Voor een snellere ontwikkeling van medicijnen

Op de foto van links: Prof. Dr. Harald Riegel, Max-Jonathan Kleefoot, Lena Kruse, Prof. Dr. Christian Neusüß, Sebastian Funken en Ann-Katrin Schwenzer naast het nieuw aangeschafte ionenmobiliteits-massaspectrometer. © Hochschule Aalen | Andrea Heidel

De wereldwijde COVID-19-pandemie heeft het meer dan duidelijk gemaakt: Een van de belangrijkste uitdagingen voor onze samenleving op het gezondheidsgebied is de snelle ontwikkeling van nieuwe medicijnen en vaccins. Vooral in de analyse van antistoffen-gebaseerde werkstoffen ontbreken effectieve en hoogprecisie systemen. Hier begint een recent gestart onderzoeksproject aan de Hochschule (HS) Aalen: Het interdisciplinaire team heeft als doel de ontwikkeling van vaccins en medicijnen aanzienlijk te versnellen. Het project ‘ProCeVen’ wordt met ongeveer twee miljoen euro gefinancierd door het Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) en stelt drie studenten in staat om te promoveren aan de HS Aalen.

Na meer dan twee jaar met het coronavirus is de meeste van ons waarschijnlijk vertrouwd met het gebruik van de sneltests op antistoffen. Maar de minste van ons heeft zich waarschijnlijk minder verdiept in hoe deze tests eigenlijk werken: “Ze geven eenvoudigweg aan of bepaalde virus-eiwitten in de keelruimte van een getest persoon aanwezig zijn,” legt Max-Jonathan Kleefoot uit, promovendus aan het LaserApplikationsZentrum (LAZ) van de Hochschule Aalen uit.

De studie van eiwitten speelt echter niet alleen hierin, maar in het hele medische veld een cruciale rol – zowel in de diagnostiek van ziekten als bij de ontwikkeling van nieuwe medicijnen. Biopharmazeutische bedrijven, dat wil zeggen fabrikanten van medicijnen, testen bijvoorbeeld de werkzaamheid van zogenaamde antistoffen-gebaseerde werkstoffen door in het bloed van patiënten naar bepaalde eiwitten te zoeken. “Het succes en de veiligheid van deze nieuwe eiwitwerkstoffen en daarmee de gezondheidszorg voor de bevolking hangen sterk af van de mogelijkheden van bioanalyse,” benadrukt Prof. Dr. Christian Neusüß, hoofd van het Instituut voor Analytische en Bioorganische Chemie aan de HS Aalen.

Helaas stuitten de tot nu toe gangbare methoden en technieken voor de analyse van antistoffen-gebaseerde werkstoffen snel op hun grenzen en vertraagden ze vaak een op maat gemaakte medicijnontwikkeling. Dit willen onderzoekers in Aalen nu veranderen in een recent gestart interdisciplinair project: Ze werken aan een nieuw analytisch systeem waarmee eiwitten in biopharmazeutische werkstoffen in de toekomst veel effectiever en met een nog niet eerder behaalde precisie kunnen worden onderzocht. Voor het eerst werken onderzoekers van het Instituut voor Analytische en Bioorganische Chemie en het LaserApplikationsZentrum (LAZ) samen in een gemeenschappelijk project.

Het team koppelt daarbij voor het eerst twee belangrijke instrumentele analysemethoden aan elkaar, die tot nu toe niet combineerbaar waren: de zogenaamde capillairelektroforese met ionenmobiliteits-massaspectrometrie en waterstof/deuterium-uitwisseling. “Deze ingewikkeld klinkende methoden dienen om gedetailleerde structurele informatie over de eiwitten en daarmee ook over hun medische werking te verkrijgen. Daarnaast leveren ze ook informatie over de productievarianten van de eiwitten,” legt projectcoördinator Neusüß uit.

Chip-ventiel werkt als een draaideur

Bovendien ontwikkelt het team uit de sector instrumentele bioanalyse een nieuw, chip-gebaseerd ventiel van glas met een diameter van ongeveer een tafeltennisbal, dat in het analyseapparaat het tot nu toe gebruikte kunststof onderdeel zal vervangen. “Dit ronde ventiel kan je je voorstellen als een draaideur. Het neemt zeer kleine hoeveelheden vloeistoffen in nanoliter-bereik nauwkeurig op en transporteert ze met een draaiende beweging verder,” legt Kleefoot uit. Omdat het ventiel niet slechts één, maar meerdere van deze openingen en kleine kanalen binnenin heeft, kan het achtereenvolgens meerdere druppels opnemen en vervolgens afzonderlijk naar de verdere scheiding en karakterisering door het massaspectrometer sturen.

“Voor dit ventiel hebben we beweegbare glazen onderdelen nodig, die een zeer precieze fabricage vereisen. De ultrakortpuls laser technologie met nauwkeurige pulselading en instelbare golflengte maakt het mogelijk om deze glazen onderdelen te vervaardigen, hun oppervlakken verder te functionaliseren en er op maat gemaakte analysetechnieken in te integreren,” voegt Neusüß toe. De laserbewerking wordt uitgevoerd door een team van onderzoekers aan het LAZ onder leiding van Prof. Dr. Harald Riegel. Het project stelt daarnaast drie studenten van de HS Aalen in staat om hun promotie-onderzoek uit te voeren: zo zal Sebastian Funken, student aan de Hochschule Aalen, zijn dissertatie schrijven over zijn onderzoek naar laserbewerking van glas binnen het kader van het project.

Twee promovendi, Lena Kruse en Ann-Katrin Schwenzer, doen parallel promotieonderzoek op het gebied van instrumentele bioanalyse in de groep van Neusüß. “Ook worden studenten, vooral uit de opleidingen Biopharmazeutische Wetenschappen, Werktuigbouwkunde/Productie en Management en Opto-elektronica, al in een vroeg stadium van hun bacheloropleiding door directe samenwerking in het laboratorium geïntroduceerd in de actuele onderzoeksgebieden en zo in het wetenschappelijke werk,” benadrukken de professoren Neusüß en Riegel unisono.

“Glas is als vervanging voor het tot nu toe gebruikte kunststofonderdeel veel geschikter, omdat het duurzamer, minder vatbaar voor verontreinigingen en daarmee duurzamer en duurzamer is,” beschrijft Funken. Met de laser kunnen in het glaslichaam zeer nauwkeurige, geometrisch gedefinieerde structuren en microkanalen worden gecreëerd. Daarnaast kan de laser snijranden en gaatjes maken, evenals optische elementen in het glas integreren. Ongeveer 500.000 euro van de totale subsidie van ongeveer twee miljoen euro wordt geïnvesteerd in het onderzoek naar laserbewerking aan het LAZ, en nog eens 800.000 euro in de uitbreiding van de uitrusting van de Hochschule Aalen, bijvoorbeeld om een ionenmobiliteits-massaspectrometer (op de foto) en een laser-scanning microscoop aan te schaffen. Met de ionenmobiliteits-massaspectrometer willen ze voor het eerst in de wereld verschillen in de ruimtelijke structuur van biopharmazeutische eiwitten onderzoeken in combinatie met capillairelektroforese. Deze twee apparaten zijn inmiddels geïnstalleerd en vullen de bestaande apparatuur aan en zullen in vervolgprojecten verder worden ingezet in het onderzoek.