Một vài nét về protein trị liệu

Protein được thiết kế để sử dụng như một dược phẩm/thuốc được gọi là protein trị liệu, hay thuốc protein sinh học (biologics). Protein là cơ sở/nền tảng của sự sống và việc sử dụng thuốc protein/protein trị liệu đã có một lịch sử lâu dài. Protein trị liệu truyền thống được phân lập như các hợp chất xuất hiện tự nhiên từ động vật, thực vật, vi sinh vật... Hiện nay, nhiều dạng thuốc protein sinh học mới được tạo ra bằng công nghệ DNA tái tổ hợp.

Hiện có khoảng 239 protein trị liệu và 380 biến thể thuốc đã được Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) phê chuẩn. Thông tin về mỗi protein/peptide bao gồm không chỉ về trình tự, cấu trúc, tính chất hóa học, mà còn về lĩnh vực bệnh tật, phương thức hoạt động, dược lực học, lộ trình điều trị, độc tính, đích tác động của chúng. Nhiều loại protein hoặc peptide khác nhau đã được FDA phê duyệt cho sử dụng trong lâm sàng và nhiều loại khác còn đang trong quá trình nghiên cứu phát triển.

Sự phát triển mạnh mẽ các protein trị liệu trong những năm gần đây là do đặc điểm/lợi thế của chúng so với các loại thuốc phân tử nhỏ. Đầu tiên, đó là do tính đa dạng về cấu trúc, các protein thường sở hữu một tập hợp các chức năng rất đặc biệt và phức tạp mà các hợp chất hóa học đơn giản không thế có. Thứ hai, bởi vì hoạt động của protein rất đặc hiệu, thường ít có khả năng liệu pháp protein can thiệp vào các quá trình sinh học bình thường và gây ra tác dụng phụ. Thứ ba, một cách tự nhiên, cơ thể có thể sản xuất nhiều protein được sử dụng làm thuốc trị liệu, các tác nhân này thường được dung nạp tốt và ít có khả năng kích thích các phản ứng miễn dịch. Thứ tư, đối với các bệnh lý trong đó gen bị đột biến hoặc bị mất đoạn, protein trị liệu có thể là liệu pháp thay thế hiệu quả mà không cần liệu pháp gen (gene therapy), hiện chưa thể sẵn sàng ứng dụng cho hầu hết các rối loạn di truyền. Thứ năm, sự phát triển/thử nghiệm lâm sàng và thời gian phê duyệt của FDA về liệu pháp protein có thể nhanh hơn so với thuốc phân tử nhỏ. Cuối cùng, do mỗi loại protein đều có cấu trúc và chức năng riêng biệt/tương ứng.

Phân loại phân tử và chức năng

Protein trị liệu có thể được phân loại dựa trên các thể loại phân tử như: kháng thể đơn dòng, cytokine, hormon, enzym, vắc xin, các yếu tố máu, kháng sinh peptide... Cũng do sự đa dạng về cấu trúc và chức năng, có nhiều cách phân loại các protein trị liệu hiện hành hoặc đang được phát triển.

Dựa trên vai trò hoặc phương thức hoạt động, các protein trị liệu được phân thành 4 nhóm khác nhau. Nhóm I bao gồm các protein có hoạt tính enzym hoặc điều hòa. Nhóm II gồm các protein có khả năng gắn đích đặc hiệu/cụ thể. Nhóm III là các protein sử dụng tạo vắc xin. Nhóm IV bao gồm các protein sử dụng trong chẩn đoán.

Dựa trên hoạt động/hoạt tính dược lý, các protein trị liệu được chia thành 5 nhóm: (i) Thay thế một loại protein bị thiếu hoặc bất thường; (ii) Gia tăng một quá trình chuyển hóa hiện có; (iii) Cung cấp một chức năng hoặc hoạt động mới; (iv) Can thiệp vào một phân tử hoặc cơ thể; (v) Vận chuyển/cung cấp các hợp chất hoặc protein khác, chẳng hạn như một hạt nhân phóng xạ, thuốc gây độc tế bào...

