Traditionele medicijnen met een laag moleculair gewicht, worden steeds moeilijker om te ontwikkelen. Dit is deels omdat de eigenschappen vereist voor interactie met het doelwit in het lichaam over het algemeen verschillen van deze die nodig zijn om deze in voldoende hoge concentraties te bereiken. Traditionele medicijnmoleculen zijn meestal te klein om een ​geavanceerd richtsysteem te bevatten dat verhindert dat ze ook binden met andere doelen, wat ongewenste effecten kan veroorzaken. Proteïne- of eiwitgeneesmiddelen, zoals monoklonale antilichamen zijn daarentegen een stuk groter en veel complexer, wat toelaat deze te voorzien van een meer geavanceerd richtsysteem, je zou deze dus kunnen zien als geleide raketten. Zodra ze de bloedbaan binnengaan, zullen monoklonale antilichamen hun doelwit opzoeken en er zich met hoge efficiëntie aan binden. Dit maakt deze proteïnen aantrekkelijk voor de farmaceutische industrie hetzij als actieve farmaceutische ingrediënten of als drager en geleidingssysteem voor kleine, actieve moleculen. Hun omvang en complexiteit maakt deze therapeutische proteïnen echter ook vaak minder stabiel dan traditionele geneesmiddelen. Een goede manier om dit te illustreren is door de vervaldatum voor kippeneiwit, voornamelijk bestaande uit water en proteïnen, te vergelijken met deze van een klein molecuul, zoals keukenzout, voor bewaring bij kamertemperatuur. Bovendien moeten therapeutische proteïnen via injectie worden toegediend als we willen dat ze een systemisch effect uitoefenen. Dit is het gevolg van hun grootte en de mogelijkheden van het gastro-intestinale systeem om proteïnen af ​​te breken in hun bouwstenen (aminozuren). Om te worden geïnjecteerd, moeten proteïnen in oploste toestand zijn en dit is waarom ze dan ook voornamelijk geformuleerd en op de markt worden gebracht als oplossingen. In deze opgeloste toestand zijn ze echter ook veel mobieler en zijn er meer mogelijkheden om met elkaar te interageren. Hierdoor kunnen er aggregaten worden gevormd en kan hun structuur en activiteit wijzigen.  Bovendien zijn de grote aggregaten ook beter zichtbaar voor het immuunsysteem, wat een immuunrespons zou kunnen veroorzaken. Om dit te voorkomen, kunnen we proteïnen drogen en reconstitueren vlak voor injectie. De reconstitutie moet echter wel snel gebeuren en zonder schudden of andere vormen van agitatie aangezien we deze kostbare eiwitten niet in een andere vorm willen kloppen. Ons project richtte zich daarom op het verkrijgen van meer inzicht in welke factoren de reconstitutietijd en stabiliteit van dergelijke proteïnepoeders beïnvloedt en hoe deze eigenschappen kunnen worden verbeterd door toevoegen van componenten aan de formulatie of door gebruik te maken van alternatieve productietechnieken. Om onze proteïnepoeders te produceren, gebruikten we sproeidrogen en electrospraying. Bij sproeidrogen zal de vloeistof worden omgezet in een spray, d.w.z. een verzameling kleine druppeltjes, die vervolgens worden blootgesteld aan een heet drooggas om ze zo om te zetten in kleine, vaste partikels. Hoewel dit klinkt als een eerder agressieve techniek, wordt het proteïne niet blootgesteld aan de hoge temperaturen zolang er oplosmiddel aanwezig is dat kan worden verdampt. Je kan dit vergelijken met wanneer je je na het nemen van een duik in een zwembad op een warme dag verfrist zal voelen tot je terug droog bent. Voor de tweede techniek, electrospraying, wordt er opnieuw een straal van kleine druppeltjes gecreëerd, maar deze keer wordt dit gedaan met behulp van een elektrisch veld. Dit zorgt ervoor dat deze techniek ook kan worden toegepast bij lagere temperaturen, dus zonder heet drooggas. De druppelgroottes die kunnen worden verkregen met electrospraying zijn veel kleiner en uniformer van afmeting dan bij sproeidrogen. Echter, omdat proteïnen water als medium verkiezen en water met proteïnen erin een hoge electrische geleidbaarheid heeft, is het niet eenvoudig om druppels te vormen op deze manier. Dat is de reden waarom we de methode-ontwikkeling van onderaf moesten starten om uiteindelijk ons ​​eerste bewijs van haalbaarheid te kunnen verkrijgen. Voor het laatste deel van het project hebben we onderzocht wat er gebeurt met proteïnen in de vaste toestand. Dit is belangrijk omdat er nog steeds mobiliteit en degradatie mogelijk is in de vaste toestand, wat ook de reden is waarom bevroren voedsel nog steeds een houdbaarheidsdatum heeft. Om dit te onderzoeken, hebben we twee technieken bestudeerd: dynamic mechanical analysis (DMA) en terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) en hoe ze het best kunnen worden gebruikt om te begrijpen wat er met het proteïne gebeurt terwijl het zich in de vaste toestand bevindt.

