Ny model kan vise lægemiddelproducenter, hvilke gener de skal slå i stykker i deres medicinproducerende cellekulturer for at få renere lægemidler og i større mængder. Modellen kan også gøre forskere klogere på sygdomme som kræft og ikke-alkoholisk fedtleversygdom.
Op til 80 procent af produktionsomkostningerne ved at lave visse former for biologisk medicin går til at rense lægemidlerne for urenheder fra produktionen.
Det arbejde kan dog gøres meget lettere, efter forskere fra DTU og University og California, San Diego og kollegaer har udviklet en computermodel, som kan identificere de urenhedsproducerende gener i deres medicinproducerende cellekulturer.
Derefter kan forskerne bruge den genetiske saks CRISPR til at slå disse gener i stykker, inden de laver ballade.
Når forskerne slår de rigtige gener ud, producerer cellerne færre biprodukter, og det kan øge kvaliteten af og reducere prisen på værdifulde biologiske lægemidler.
Ved at forstå systemet bedre kan lægemiddelproducenterne også øge produktionen af biologisk medicin.
”Det her handler ikke om at prøve sig frem gen for gen, men om systematisk at kigge på det samlede billede af, hvad cellerne laver, og hvad der kan skæres fra for fortsat at have levedygtige celler. Vi kan gøre dét med vores model, og så kan modellen også benyttes inden for sygdomsforskningen, eksempelvis til at blive klogere på kræft,” fortæller en forsker bag det nye studie, Nathan Lewis, Systems Biology and Cell Engineering og Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, University of California, San Diego, USA.
Forskningen er offentliggjort i to artikler i Nature Communications. Læs artiklerne her og her.
Laver model over signalveje i en celle
Nathan Lewis har sammen med sine kollegaer udviklet en computermodel over den protein-sekretoriske vej i en pattedyrscelle.
Celler i kroppen sameksisterer med både nabocellerne og celler længere væk, som kræver, at alle celler hele tiden kommunikerer med deres omgivelser.
Én måde, de gør dét, er ved at sende en masse hormoner og andre signalmolekyler ud i omgivelserne, og Nathan Lewis’ forskning har vist, at celler bruger meget af den proteinkodende del af deres DNA til processer i den sekretoriske vej.
Udover dét bruger cellerne en tredjedel af deres protein-kodende gener på at kommunikere og danne molekyler, som ud fra et lægemiddelsynspunkt er uønskede biprodukter.
”Hidtil har det meste forskning fokuseret på de enkelte signalveje og interaktioner mellem de individuelle stoffer, men i dette studie har vi skabt en model, som giver os et meget bedre overblik over hele systemet af den sekretoriske vej, og hvordan den påvirker signaler,” forklarer Nathan Lewis.
Tusinder af metabolitter og proteiner med i model
Ved hjælp af data fra tidligere videnskabelige studier har Nathan Lewis med sine kollegaer etableret computermodellen, der holder styr på alle de forskellige processer en pattedyrscelles sekretorisk signalvej.
Det vil sige, at modellen inkluderer mere end 250 proteiner, som findes i mange pattedyr, inklusive mennesker, mus og kinesiske hamstre, som bliver brugt til at lave mere end 2.000 sekretoriske proteiner og signalmolekyler og mere end 5.000 membranproteiner og -receptorer, som afkoder signalmolekylerne i omgivelserne.
Derudover indeholder modellen de flere tusinde metabolitter, som bidrager til at tilføre energi til cellerne og holder de sekretoriske veje og signalveje kørende.
”Modellen viser, hvordan hele systemet hænger sammen. På den måde kan vi afgøre, at hvis cellen skal lave en bestemt slags signalmolekyle, skal den bruge nogle specifikke ressourcer og i givne mængder for at holde gang i produktionen. Vi kan derfor holde styr på cellens aktivitetsniveau,” siger Nathan Lewis.
Forskere kan forbedre forståelsen af kræft
Den nye model kan benyttes til forskellige formål, som alle er relateret til forståelsen af, hvordan celler allokerer ressourcer.
Inden for sygdomsforskningen giver modellen forskere mulighed for at nærstudere, hvad der sker i eksempelvis ikke-alkoholisk fedtleversygdom, når signalvejene i leveren bliver ændret til at producere forskellige sekretoriske hormoner, hvilket i sidste instans påvirker metabolismen i hele kroppen.
