Egy fehérje hatékonyan juttatja a rákellenes gyógyszereket közvetlenül a sejtekbe
A legtöbb gyógyszermolekula kicsi. Ez azért van, mert át kell jutniuk a sejtmembránon. Ha egy molekula túl nagy, általában nem tud átjutni, és ez megnehezíti a gyógyszer hatását. A tudósok még egy szabályt is felállítottak erre: az úgynevezett „5-ös szabály”. Ez szerint az 500 daltonnál (molekulatömeg-egység) nagyobb gyógyszerek általában nem hatékonyak, mert nem tudnak könnyen bejutni a sejtekbe. A tudósok most felfedezték, hogyan lehet a CD36 fehérje segítségével nagy molekulájú rákgyógyszereket juttatni a sejtekbe, akár több, mint húszszorosára növelve ezzel a kezelés hatékonyságát.
A PROTAC névre keresztelt speciális gyógyszer célja a szervezetben található káros fehérjék lebontása. Molekuláinak mérete azonban meghaladja az 1000 dalton tömeget. Ennek ellenére hatnak – és most már közelebb vagyunk annak megértéséhez, hogy miért.
A Duke Egyetem, a Texasi Egyetem San Antonio-i campus és az Arkansas Egyetem kutatói összefogtak, hogy megfejtsék ezt a rejtélyt. A Cell folyóiratban megjelent cikkükben megállapították, hogy ezek a nagy molekulájú gyógyszerek eltérítik a sejteknek a tápanyagok felszívására szolgáló természetes folyamatát: az endocitózist. Ez az a folyamat, amikor a sejt külső membránja behajlik, és lenyel bizonyos anyagokat, behúzva azokat a sejt belsejébe.
Itt jön be a képbe a CD36. Ez a fehérje, amely számos sejt felszínén megtalálható – különösen a belekben, a bőrben, a tüdőben és a szemekben –, kapuőrként működik. Behúzza azokat a nagy és poláros molekulákat, amelyek önmagukban nem tudnak átjutni. A tudósok ezt használták ki. A CD36-hoz kötődő gyógyszerek kifejlesztésével laboratóriumi tesztekben 7,7-22,3-szeresére növelték a gyógyszerek felszívódását. Ezek a gyógyszerek a rákos sejtek elpusztításában is akár 23-szoros hatékonyságúak lettek.
„Ez a felfedezés azért fontos, mert számos olyan gyógyszert menthet meg, amelyeket korábban a rossz felszívódás miatt használhatatlannak tartottak” – mondta Hui-Kuan Lin, PhD, a kutatásban részt vevő rákbiológia-professzor. „Ezáltal klinikailag hasznos kezelések válhatnak belőlük.”
A régebbi rákgyógyszerekkel ellentétben, amelyek egyszerűen csak blokkolják a fehérjék egy részét, a PROTAC-ok teljesen megsemmisítik azokat. A legtöbb rákgyógyszer csak egy káros fehérje, általában egy enzim egyetlen tevékenységének leállítására összpontosít. A fehérjék azonban gyakran többféle szerepet is betöltenek. Még ha egy funkciójukat blokkolják is, a rák továbbra is növekedhet és terjedhet. Ez az egyik oka annak, hogy a rák rezisztenssé válhat a kezelésre.
A PROTAC-ok másképp működnek. Kötődnek a célfehérjéhez, és közelebb hozzák egy másik fehérjéhez, az E3 ligázhoz. Ez a párosítás azt eredményezi, hogy a célfehérje megsemmisítésre kerül. A szervezet hulladékeltávolító rendszere ezután teljesen lebontja. Ez teszi a PROTAC-okat olyan ígéretessé: nem csak hatástalanítják a káros fehérjéket, hanem teljesen eltávolítják őket. „Mivel a PROTAC-ok lebontják a célfehérjét és felszámolják annak aktivitását, csökkenthetik a gyógyszerrezisztencia kialakulásának esélyét” – magyarázta Lin.
Ezeket a gyógyszereket jelenleg számos betegségre tesztelik, a rákos megbetegedésektől a Parkinson-kórig. Nyolc különböző orális PROTAC már klinikai vizsgálatok alatt áll, egyiküket első vonalbeli kezelésként vizsgálják emlőrák esetén.
