Une étude à l'échelle du protéome révèle comment les surfaces en plastique et l'agitation favorisent l'agrégation des protéines

Oct 03, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 1227 (2023) Citer cet article

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L'agrégation des protéines dans les produits biothérapeutiques peut réduire leur activité et leur efficacité. Il peut également favoriser des réactions immunitaires responsables d’effets indésirables graves. L’impact des matières plastiques sur la déstabilisation des protéines n’est pas totalement compris. Nous proposons ici de déconvolutionner les effets de surface du matériau, d’interface air/liquide et d’agitation pour décrypter leur rôle respectif dans la déstabilisation et l’agrégation des protéines. Nous avons analysé l'effet des surfaces en polypropylène, TEFLON, verre et LOBIND sur la stabilité des protéines purifiées (albumine sérique bovine, hémoglobine et α-synucléine) et sur un extrait cellulaire composé de 6000 protéines solubles lors de l'agitation (P = 0,1–1,2 W/ kg). L'analyse protéomique a révélé que les chaperonines, les protéines intrinsèquement désordonnées et les ribosomes étaient plus sensibles aux effets combinés des surfaces matérielles et de l'agitation, tandis que les petits oligomères métaboliques pouvaient être protégés dans les mêmes conditions. Les observations de perte de protéines couplées à la microscopie Raman, à la diffusion dynamique de la lumière et à la protéomique nous ont permis de proposer un modèle mécaniste de déstabilisation des protéines par les plastiques. Nos résultats suggèrent que la perte de protéines n'est pas principalement due à la nucléation de petits agrégats en solution, mais à la déstabilisation des protéines exposées aux surfaces des matériaux et à leur agrégation ultérieure à l'interface air/liquide cisaillé, un effet qui ne peut être évité en utilisant LOBIND. tubes. Des lignes directrices peuvent être établies sur la manière de minimiser ces effets indésirables. Supprimez l’un des composants de ce stress combiné – matière, air (même partiellement), ou agitation – et les protéines seront préservées.

Le nombre de thérapies à base de protéines augmente rapidement. Cependant, les protéines sont exposées à des contraintes lors de leur fabrication, affectant leur stabilité. L'agrégation de protéines dans les produits biothérapeutiques peut réduire leur activité et leur efficacité, mais elle peut également favoriser des réactions immunitaires responsables d'effets indésirables graves tels que des réponses allergiques et l'anaphylaxie1.

Diverses stratégies ont été développées pour éviter l'agrégation des protéines lors du traitement des produits biothérapeutiques, soit en contrôlant soigneusement l'environnement et le processus locaux, soit en supprimant les agrégats avant l'échantillonnage. Les facteurs physiques et chimiques qui déterminent la stabilité des protéines ou déclenchent leur agrégation font depuis longtemps l’objet de recherches dans les domaines pharmaceutique et biochimique. L’agitation, la température, le pH et la force ionique sont connus pour induire l’agrégation des protéines1,2,3.

L’effet des matériaux sur la stabilité des protéines dans le traitement des produits biothérapeutiques a été comparativement moins étudié. En effet, l’image actuelle est depuis longtemps celle d’une perte minimale de protéines par adsorption sur les surfaces, où les interactions protéine/matériau n’entraîneraient qu’une passivation de surface sans affecter les protéines libres restantes en solution. Dès les années 1970, Leo Vroman4,5 a démontré que l’adsorption des protéines n’était pas un processus statique, mais plutôt dynamique où des échanges se produisaient à l’interface liquide-solide entre protéines libres et adsorbées en fonction de la concentration protéique et de l’affinité pour la surface. Ce modèle peut désormais être complété par la perte partielle de stabilité des protéines suite à de faibles interactions avec la surface et leur libération ultérieure dans la solution6, première étape vers un effet d'interfaces à distance.

Des études récentes ont démontré que l’effet déstabilisant des interfaces solide/liquide sur la stabilité des protéines était plus profond qu’on ne le pensait initialement et pouvait être renforcé par l’agitation. Les effets synergiques du flux et des surfaces sur l’agrégation des anticorps ont déjà été décrits7,8. D'autres études ont souligné le rôle des bulles d'air9,10. Ces observations suggèrent que l’interface solide/liquide, l’interface air/liquide et l’agitation sont des acteurs clés lorsqu’on considère l’effet d’un nouveau processus ou d’un nouveau matériau lors de la production de produits biothérapeutiques. Cependant, la description mécanistique qui pourrait expliquer les processus impliqués et l'interaction entre les différentes interfaces et l'agitation sur la stabilité des protéines fait défaut. De plus, la plupart des études expérimentales ont été menées avec des protéines purifiées uniques, ce qui ne peut pas expliquer le rôle des interactions protéine-protéine lorsque différentes protéines sont impliquées, l'association et la dissociation possibles de complexes protéiques aux interfaces, ainsi que les variations de sensibilité des protéines à ces stress.