Proteiner som lægemidler

Mange proteiner er lovende som lægemidler, og i dag kan man fremstille proteiner i stor skala ved hjælp af genteknologi. Derfor vil mange nye protein-lægemidler blive markedsført i de kommende år.

Proteiner har flere fordele sammenlignet med almindelige lægemidler, som typisk består af små molekyler. Proteiner findes ofte naturligt i kroppen, hvor de fungerer som cellernes arbejdsheste. Som lægemidler virker proteiner meget specifikt og effektivt, hvilket sandsynligvis vil medføre færre bivirkninger for patienten end ved brug af traditionelle lægemidler.

Insulin er et velkendt eksempel på et protein, der bruges som medicin til behandling af sukkersyge. Proteiner anvendes også i behandlingen af kræft (interleukin-2), AIDS (interferon) og ved væksthormonmangel (væksthormon).

Med kortlægningen af det humane genom vil vi komme til at se endnu flere proteinbaserede lægemidler, fordi det vil blive muligt at vise, at bestemte sygdomme skyldes forhøjet eller nedsat produktion af bestemte proteiner. Kroppens produktion af proteiner bestemmes nemlig af vores gener. Hvis en sygdom skyldes underproduktion af et bestemt protein, kan den således behandles med et proteinbaseret lægemiddel.

Proteiner er meget store sammenlignet med almindelige små lægemiddelstoffer, og de har en kompleks tredimensionel facon. Proteiner er opbygget af aminosyrer, der er sat sammen som perler på en snor. Aminosyrekæden foldes først til bestemte karakteristiske strukturer (α-helix og β-sheet), som derefter lejres yderligere. Herved dannes proteinets tredimensionelle struktur, som bestemmer dets biologiske funktion.

For at få et brugbart lægemiddel ud af et protein er vi nødt til at opretholde proteinets rumlige struktur, men desværre er proteinets form ikke særlig stabil og nedbrydes let. Konsekvensen af en sådan nedbrydning kan være tab af virkning eller i værste fald immunologiske reaktioner, som medfører bivirkninger for patienten.

Proteiner nedbrydes ofte ved en mekanisme, der kaldes aggregering, hvor flere proteiner går sammen og danner et stort kompleks. Det kan medføre, at proteinet inaktiveres eller forårsager bivirkninger hos patienten. Ved formulering af proteiner til lægemidler ønsker vi derfor ikke, at vort protein aggregerer. Tværtimod gælder det om at sørge for, at proteinet forbliver på sin naturlige form.

Naturen har selv opfundet en måde til stabilisering af proteiner, nemlig ophobning af visse små molekyler i de celler, hvor proteiner oplagres. Disse stoffer stabiliserer sandsynligvis proteinerne ved at gøre deres struktur så kompakt som overhovedet muligt, hvilket skaber de bedst mulige betingelser for proteiners stabilitet.

Ved fremstilling af lægemidler, som indeholder proteiner er der risiko for, at proteinerne kan blive nedbrudt under såvel formulering som produktion og oprensning. For at opnå et godt slutprodukt er det nødvendigt at forstå den fysiske og kemiske ustabilitet af proteiner, samt hvordan nedbrydningen påvirkes af formulering og opbevaringsbetingelser.

I dette projekt fokuserer vi især på den fysiske stabilitet af terapeutisk aktive proteiner med henblik på at forstå, hvordan proteiner nedbrydes og stabiliseres ved hjælp af forskellige farmaceutiske hjælpestoffer. Et andet mål er at undersøge, hvorvidt det er muligt at forudsige holdbarheden af et givet protein i en vandig opløsning ved hjælp af en eller flere analytiske teknikker.

Da dannelse af uønskede proteinkomplekser menes at foregå ud fra delvist udfoldede proteiner, må det forventes, at den størst mulige fysiske stabilitet kan opnås i formuleringer, hvor proteinernes struktur er meget kompakt.

Ved formulering af proteiner bruger man mange forskellige hjælpestoffer for at opnå en stabil formulering. Hjælpestoffer er stoffer uden selvstændig terapeutisk effekt, der tilsættes til lægemidlet; et eksempel er mannitol.

Selvom man i mange år har arbejdet med formulering af proteiner, tilsættes mange hjælpestoffer stadig på basis af erfaringer og ikke ud fra en generel og tilbundsgående viden. Årsagen er, at hver enkelt protein er unikt og kræver helt specielle forhold for at bevare sin aktivitet.

En karakterisering af, hvordan forskellige typer af hjælpestoffer stabiliserer proteiner, vil givetvis kunne gøre det farmaceutiske formuleringsarbejde hurtigere, bedre og billigere. Vi har derfor valgt at se på, hvordan forskellige hjælpestoffer påvirker stabiliteten af udvalgte terapeutisk aktive proteiner.

Et af vore mål er at undersøge effekten af aminosyrer i farmaceutisk relevante koncentrationer på proteiners fysiske stabilitet. Som testsæt har vi valgt seks ud af de 20 naturligt forekommende aminosyrer, og som modelproteiner udvalgte vi væksthormon og insulin.

Effekten af aminosyrerne på et proteins stabilitet undersøges ved at omryste proteinet i en opløsning i kombination med de forskellige aminosyrer. Ved omrystningen dannes der en grænseflade mellem luften og proteinopløsningen, hvilket kan bevirke en delvis udfoldning af proteinerne og dermed mulighed for dannelse af aggregater. Testen gør det muligt at identificere de aminosyrer, som kan stabilisere proteinerne, men forsøgene fortæller ikke, hvilken mekanisme der er ansvarlig for stabiliseringen.

Den rumlige struktur af proteinerne i opløsning og i aggregater kan undersøges ved hjælp af infrarød spektroskopi. Metoden udnytter, at forskellige strukturer i proteinerne absorberer infrarødt lys ved forskellige bølgelængder. Ved spektroskopien er det således muligt at få en ide om, hvilke strukturer, der er involveret i dannelsen af aggregater.

Hvis det lykkes at opnå en basal forståelse af, hvordan proteiner stabiliseres og nedbrydes, vil medicinalindustrien kunne formulere nye proteinbaserede lægemidler på et mere rationelt grundlag end i dag. Det vil medvirke til, at nye protein-lægemidler hurtigere vil komme gennem udviklingsprocessen fra idé til markedsføring.