Partnern an der Entwicklung von NanoMIPs für den Einsatz in der Bioverarbeitung, insbesondere im Bereich Sensorik und Chromatographie. Der Bedarf wird hier insbesondere durch die Zell- und Gentherapie getrieben.

AM: Welche Vorteile bieten MIPs gegenüber Antikörpern?

FC: Antikörper sind eine erstaunliche Technologieplattform, und dies spiegelt sich deutlich in ihrer Verwendung in Forschung und Entwicklung, Diagnostik und anderen Anwendungen wider. Allerdings weisen Antikörper naturgemäß Einschränkungen auf. Die meisten kommerziell verkauften Antikörper werden durch eine Immunantwort erzeugt, die nicht kontrolliert werden kann und letztendlich von Jahrmillionen der Biologie beeinflusst wird. Dies macht es sehr schwierig, bestimmte Molekülklassen oder bestimmte Merkmale eines bestimmten Moleküls zu erkennen. nanoMIPs können gegen nahezu jedes Ziel von Interesse entwickelt werden, von Ionen über kleine organische Moleküle und Proteine ​​bis hin zu einem vollständigen Virus. Dies macht sie zu einer idealen Option für die Bekämpfung von Arten wie toxischen Substanzen, Medikamenten und deren Metaboliten.

Aus Sicht des Produktprofils sind NanoMIPs chemisch definiert und frei von tierischen Bestandteilen, was eine schnelle Herstellung im großen Maßstab ermöglicht. Dies ist natürlich eines der Hauptmerkmale, das das Interesse der Bill & Melinda Gates Foundation an der Bewältigung groß angelegter Infektionstests in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen geweckt hat.

AM: MIP Discovery hat kürzlich Fördermittel von der Bill & Melinda Gates Foundation erhalten. Können Sie erläutern, wie diese Mittel verwendet werden und welche Auswirkungen das Projekt voraussichtlich haben wird?

FC: Der Zuschuss der Bill & Melinda Gates Foundation unterstützt ein innovatives Projekt zur Entwicklung von NanoMIPs für den Einsatz bei einer zukünftigen Pandemiebekämpfung. Dieses Projekt wird zusammen mit der Finanzierung anderer Partner wie Sapphiros als Verbesserung gegenüber Antikörpern bereitgestellt, um bei endemischen Ausbrüchen oder Pandemieausbrüchen schnell kostengünstige Diagnosetests in großem Umfang für Länder mit niedrigem und mittlerem Einkommen zu ermöglichen. Zu den Hauptzielen des Projekts gehört die Verkürzung der aktuellen Zeitpläne, um die Entwicklung und Skalierung neuartiger Nachweisreagenzien in weniger als vier Wochen zu ermöglichen. nanoMIP-Nachweisreagenzien können dann mithilfe von Hochdurchsatz-Diagnoseplattformen auf globaler Ebene eingesetzt werden. Unser „Scale-Out“-Ansatz wird es MIP Discovery ermöglichen, mehrere Diagnosemarker gleichzeitig zu bearbeiten und gleichzeitig die für die Massendiagnose erforderlichen Volumina zu erreichen.

Wir gehen davon aus, dass sich dieses Projekt auf die Geschwindigkeit auswirken wird, mit der die Branche auf Pandemien und endemische Situationen, ob natürlicher oder anderer Natur, reagieren kann.

AM: Haben Sie Pläne, NanoMIPs für die Diagnostik nichtübertragbarer Krankheiten zu entwickeln? Welche weiteren Innovationen sehen Sie für MIPs?

FC: Unser Fokus in den kommenden 24 Monaten liegt über Infektionskrankheiten hinaus auf der Lösung von Problemen mit einem erheblichen ungedeckten Bedarf, der sich auf die Lebensqualität auswirken kann. Der erste Schwerpunkt liegt auf Drogenmissbrauch, insbesondere der nordamerikanischen Fentanyl-Pandemie. Die Entwicklung von Reagenzien zur Ermöglichung besserer Feldtests ist einer der wichtigsten Schritte im Kampf gegen diese chemische Epidemie.

Unser zweiter Schwerpunkt liegt auf der Bioverarbeitung, insbesondere im Bereich der Zell- und Gentherapie. Zell- und Gentherapie-Behandlungen gehören zu den teuersten im Gesundheitswesen. Ihre Herstellung ist aufwendig und kostenintensiv. nanoMIPs eignen sich ideal für Inline-Sensor- und Chromatographieprozesse in industriellen Umgebungen und ermöglichen möglicherweise die Entwicklung hochwertigerer Therapien zu geringeren Kosten.

Dr. Francesco Canfarotta sprach mit Anna MacDonald, Interim Managing Editor für Technology Networks.