Badania

31 Sierpnia

Fot. Paweł Piotrowski

Jak przeprogramować komórki i uderzyć tylko w raka

Czy można chemicznie zaprogramować komórki tak, aby nowotworowe pobierały lek, który je zabije, a zdrowe go unikały? Naukowcy z Wrocławia dowodzą, że tak. Wyniki ich badań ukazały się właśnie w „Journal of American Chemical Society”.

Leczenie nowotworów to jedno z największych wyzwań współczesnej medycyny. Z uwagi na potężne koszty ekonomiczne dla systemów ochrony zdrowia, nowoczesne terapie celowane dają największą nadzieję, oferując szansę na radykalne zwiększenie skuteczności leczenia, skrócenie czasu hospitalizacji oraz minimalizację wyniszczających skutków ubocznych u pacjentów.

Opracowanie takich terapii w postaci koniugatów lek-przeciwciało (ADC) oraz lek-białko (PDC) opiera się na prostym dogmacie: znajdź antygen o wysokiej ekspresji w guzie i minimalnej w tkance prawidłowej, a następnie wprowadź substancję cytotoksyczną drogą endocytozy. W praktyce znalezienie takiego „celu idealnego” jest bardzo trudne, a dla części nowotworów wydawało się wręcz niemożliwe.

Zespół polskich badaczy z Uniwersytetu Wrocławskiego pod kierownictwem prof. Łukasza Opalińskiego i dr Natalii Porębskiej, we współpracy z naukowcami z Instytutu Immunologii i Terapii Doświadczalnej im. Ludwika Hirszfelda PAN, Uniwersytetu Medycznego im. Piastów Śląskich we Wrocławiu oraz Uniwersytetu Johanna Wolfganga Goethego we Frankfurcie nad Menem, udowodnił, że zamiast szukać unikalnego antygenu, można przejąć kontrolę nad mechanizmem wchłaniania leku – sterując nim równocześnie od zewnątrz, jak i od wnętrza komórki.

Ograniczenia klasycznych ADC

Współczesna onkologia pokłada wielkie nadzieje w tzw. koniugatach lek-przeciwciało (ADC) lub lek-białko (PDC). To zaawansowane cząsteczki, które składają się z dwóch kluczowych elementów: „wyszukiwacza” (np. białka lub przeciwciała), którego zadaniem jest odnalezienie specyficznego białka (antygenu) na powierzchni komórki rakowej oraz „ładunku wybuchowego” (silnego leku cytotoksycznego), który ma zniszczyć komórkę od środka. Aby taka terapia zadziałała, komórka rakowa musi „połknąć” przyczepiony do jej powierzchni lek w procesie zwanym endocytozą. Do tej pory naukowcy szukali takich celów, które występują wyłącznie na komórkach raka, a nie ma ich na zdrowych tkankach.

Problem w tym, że takich celów molekularnych spełniających te kryteria jest niezwykle mało, przez co wiele typów nowotworów pozostaje bez możliwości celowanego leczenia z użyciem ADC/PDC – zauważa prof. Łukasz Opaliński z Zakładu Biotechnologii Medycznej Uniwersytetu Wrocławskiego.

Wiele obiecujących białek skreślano z listy, ponieważ znajdowano je również w zdrowych narządach, co groziło śmiertelnymi skutkami ubocznymi dla pacjenta. Wrocławscy badacze postanowili ominąć te ograniczenia. Wzięli na celownik HSPG (proteoglikany heparanosiarczanowe). To złożone cząsteczki cukrowo-białkowe obficie pokrywające komórki raka trzustki, które napędzają jego agresywność i złośliwość. HSPG występują też na powierzchni wielu innych typów komórek, co według obecnych kryteriów wyklucza je jako cele molekularne w terapiach ADC/PDC.

W służbie wymuszonej endocytozy

Kluczem do sukcesu okazała się unikalna, wielowartościowa  (multiwalentna) architektura nowo zaprojektowanego koniugatu o nazwie TriF_HS-MMAE.

Ponieważ klasyczne, dwuwartościowe przeciwciała używane dotychczas w ADC opierają się wyłącznie na pasywnej, naturalnej aktywności endocytarnej receptora, nie potrafią one wymusić szybkiej internalizacji. Polski zespół wykorzystał specyficzne rusztowania oligomeryzacyjne (w modelowej wersji oparte na strukturach tzw. wielokątów GFPp) oraz przeprogramowany czynnik wzrostu fibroblastów (FGF1), aby stworzyć cząsteczkę zdolną do bezpośredniej agregacji (klastrowania) łańcuchów heparanosiarczanowych (HS) na powierzchni komórki.

