Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej są współautorami odkrycia sposobu na zatrzymanie rozpadu umierającej komórki. Wykorzystali powstające w jej błonie pory, przez które do środka przedostają się związki hamujące pyroptozę, czyli gwałtowną, zapalną śmierć komórkową. Wyniki badań opublikowało czasopismo „Nature”.
To efekt współpracy zespołu dr. hab. inż. Marcina Poręby z Wydziału Chemicznego Politechniki Wrocławskiej z grupą prof. Vishvy M. Dixita z Genentech, jednej z wiodących firm biotechnologicznych na świecie. Naukowcy przyjrzeli się bliżej pyroptozie – kontrolowanemu mechanizmowi samounicestwienia komórki, połączonemu z uruchomieniem silnej reakcji zapalnej. To jeden ze sposobów, w jaki organizm broni się przed zakażeniami i innymi zagrożeniami.
W trakcie tego procesu aktywowane są enzymy nazywane kaspazami prozapalnymi. U człowieka są to kaspazy-1, -4 i -5. Działają niczym molekularne nożyczki: przecinają białko o nazwie gasdermina D, którego uwolnione fragmenty łączą się i tworzą duże pory w błonie komórkowej. To przez nie wydostają się m.in. cytokiny IL-1β i IL-18, które alarmują układ odpornościowy. Komórka zaczyna pęcznieć, a następnie się rozpada.
Taka reakcja pomaga organizmowi zwalczać zagrożenie – tłumaczy dr hab. inż. Marcin Poręba. – Problem pojawia się wtedy, gdy pyroptoza jest zbyt silna lub wymyka się spod kontroli. Może wówczas nasilać stan zapalny i prowadzić do uszkodzenia tkanek.
Zaskakujący wynik
Naukowcy od lat badają możliwość hamowania kaspaz. Dotychczasowe próby kliniczne z wykorzystaniem łatwo przenikających do komórek inhibitorów nie przyniosły jednak oczekiwanych rezultatów. Powodem była toksyczność lub niewystarczająca skuteczność tych związków. Problem polegał m.in. na tym, że docierały one również do zdrowych komórek. Mogły więc hamować kaspazy uczestniczące w innych ważnych procesach.
Zespoły PWr i Genentech odwróciły ten sposób myślenia. Zamiast tworzyć inhibitor, który jak najłatwiej przenika przez błony, postawiły na związki bardzo słabo wnikające do zdrowych komórek. Punktem wyjścia była biblioteka około stu związków zaprojektowanych z myślą o kaspazach prozapalnych. Uwagę badaczy zwróciło zachowanie jednego z nich. Pomimo bardzo niskiej przepuszczalności przez nieuszkodzoną błonę skutecznie hamował proces zachodzący wewnątrz komórki.
Najciekawszy etap projektu rozpoczął się od obserwacji, która początkowo nie pasowała do naszych założeń. Związek o bardzo niskiej przepuszczalności przez błony zdrowych komórek potrafił zahamować proces zachodzący w ich wnętrzu. Zamiast potraktować ten wynik jako anomalię, postawiliśmy hipotezę, że sam mechanizm pyroptozy otwiera związkowi drogę do komórki – wyjaśnia naukowiec z Wydziału Chemicznego PWr.
Badacze założyli, że inhibitor przedostaje się do wnętrza przez pierwsze pory utworzone przez gasderminę D. Tam blokuje kaspazy i zatrzymuje powstawanie kolejnych porów. Ogranicza również uwalnianie cytokin. Pory stają się więc bramą dostępną tylko w komórkach, w których rozpoczęła się już pyroptoza.
Okno na ratunek
Jednym z najlepiej zbadanych związków był inhibitor oznaczony jako KGR-3. Hamował pyroptozę wywoływaną przez kaspazy-1 i -4 oraz ograniczał uwalnianie IL-1β.
Nie chronił natomiast komórek przed apoptozą, czyli inną formą programowanej śmierci – opisuje Poręba. – Podczas apoptozy pory gasderminy D nie powstają. Był to jeden z dowodów na to, że właśnie te otwory umożliwiają inhibitorowi dotarcie do celu.
Kolejnego argumentu dostarczyły barwniki, które nie potrafią przenikać przez nieuszkodzone błony. Naukowcy wykryli je wewnątrz komórek uratowanych przed pyroptozą. Oznaczało to, że błona została chwilowo otwarta, ale komórka nie uległa rozpadowi. Jak tłumaczą badacze, po zablokowaniu kaspaz przestają powstawać kolejne pory. Istniejące uszkodzenia mogą natomiast zostać usunięte przez naturalny system naprawczy komórki, związany z kompleksem białek ESCRT.
Co ważne, inhibitor nie tylko opóźniał śmierć komórek. Część z nich rzeczywiście przeżywała i zachowywała zdolność do dalszego wzrostu. W jednym z eksperymentów naukowcy obserwowali ich rozwój przez 12 dni. Działanie ochronne było widoczne również wtedy, gdy inhibitor dodawano kilka godzin po uruchomieniu pyroptozy. Oznacza to, że między powstaniem pierwszych porów a rozpadem komórki istnieje krótkie okno, w którym można jeszcze zatrzymać cały proces.
Test w żywym organizmie
Kolejnym etapem było zbadanie związku KGR-53P. Naukowcy najpierw potwierdzili jego działanie w mysich komórkach układu odpornościowego. Inhibitor ograniczał ich śmierć oraz uwalnianie IL-1β i IL-18, mimo że bardzo słabo przenikał do zdrowych komórek.
Następnie przeprowadzono badania w mysim modelu szoku endotoksycznego. Zwierzętom podano bakteryjny lipopolisacharyd, który wywołuje bardzo silną reakcję zapalną. U myszy otrzymujących także KGR-53P stężenia IL-1β i IL-18 we krwi były wyraźnie niższe.
Wyniki wskazują więc, że związek słabo przenikający do zdrowych komórek może dotrzeć do kaspaz przez pory gasderminy D i ograniczyć reakcję zapalną również w żywym organizmie. Czy to znaczy, że jesteśmy o krok od nowego leku przeciwko chorobom zapalnym? Naukowcy studzą optymizm, zastrzegając, że KGR-3 i KGR-53P są związkami badawczymi, które wymagają dalszej optymalizacji. Przykładowo, KGR-53P był szybko usuwany z organizmu, zaobserwowano również wzrost poziomu enzymów wątrobowych, choć nie wiadomo jeszcze, czy był to skutek oddziaływania związku na inne cele molekularne. Istotny jest jednak potencjał samej strategii. Może ona pomóc w poszukiwaniu terapii chorób związanych z nadmierną pyroptozą i silną reakcją zapalną. Chodzi m.in. o sepsę, zespół ostrej niewydolności oddechowej oraz COVID-19. Odkrycie otwiera więc nowy kierunek badań, ale do ewentualnego zastosowania tej metody u pacjentów droga pozostaje jeszcze długa.
Chemiczna i enzymologiczna część projektu, realizowanego w ramach grantu OPUS, rozpoczęła się w zespole dr hab. inż. Marcina Poręby na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej. To tutaj opracowano założenia dotyczące budowy inhibitorów, przygotowano bibliotekę związków i zbadano ich oddziaływanie z kaspazami. Z kolei zespół z Genentech odpowiadał m.in. za zaawansowane modele komórkowe, badania farmakokinetyczne, przygotowanie związków do podania oraz eksperymenty na zwierzętach. Wyniki wspólnych badań opublikowało właśnie „Nature”.
źródło: PWr
A jak uratować polską naukę, która zaczyna coraz bardziej przypominać umierającą komórkę?