Ngoài ra, các protein trị liệu cũng có thể được chia nhóm dựa trên cấu trúc phân tử của chúng, bao gồm thuốc được thiết kế dựa trên kháng thể, protein dung hợp với Fc, thuốc chống đông máu, protein hình thái xương, protein được thiết kế hình dàn (scaffold), enzym, hormon, interleukin... Chúng cũng có thể được phân loại dựa trên cơ chế hoạt động ở mức phân tử là: (i) Liên kết không cộng hóa trị với đích gắn (mAbs); (ii) Tác động đến liên kết cộng hóa trị (enzym); (iii) Tác động mà không có tương tác cụ thể (Albumin huyết thanh).

Công nghệ và sản xuất protein trị liệu

Công nghệ/kỹ thuật protein là loại công nghệ mới, có thể tổng hợp các protein không tồn tại trong tự nhiên thông qua thiết kế phân tử và công nghệ DNA tái tổ hợp ở cấp độ gen. Trong những năm gần đây, công nghệ protein đã được áp dụng ngày càng rộng rãi trong lĩnh vực dược phẩm sinh học, và được đánh giá có triển vọng ngày càng lớn. Phát triển và sản xuất protein trị liệu là một quá trình phức tạp liên quan đến không chỉ tái tổ hợp gen mã hóa cho sản phẩm protein trị liệu, xác minh hệ thống (vector) biểu hiện mạnh, đặc tính của hệ thống biểu hiện tế bào chủ ổn định, mà còn là tối ưu hóa và thiết kế hệ thống lên men nuôi cấy tế bào động vật có vú và phát triển một quá trình phục hồi hiệu quả tạo ra sản lượng, chất lượng sản phẩm cao. Protein trị liệu bao gồm cả các kháng thể đơn dòng cũng như protein có kích thước lớn hơn (có trọng lượng phân tử thậm chí vượt quá 100 kDa) so với các loại thuốc phân tử nhỏ. Ngoài ra, protein trị liệu còn có các cấu trúc bậc hai và bậc ba phức tạp phải được duy trì để đảm bảo hoạt tính đặc hiệu. Do vậy, protein trị liệu không thể tổng hợp hoàn toàn bằng các quá trình hóa học mà phải được sản xuất trong các tế bào/cơ thể sống hoặc trong các hệ thống đặc biệt. Cách lựa chọn về dòng tế bào, nguồn gốc loài và điều kiện nuôi cấy đều ảnh hưởng đến các đặc tính sản phẩm cuối cùng.

Do sự phức tạp của protein trị liệu liên quan đến kích thước phân tử lớn, biến đổi/sửa đổi sau dịch mã và sự đa dạng của các vật liệu sinh học liên quan đến quá trình sản xuất của chúng, để tăng cường các thuộc tính/chức năng đặc biệt trong khi phải duy trì hiệu quả và an toàn sản phẩm đạt được cần có các chiến lược thiết lập công nghệ/kỹ thuật cho mỗi loại hay một nhóm protein điều trị tương ứng. E. coli, S. cerevisiae và P. pastoris đều đã được chứng minh là những vật chủ vi sinh vật có thể được sử dụng để sản xuất nhiều loại protein trị liệu khác nhau nhờ có cấu trúc đơn giản, không bao gồm những biến đổi sau dịch mã. Với các protein cần có các biến đổi sau dịch mã (đặc biệt là quá trình glycosyl hóa), để giữ được cấu trúc và hoạt tính đặc hiệu, chúng được thiết kế và biểu hiện ở các tế bào động vật nuôi cấy. Nhiều protein trị liệu tái tổ hợp (như β-interferon, yếu tố VIII và erythropoietin) đã được thiết kế và sản xuất thành công nhờ sử dụng tế bào buồng trứng của chuột đồng Trung Quốc. Những nền tảng này thường được chọn để sản xuất protein phức tạp nhằm cung cấp liệu pháp protein (thuốc sinh học) trong lĩnh vực công nghệ sinh học.