Taki multidotykowy uścisk indukuje gwałtowny, ultraszybki szlak internalizacji: endocytozę zależną od agregacji (ADE). Nowy koniugat wraz z kompleksem receptorowym jest masowo transportowany przez endosomy do lizosomów, gdzie ulega degradacji, uwalniając wewnątrzkomórkowo silny ładunek cytotoksyczny (MMAE). Celowanie w cukrowe komponenty HSPG (łańcuchy HS) zamiast w samą część białkową drastycznie minimalizuje ryzyko wykształcenia przez nowotwór mechanizmów oporności. Co ciekawe, zastosowanie wielokątów GFPp nadaje TriF_HS-MMAE stabilną zdolność do emisji światła (fluorescencji), co umożliwia precyzyjne śledzenie transportu leku w komórkach oraz w całym organizmie.

Przełącznik bezpieczeństwa w zdrowych komórkach

Wysoka obecność HSPG na powierzchni zdrowych komórek sprawiała jednak, że koniugat TriF_HS-MMAE, efektywnie eliminujący komórki raka trzustki, wykazywał zauważalną toksyczność również wobec prawidłowych komórek. W tym miejscu badacze zaproponowali rewolucyjne podejście multimodalne, łączące fizyczną architekturę leku z chemiczną modulacją wewnątrzkomórkowych szlaków sygnalizacyjnych.

Wykorzystując technologię przesiewu wysokoprzepustowego (High Content Screening, HCS) oraz bibliotekę inhibitorów obejmującą niemal cały kinom, zidentyfikowali dotychczas nieznane szlaki regulujące endocytozę ADE HSPG w komórkach trzustki.

Kluczowym odkryciem było wykazanie, że transformacja nowotworowa tak głęboko zaburza homeostazę sygnalizacyjną, iż zdrowe i złośliwe komórki trzustki używają odmiennych kaskad kinaz do zarządzania procesem ADE – tłumaczy dr Natalia Porębska.

Zastosowanie strategii tzw. primingu (wstępnego przygotowania komórek) za pomocą specyficznych inhibitorów kinaz przyniosło spektakularny efekt. W komórkach prawidłowych wyselekcjonowany inhibitor kinaz skutecznie blokował wewnętrzne szlaki sygnalizacyjne odpowiedzialne za endocytozę ADE, zamykając „bramy wjazdowe” dla koniugatu i chroniąc zdrowe komórki przed toksycznością, natomiast w komórkach nowotworowych ten sam związek chemiczny nie hamował wchłaniania TriF_HS-MMAE, a w wielu przypadkach wręcz stymulował internalizację koniugatu, potęgując efekt terapeutyczny. Skuteczność tej strategii została z sukcesem potwierdzona w badaniach przedklinicznych in vivo. Zwierzęta, u których zastosowano priming odpowiednio dobranym modulatorem endocytozy, wykazywały istotne zmniejszenie niespecyficznego akumulowania się TriF_HS-MMAE w zdrowych komórkach, tkankach i narządach bogatych w HSPG.

Sterowanie endocytozą od wewnątrz i od zewnątrz komórki

Praca wrocławskiego zespołu pokazuje, że sterując biologią komórki synchronicznie – od zewnątrz za pomocą geometrii cząsteczki rozpoznającej antygen i od wewnątrz poprzez precyzyjną farmakoterapię inhibitorami (które często są dobrze znanymi i przetestowanymi klinicznie związkami używanymi w onkologii) – można wprowadzać do terapii onkologicznej cele molekularne, które dotychczas uznawano za nieselektywne lub wręcz „niedostępne dla leków”. W przyszłości może to być szansa w leczeniu nowotworów, dla których nowoczesne terapie celowane są obecnie niedostępne, jak rak trzustki, ze względu na brak specyficznych celów molekularnych.

Przeniesienie tej technologii do kliniki będzie wymagało dalszych badań, jednak zaprezentowane wyniki otwierają niezwykle obiecujący kierunek w rozwoju multimodalnych terapii celowanych – podkreśla prof. Łukasz Opaliński.

Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Journal of American Chemical Society”.

MK, źródło: UWr