Aktualności
Badania
23 Stycznia
Fot. Grzegorz Krzyżewski
Opublikowano: 2024-01-23

Peptydy przydatne do szybkiego wykrywania chorób

Badania nad zastosowaniem unikalnych peptydów w nowatorskich czujnikach do szybkiego i prostego wykrywania wielu chorób prowadza naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN.

Stan zapalny jest naturalnym mechanizmem obronnym organizmu przed patogenami lub szkodliwymi substancjami chemicznymi powodującym ostre objawy, takie jak ból, obrzęk, zaczerwienienie lub zasinienie tkanek. Mechanizm ten opiera się na intensywnej produkcji określonych cząsteczek, takich jak cytokiny, które regulują poziom odpowiedzi immunologicznej w czasie infekcji. Jednak niektóre reakcje zapalne nie dają swoistych objawów i mogą trwać znacznie dłużej niż nagła infekcja, przechodząc w przewlekły stan zapalny. Przyczyn takiego stanu może być wiele, od chorób autoimmunologicznych, po nowotwory.

Zazwyczaj stopień zaawansowania przebiegu infekcji w organizmie ocenia się, określając m.in. stężenie wytwarzanego w wątrobie białka C-reaktywnego znanego jako CRP, biomarkera stanu zapalnego. Jego pojawienie się w osoczu jest odpowiedzią organizmu na zwiększony poziom cytokin podczas stanu zapalnego, a stężenie tego białka różni się w zależności od rodzaju infekcji. Na przykład niewielki wzrost stężenia CRP może oznaczać infekcję wirusową, podczas gdy bardzo wysoki jest charakterystyczny dla infekcji bakteryjnych. Co więcej, poziom CRP we krwi może zmienić się nagle nie tylko jako odpowiedź organizmu na infekcje, ale także przy uszkodzeniu tkanek. Zatem monitorowanie zmian poziomu CRP we krwi w czasie dostarcza wielu cennych informacji na temat postępu choroby czy skuteczności terapii.

Badaniem oddziaływań miedzy CRP a peptydami je wiążącymi zajęła się dr Katarzyna Szot-Karpińska z Instytutu Chemii Fizycznej PAN. Celem badań było umożliwienie monitorowania przewlekłego stanu zapalnego przy użyciu metod elektrochemicznych z wykorzystaniem elektrody modyfikowanej peptydami, jako alternatywy dla powszechnie stosowanej diagnostyki na bazie przeciwciał. Badaczka skupiła się na peptydach ze względu na ich wyższą stabilność w różnych warunkach eksperymentalnych, niższy koszt i możliwość bardziej efektywnego wykorzystania w czujnikach biomedycznych niż powszechnie stosowane przeciwciała, które są najczęstszymi receptorami CRP.

Wykorzystała metodę phage-display do identyfikacji fagów wiążących CRP. Identyfikacja takich fagów umożliwia określenie sekwencji aminokwasowej peptydów eksponowanych na powierzchni fagów o wysokim powinowactwie do CRP. Wybrane peptydy zostały syntezowane, w pełni scharakteryzowane, a ich interakcje z CRP zostały dokładnie zbadane, czego efektem jest zaprezentowanie trzech najbardziej obiecujących cząsteczek, peptydów wiążących CRP pochodzących z fagów. Następnie peptyd o najwyższym powinowactwie do CRP (P3) został unieruchomiony na elektrodach w celu późniejszego wykorzystania jako elektrochemiczny czujnik CRP. Elektrody z takim peptydem pozwalają na selektywne i czułe oznaczenie stężenia CRP, co w przyszłości może umożliwiać monitorowanie przebiegu stanu zapalnego. Badanie mechanizmów oddziaływań białko-peptyd przeprowadzono przy wykorzystaniu technik biologicznych i fizykochemicznych.