Do môi trường nuôi cấy tế bào động vật phức tạp, tốn kém, công nghệ biến đổi gen đang thu hút sự chú ý nhiều hơn cho việc sản xuất các loại protein điều trị khác nhau bằng cách sử dụng động vật biến đổi gen. Bên cạnh đó, nhiều cây/thực vật chuyển gen cũng đã được sử dụng để sản xuất các loại protein trị liệu khác nhau. Sau khi sản xuất, các protein điều trị này được tinh chế bằng các kỹ thuật khác nhau.

Cũng cần phải nhắc đến hệ thống tổng hợp protein không có tế bào (cell-free protein synthesis - CFPS) như là một công cụ khá đơn giản, nhanh chóng, không có rào cản liên kết màng nhưng chứa tất cả các chất nền sinh học và bộ phận cần thiết để tổng hợp các protein in vitro mong muốn [5]. CFPS có khả năng khắc phục những thiếu sót trong các hệ thống sản xuất in vivo hiện tại và là một công cụ đầy hứa hẹn trong cả nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. Nó có thể được sử dụng để mở rộng mã di truyền, lắp ráp virus và trong kỹ thuật trao đổi chất để sản xuất các protein phức tạp. Các hệ thống CFPS đang nổi lên như một công nghệ mạnh mẽ để sản xuất protein nói chung, bao gồm cả protein/enzym trị liệu thông lượng cao.

Nhu cầu ngày càng tăng về protein điều trị là một động lực cho sự phát triển các công nghệ nền (platform technologies) có thể được áp dụng cho nhiều loại sản phẩm theo cùng một cách. Một loạt công nghệ nền phục vụ/hỗ trợ cho kỹ thuật protein hiện đang được sử dụng với mục tiêu tăng thời gian bán hủy, hạn chế độc tính, tăng hiệu quả và chức năng của các loại thuốc protein trị liệu mới cũng như tăng năng suất sản xuất sản phẩm

Lĩnh vực y dược hiện đang trên đà chuyển đổi từ liệu pháp hóa học phân tử nhỏ sang liệu pháp sinh học bao gồm protein trị liệu, liệu pháp gen và tế bào. Do tính trung tâm của protein đối với chức năng sinh học, công nghệ protein được cho là một trong những công nghệ quan trọng để phát triển những liệu pháp sinh học mới nổi này. Nhờ những tiến bộ trong nhiều lĩnh vực khác nhau (sinh học phân tử, tin sinh học, kỹ thuật xử lý các quá trình sinh học), trong hai thập kỷ qua, cùng với công nghệ protein và enzym, chúng ta cũng đang chứng kiến sự dịch chuyển mạnh mẽ từ sản phẩm protein trị liệu nguyên bản/tự nhiên có nguồn gốc khác nhau sang các protein trị liệu được sản xuất in vivo hoặc in vitro với trình tự và cấu trúc được thiết kế phù hợp theo định hướng phát triển và thị trường ngày càng tăng về các dược phẩm này. Các protein trị liệu chất lượng cao đã và đang được phát triển, phê duyệt và ứng dụng rộng rãi trong lâm sàng cho cả những bệnh nan y như ung thư, bệnh tự miễn/viêm nhiễm, hay các rối loạn di truyền… Tuy vậy, do có tính đặc hiệu về cấu trúc, chức năng, cũng như phương thức hoạt động, nhiều yếu tố quan trọng (bao gồm cả tính hướng đích, kiểm soát thời gian bán hủy và miễn dịch sinh học...) cần được xem xét nghiêm túc trong quy trình/công nghệ sản xuất, tinh chế và xây dựng các công thức cho mỗi loại protein trị liệu khác nhau để có chất lượng tốt hơn, đảm bảo sự an toàn và hiệu quả của các dược phẩm đặc biệt này.