Dla szybszego rozwoju leków

Na zdjęciu od lewej: Prof. Dr. Harald Riegel, Max-Jonathan Kleefoot, Lena Kruse, Prof. Dr. Christian Neusüss, Sebastian Funken i Ann-Katrin Schwenzer obok nowo zakupionego spektrometru masowego jonowej mobilności. © Hochschule Aalen | Andrea Heidel

Globalna pandemia COVID-19 jeszcze bardziej uwypukliła jedną z kluczowych wyzwań naszego społeczeństwa w sektorze zdrowia: szybki rozwój nowych leków i szczepionek. Szczególnie brakuje w analizie skutecznych i wysoce precyzyjnych systemów do oceny antyciał opartych na substancjach czynnych. W tym miejscu wkracza nowo rozpoczęty projekt badawczy na uczelni (HS) Aalen: interdyscyplinarny zespół postawił sobie za cel znaczne przyspieszenie rozwoju szczepionek i leków. Projekt „ProCeVen” jest finansowany kwotą około dwóch milionów euro przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań (BMBF) i umożliwia trzem studentom realizację doktoratu na HS Aalen.

Po ponad dwóch latach z koronawirusem większość z nas zapewne dobrze zna obsługę szybkich testów na antygeny. Jednak niewielu zapewne głębiej zastanawiało się, jak tak naprawdę działają te testy: „W skrócie, wykazują one, czy w gardle osoby testowanej znajdują się określone białka wirusa”, wyjaśnia Max-Jonathan Kleefoot, doktorant w Centrum Aplikacji Laserowych (LAZ) na uczelni Aalen.

Badanie białek odgrywa jednak kluczową rolę nie tylko w tym zakresie, ale w całej medycynie – zarówno w diagnostyce chorób, jak i w rozwoju nowych leków. Firmy biotechnologiczne, czyli producenci leków, testują skuteczność tak zwanych substancji opartych na przeciwciałach, poszukując określonych białek we krwi pacjentów. „Sukces i bezpieczeństwo tych nowatorskich substancji białkowych, a co za tym idzie, opieki zdrowotnej nad społeczeństwem, w dużej mierze zależą od możliwości bioanalizy”, podkreśla prof. dr Christian Neusüß, kierownik Instytutu Chemii Analitycznej i Bioorganicznej na HS Aalen.

Niestety, dotychczasowe metody i techniki analizy substancji opartych na przeciwciałach szybko osiągały swoje granice, co często opóźniało indywidualne dostosowanie rozwoju leków. Naukowcy z Aalen zamierzają to zmienić w niedawno uruchomionym interdyscyplinarnym projekcie: pracują nad nowatorskim systemem analitycznym, który umożliwi znacznie skuteczniejsze i precyzyjniejsze badanie białek w biopharmaceutykach. Po raz pierwszy naukowcy z Instytutu Chemii Analitycznej i Bioorganicznej oraz Centrum Aplikacji Laserowych (LAZ) współpracują w ramach wspólnego przedsięwzięcia.

Zespół po raz pierwszy łączy dwa kluczowe metody analizy instrumentalnej, które dotąd nie mogły być ze sobą łączone: tak zwaną kapilarną elektroforezę z jonową spektrometrią mas oraz wymianę wodoru/deuteru. „Te skomplikowanie brzmiące metody służą do uzyskania szczegółowych informacji o strukturze białek, a co za tym idzie, także o ich działaniu medycznym. Dodatkowo dostarczają informacji o wariantach białek powstałych w procesie produkcji”, wyjaśnia koordynator projektu Neusüß.

Wentyl na chipie działa jak drzwi obrotowe

Ponadto zespół z dziedziny bioanalizy instrumentalnej produkuje nowatorski, oparty na chipie, zawór ze szkła o średnicy około piłeczki do tenisa stołowego, który zastąpi dotychczasową plastikową część w urządzeniu analitycznym. „Ten okrągły zawór można wyobrazić sobie jak drzwi obrotowe. Precyzyjnie pobiera minimalne ilości cieczy w nanolitrach i przesuwa je obrotem”, wyjaśnia Kleefoot. Ponieważ zawór ma nie tylko jedno, ale kilka otworów i mikroszczelin wewnątrz, może kolejno pobierać kilka kropli i następnie kierować je do dalszej separacji i charakterystyki w spektrometrze mas.

„Do tego zaworu potrzebne są ruchome elementy szklane, które wymagają wysoce precyzyjnej produkcji. Technologia laserów ultrakrótkopulsowych z precyzyjną energią impulsu i regulowaną długością fali umożliwia produkcję tych elementów, ich dalszą funkcjonalizację i integrację indywidualnych technik analitycznych”, dodaje Neusüß. Część laserowa jest realizowana przez zespół naukowców z LAZ pod kierownictwem prof. dr. Harald Riegel. Projekt umożliwia również realizację doktoratów trzem studentom HS Aalen: Sebastian Funken, studiujący na uczelni Aalen, napisze swoją rozprawę doktorską na temat obróbki laserowej szkła w ramach tego projektu.

Dwie doktorantki, Lena Kruse i Ann-Katrin Schwenzer, równolegle prowadzą badania w dziedzinie bioanalizy instrumentalnej w grupie Neusüß. „Studenci, zwłaszcza z kierunków nauk biotechnologicznych, inżynierii mechanicznej/produkcji i zarządzania oraz optoelektroniki, są wprowadzani w najnowsze tematy badawcze już na wczesnym etapie studiów licencjackich poprzez bezpośrednią pracę w laboratorium z doktorantami, co wprowadza ich w świat nauki”, podkreślają profesorowie Neusüß i Riegel zgodnie.

„Szkło jest znacznie lepszym zamiennikiem dotychczasowych plastikowych elementów, ponieważ jest bardziej trwałe, odporniejsze na zanieczyszczenia i tym samym bardziej ekologiczne i trwałe”, opisuje Funken. Laser pozwala na tworzenie w szklanym ciele precyzyjnych struktur geometrycznych i mikrokanalików. Ponadto laser może ciąć ostre krawędzie i otwory, a także integrować elementy optyczne w szklanym ciele. W sumie z funduszy ogólnych na badania laserowe w LAZ przeznaczono około 500 000 euro z łącznej kwoty około dwóch milionów euro, a kolejne 800 000 euro zainwestowano w rozbudowę wyposażenia uczelni Aalen, m.in. w zakup spektrometru jonowej spektrometrii mas (na zdjęciu) oraz mikroskopu skaningowego laserowego. Dzięki spektrometrowi jonowej spektrometrii mas, w połączeniu z kapilarną elektroforezą, będą badane różnice w strukturze przestrzennej biopharmaceutyków na skalę światową. Oba te urządzenia zostały już zainstalowane i uzupełniają istniejący sprzęt, będą również wykorzystywane w kolejnych projektach badawczych.