W naszych badaniach po raz pierwszy wykazaliśmy, że pojedynczy 12-merowy peptyd zidentyfikowany z bazy fagowej może zostać wykorzystany do rozpoznawania CRP. Wybrane peptydy zostały scharakteryzowane, a ich interakcje z CRP zostały zbadane pod kątem zastosowania w czujnikach biomedycznych – raportuje dr Szot-Karpińska.

Wyniki były zaskakujące, ukazując nowe pole dla badań elektrochemicznych. Nowy materiał/peptyd na elektrodzie wykazywał nawet o dwa rzędy wielkości wyższe powinowactwo do CRP niż przeciwciała stosowane w klasycznym teście ELISA. Ponadto skuteczność wykrywania CRP przez wybrany peptyd P3 była obiecująca, nawet w obecności dodatkowo wprowadzonych do układu białek mających na celu zakłócanie pomiaru. Co więcej, nie były potrzebne żadne dodatkowe substancje chemiczne, dzięki czemu wykrywanie jest bardziej przyjazne dla środowiska niż w przypadku klasycznych technik, w których generowana może być duża ilość odpadów chemicznych.

Dodatkowo badania eksperymentalne połączono z modelowaniem obliczeniowym we współpracy z prof. Sławomirem Filipkiem z Uniwersytetu Warszawskiego. Wyniki badań in silico potwierdziły wyniki badań laboratoryjnych jednocześnie pokazując, który peptyd z listy badanych najlepiej wiąże się z CRP. Dodatkowo wyjaśniły specyfikę wiązania poszczególnych peptydów z CRP. Pokazuje to, że połączenie badań eksperymentalnych i teoretycznych może zoptymalizować i przyspieszyć proces badań przesiewowych mających na celu znalezienie nowych receptorów dla wybranych cząsteczek.

Modelowanie na podstawie znanych sekwencji aminokwasowych peptydów potwierdziło wyniki eksperymentalne, że peptyd P3 najlepiej wiąże CRP. Ten wynik pokazuje, że metody numeryczne/analiza in silico mogą w przyszłości zastąpić lub ulepszyć pracochłonne techniki eksperymentalne. Wykorzystanie dokowania molekularnego do identyfikacji najlepszych substancji wiążących eliminuje stosowanie chemikaliów, co ma kluczowe znaczenie dla rozwoju bardziej ekologicznej chemii. Nasze badanie potwierdza zasadność prowadzenia badań numerycznych i stanowi ważny krok na drodze do opracowywania czujników opartych na peptydach. Co więcej, jeśli wiemy, jak przebiega dokowanie z białkiem CRP, w przyszłości możemy tworzyć nowe peptydy zmieniając na przykład jeden z aminokwasów, aby uzyskać najlepszą cząsteczkę wiążącą – zauważa dr Katarzyna Szot Karpińska

Przedstawione badania obliczeniowe dotyczące wykrywania peptydu najsilniej wiążącego CRP nie zostały dotychczas opisane w literaturze. Praca ta nie byłaby możliwa bez zaangażowania wielu różnych metod i technik z różnych dziedzin, udowadniając głęboką potrzebę interdyscyplinarności w nauce, zwłaszcza w ochronie zdrowia. Pokazuje, jak ważne jest łączenie badań eksperymentalnych z dokładnym badaniem oddziaływań międzycząsteczkowych. Opisane badania mogą być przełomem w diagnostyce i leczeniu stanów zapalnych, zwłaszcza w przypadku długotrwałych stanów zapalnych, a nawet nowych urządzeń typu lab-on-the-chip do spersonalizowanej medycyny czy też do opracowywania leków i dostarczania leków. A to tylko początek, bowiem, zespół badawczy poszukuje nowych receptorów dla markerów chorób i nowych rozwiązań do badania interakcji molekularnych.

Wyniki badań opublikowało czasopismo Analytical Chemistry.

Magdalena Osial, źródło: IChF PAN

Dyskusja (0 komentarzy)