Et andet eksempel kan være kræft, hvor kræftcellerne også ændrer udtryk og begynder at producere mere eller mindre af nogle sekretoriske stoffer, der påvirker omgivelserne, så kræftcellerne kan sprede sig og metastasere.
”Modellen gør det muligt for forskere at undersøge, hvilke signalveje der er involveret, og hvordan de forsynes. Forskere kan finde ud af, hvad en kræftcelle skal bruge for at lave de signalmolekyler eller enzymer, den påvirker omgivelserne med, og så kan man måske finde et lægemiddel, som kan fjerne de stoffer fra cellerne, så de ikke kan producere signalmolekylerne,” siger Nathan Lewis.
Stort potentiale for medicinalfirmaer
Netop i lægemiddelindustrien ser Nathan Lewis de mest oplagte anvendelsesmuligheder af den nye computermodel.
Celler fra pattedyr benyttes i stor stil for at producere mange lægemidler, inklusive lægemidler for kræft og vacciner.
Ved lægemiddelproduktion vil medicinalfirmaerne gerne have cellerne til at lave så meget af det ønskede lægemiddel som muligt med så få biprodukter som muligt.
Nathan Lewis og kollegaer brugte modellen til at undersøge, hvilke dele af de sekretoriske veje og signalveje der står for den største produktion af biprodukter i en specifik cellelinje, som laver medicin i form af antivirale klonale antistoffer.
Forskerne har også set på, hvad denne cellelinje helt generelt bruger sine ressourcer på.
Resultatet fra modellen viste, at ét enkelt gen stod for at forbruge de fleste ressourcer i lægemiddelproduktion, og ved at slå det ene gen ud, kunne produktionen af det rene lægemiddel teoretisk øges med næsten 25 procent.
Forskerne efterprøvede modellen og slog det givne gen ud, og opnåede næsten præcis det, som modellen forudsagde, og fik øget produktionen med 18 procent.
”Vi kan også vende spørgsmålet om og spørge modellen, hvilke gener vi skal slå i stykker, for at cellen bruger 50 procent af dens ressourcer på at lave lægemiddelstoffer. I vores forsøg fandt vi, at det krævede, at vi slog 30 gener ud. Det er ret fascinerende at tænke på, at de her celler laver tusindvis af proteiner, og vi skal blot slå 30 gener ud for at reallokere 50 procent af deres ressourcer til at lave vores interessestof," fortæller Nathan Lewis.
Eliminerede 50 procent af biprodukter
I et efterfølgende forsøg prøvede forskerne at eliminere biprodukter i lægemiddelproduktionen.
Forskerne brugte modellen og fandt, at de kunne påvirke cellernes ydeevne og eliminere urenheder i en cellelinje ved at slå 14 proteiner i stykker.
Bagefter gav de sig til at slå generne ud ét efter ét ved hjælp af CRISPR.
Generne var for proteiner, som kunne deles op i tre grupper:
• Sekretoriske proteiner i rigelige mængder, som formentlig ikke har en essentiel rolle for cellens overlevelse, fordi de alligevel bliver sendt ud i omgivelserne.
• Proteaser, som skærer andre proteiner i stykker. Forskerne valgte at eliminere proteaserne, fordi de ikke ønskede at have molekylære sakse blandet sammen med deres lægemiddel.
• Proteiner, der binder til blandt andet det ønskede lægemiddel. Forskerne fjernede dem, fordi de øger omkostningerne ved oprensning af lægemidler betydeligt.
”Da vi slog 11 ud af 14 gener i stykker, voksede cellerne faktisk bedre end vildtypen, formentlig fordi de kunne bruge flere ressourcer på at vokse. Da vi slog de sidste tre gener i stykker, mistede vi dog en del af produktionen af lægemidlet, formentlig fordi proteinerne spiller en eller anden rolle i produktionen af vores ønskede lægemiddel. Men samtidig viste vi, at vores tilgang kunne lade sig gøre, og at det er muligt at regne sig frem til at måde at øge produktionen af et givent lægemiddel og samtidig få et renere produkt til at starte med,” forklarer Nathan Lewis.
Nathan Lewis fortæller, at både forskere og medicinalfirmaer har vist interesse for modellen, der er frit tilgængelig for alle at bruge.
”Multiplex secretome engineering enhances recombinant protein production and purity” og ”Genome-scale reconstructions of the mammalian secretory pathway predict metabolic costs and limitations of protein secretion” er udgivet i Nature Communications. Nathan Lewis er Associate Professor, Systems Biology and Cell Engineering og Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, University of California, San Diego, USA.