Traditional, small-molecule drugs like the ones we are familiar with are becoming increasingly difficult to develop. This is partly because the properties required for interaction with the target generally differ from those needed to achieve them in sufficiently high concentrations. Traditional drug molecules are generally too small to contain an efficient targeting system that prevents them from binding to other targets and cause unwanted effects. Protein pharmaceuticals like monoclonal antibodies, on the other hand, are much larger and more complex, allowing them to be equipped with a more advanced targeting system, like guided missiles. As soon as they enter the bloodstream, monoclonal antibodies will seek out their target and bind to it with high efficiency. This makes these proteins attractive to the pharmaceutical industry either as active pharmaceutical ingredients or as a carrier for small, active molecules. However, their size and complexity makes these therapeutic proteins less stable than traditional drug molecules. A good way to illustrate this is by comparing the expiration date for chicken egg white, consisting mainly of water and proteins, with that of a small molecule, such as table salt, for storage at room temperature. In addition, therapeutic proteins must be administered by injection if we want them to exert a systemic effect. This is due to their size and the ability of the gastrointestinal system to break down proteins in their building blocks (amino acids). To be injected, proteins must be in solution, which is why they are primarily formulated and marketed as solutions. In this dissolved state, however, they are also much more mobile and there are more opportunities to interact with each other. As a result, aggregates can be formed and their structure and activity can change. Moreover, the large aggregates are also more visible to the immune system, which could cause an immune response. To prevent this, we can dry and reconstitute proteins just before injection. However, the reconstitution must be done quickly and without shaking or other forms of agitation as we do not want to beat these precious egg whites into another form. Our project therefore focused on gaining more insight into which factors influence the reconstitution time and stability of such protein powders and how these properties can be improved by adding formulation components or by using alternative production techniques. To produce our protein powders, we used spray-drying and electrospraying. In spray-drying, the liquid will be converted into a spray, i.e. a collection of small droplets, which are then exposed to a hot drying gas to convert them into small, solid particles. Although this sounds like a rather aggressive technique, the protein is not exposed to the high temperatures as long as there is solvent present that can be evaporated. You can compare this with when, after taking a dip in a swimming pool, you will feel refreshed on a hot day until you are dry again. For the second technique, electrospraying, another spray of small droplets is created, but this time this is done with the help of an electric field. The droplet sizes that can be obtained with electrospraying are much smaller and more uniform in size than with spray-drying. This enables this technique to also be applied at lower temperatures. However, because proteins prefer water as a medium and water with proteins in it has a high conductivity, it is not easy to form drops in this way. That is why we had to start method development from the bottom up in order to finally obtain our first proof of feasibility. For the last part of the project we looked at what happens to proteins in the solid state. This is important because mobility and degradation are still possible in the solid state, which is the reason why frozen food still has an expiration date. To investigate this, we looked at two techniques: dynamic mechanical analysis (DMA) and terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) and how they can best be used to understand what happens to our protein while it is in the fixed state.