Ingeniería de Proteínas Industrialización del diseño, desarrollo y manufactura de proteínas terapéuticas

A la fecha, se han aprobado para uso clínico más de 150 fármacos de proteína, casi todos producidos en sistemas de expresión basados en células, tales como E. coli, células CHO, y Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisea). Estos sistemas basados en células tienen varias limitaciones y muchos biológicos no pueden desarrollarse en estos sistemas. Por ejemplo, estos sistemas sólo permiten la sobreexpresión de proteínas que no afectan la fisiología de las células huésped. Para muchos sistemas de expresión, la identificación de líneas celulares que sinteticen establemente altos títulos de proteína del producto deseado es un proceso que consume tiempo y con un trabajo muy intenso. Idealmente, se usaría el mismo huésped de producción para el rápido descubrimiento de variantes, para la producción para el estudio en animales y para la manufactura de un candidato clínico.

Idealmente, uno quisiera emular el enorme salto observado en el diseño iterativo en el descubrimiento de moléculas pequeñas, es decir, ciclos rápidos para hacer pruebas y generación de múltiples bibliotecas paralelas de candidatos a fármacos con diversos elementos estructurales para optimizar la actividad, manteniendo mientras tanto la viabilidad para la manufactura. Un sistema ideal haría lo siguiente:

• Hacer de los ciclos de pruebas rápidos un prerrequisitos para el diseño re-iterativo en el orden de tres a cinco días, similar a aquéllos para bibliotecas centrales de moléculas pequeñas
• Crear una expresión y purificación eficiente y rápida que permita que permita que las bibliotecas de cientos de miles de variantes de secuencias proteínicas sean probadas simultáneamente por ciclo de pruebas utilizando equipo robótico estándar comercial
• Incorporar secuencias preferidas definidas a partir de tecnologías de selección, tales como la exhibición de ribosomas o fagos, dentro de la terapéutica de la proteína completa para el análisis
• Mejorar la diversidad de estructuras químicas expandiendo la biblioteca de aminoácidos disponibles en puntos específicamente dirigidos en la secuencia de la proteína desde 20 aminoácidos naturales a muchos cientos de aminoácidos no naturales.
• Optimizar varias propiedades (p.ej., agonista o antagonista, afinidad, estabilidad y capacidad de manufactura pronosticable) simultáneamente a través de ciclos rápidos de prueba de alto rendimiento
• Crear procesos que sean no sólo rápidos sino manejables para el rápido escalamiento y la manufactura cGMP una vez que se haya identificado la construcción terapéutica deseada.

Tan ambicioso como dicho sistema pudiera parecer, están surgiendo varias tecnologías excitantes que mejoran los sistemas de expresión y mejoran la diversidad para permitir la modificación de las propiedades intrínsecas de las proteínas, tales como la eficiencia o unión catalítica de la enzima. Otros combinan diferentes propiedades en terapéuticos simples mediante químicas de conjugación. Las tecnologías adicionales que surjan pueden llevar a una expresión más rápida y paralela de muchos candidatos a fármacos de proteína. La reunión de todas estas deseables tecnologías en una sola plataforma tratable que tenga la flexibilidad para ser escalable y soporte la manufactura cGMP está a la vista.

Avances en el desarrollo
Las primeras mejoras en terapéuticos basados en proteína endógena produjeron nuevos terapéuticos, comercialmente exitosos, con propiedades deseables, extendiendo simplemente la fusión para incorporación en la secuencia a las proteínas, como es el caso del fragmento constante de anticuerpos (Fc) o mediante PEGilación para incrementar la vida media. Más allá de estas primeras estrategias, se han hecho esfuerzos considerables para producir construcciones más elegantes que combinan dos funciones separadas. Una técnica prometedora, los conjugados de anticuerpo-fármaco (ADCs), involucra el uso de un anticuerpo dirigido a antígenos de superficie celular conocidos en tejidos selectivos o receptores para dirigir toxinas conjugadas o fármacos citotóxicos y así mejorar la selectividad sobre el tejido normal.

El diseño exitoso de ADCs efectivos es complejo y requiere la unión de cargas útiles del fármaco citotóxico a las estructuras del anticuerpo dirigido al tumor. La selección de un blanco antigénico ideal para la óptima internalización y especificidad para los tejidos tumorales es crítica. El diseño de vinculadores que sean estables en circulación, pero que se rompan cuando se internan en las células tumorales para liberar el fármaco citotóxico, se suma a la complejidad, pero el otro obstáculo técnico mayor ha sido definir cómo la carga útil del citotóxico con el vinculador se conjuga al anticuerpo dirigido. Las compañías biofarmacéuticas Seattle Genetics e Immunogen han desarrollado plataformas robustas que dependen de la conjugación de los vinculadores y las ojivas citotóxicas a los residuos disponibles de cisteína o lisina, respectivamente, en la secuencia del anticuerpo dirigido al tumor.

A pesar de los éxitos con los ADCs, existen muchos ejemplos en donde los componentes funcionales aparentemente optimizados (es decir, el causante de unión al antígeno, el vinculador, y el conjugado del fármaco) no se traducen en un candidato terapéutico desarrollable. Los ADCs producidos utilizando químicas de conjugación para cisteínas y lisinas endógenas, inevitablemente llevan a la producción de múltiples especies del ADC con el fármaco conjugado en cargas útiles variables de entre una y nueve moléculas por inmunoglobulina G (IgG). Además, todos los sitios de conjugación no son iguales. Algunas conjugaciones interfieren con epítopes de unión a antígenos, reduciendo asó la afinidad de unión y/o la vida media del fármaco (1). Con demasiada frecuencia, se revela la escasa eficacia en la clínica sólo después de una inversión significativa en sistemas de expresión basados en células y en el escalamiento.

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