A kutatók gyanították, hogy a PROTAC-ok nem csupán passzív diffúzióval jutnak be a sejtekbe, ami a kis molekulák szokásos bejutási módja. Ezért létrehoztak egy speciális PROTAC gyógyszert, amely biotin címkével, egy laboratóriumokban gyakran használt kis molekulával volt ellátva. Ez lehetővé tette számukra, hogy azonosítsák, mely fehérjékkel lép kölcsönhatásba a sejt felszínén.
Megállapították, hogy a CD36 nem csak részt vett a folyamatban, hanem vezető szerepet játszott benne. A CD36 megragadta a gyógyszert, és segített bejutni a sejtbe. További vizsgálatok kimutatták, hogy amikor a CD36-ot eltávolították a rákos sejtekből, a gyógyszerek hatása jelentősen csökkent. Ez azt jelentette, hogy a CD36 nem csak segített, hanem nélkülözhetetlen volt a folyamat során.
Hong-yu Li, PhD, a UT San Antonio gyógyszerkémiai professzora meglepődött az eredményeken. „Évtizedekig azt hitték, hogy ilyen nagy molekulák nem tudnak hatékonyan átjutni a membránokon” – mondta. „A kémia és a biológia segítségével azonosítottuk a CD36-ot, mint felvételi fehérjét, és optimalizáltuk a gyógyszereket, hogy jobban kötődjenek a CD36-hoz.”
Ezt a technológiát kémiai endocitikus gyógyszerkémia (chemical endocytic medicinal chemistry, CEMC) néven ismerik. Ahelyett, hogy a gyógyszermolekulák méretét akkorára próbálnák csökkenteni, hogy átjussanak a membránon, a CEMC segít a gyógyszereknek aktívan bejutni a sejtekbe olyan fehérjék felhasználásával, mint a CD36.
Sok fontos gyógyszer nem felel meg az 5-ös szabálynak. Egy példa erre a rapamycin, amelyet rákterápiában és a szervkilökődés megelőzésére használnak. Ez egy nagy molekula, de mégis hatékony. A tudósok úgy vélik, hogy ez is a CD36-nak vagy hasonló transzportrendszereknek köszönhető. Egerekkel végzett tesztek kimutatták, hogy a CD36 útvonalat használó módosított PROTAC-ok nagyobb tumorcsökkentést eredményeztek. A gyógyszerek nem vesztették stabilitásukat és oldhatóságukat sem – két tulajdonság, amely egy új gyógyszer sikerét vagy kudarcát jelentheti.
Prosztata- és mellrákos sejtekben a CD36 eltávolítása gátolta ezeknek a gyógyszereknek a rákellenes hatását. Ez nem csak a PROTAC-okra volt igaz, hanem más nagy molekulájú gyógyszerekre is, például a doxorubicinra és a navitoclaxra. A kisebb molekulájú gyógyszerek, például a paclitaxel azonban nem függtek a CD36-tól.
A kutatók még azt is megvizsgálták, hogy ezek a gyógyszerek fizikailag hogyan hatnak a CD36-ra egy felületi plazmon rezonancia nevű módszer segítségével. Egy módosított PROTAC, a SIM1-Me, négyszer erősebben kötődött a CD36-hoz, mint a palmitinsav, egy természetes zsír, amelyhez a CD36 normál esetben kötődik. További kísérletek kimutatták, hogy a CD36-hoz jobban kötődő gyógyszerek hatékonyabban jutottak be a sejtekbe és gyorsabban bontották le a káros fehérjéket. Ez a CD36-ot a jövőbeli gyógyszerfejlesztés elsődleges célpontjává teszi.
Ez a felfedezés új lehetőségeket nyithat olyan betegségek kezelésére, amelyeket eddig gyógyíthatatlannak tartottak. Számos betegségben olyan fehérjék játszanak szerepet, amelyeket gyógyíthatatlannak minősítettek, mert kis molekulákkal nem lehetett célba venni őket. A PROTAC-ok – és most a CEMC-stratégia – változtatnak ezen.
A nagy molekulák felvételének mechanizmusára összpontosítva a tudósok hatékonyabb és célzottabb kezeléseket tudnak kidolgozni. Ahelyett, hogy a gyógyszereket a membránon keresztül préselik, most már bejuthatnak a sejtekbe a főbejáraton keresztül.
„Ez teljesen váratlan eredmény volt ezen a kutatási területen” – mondta Li. A tanulmány eredményeit mindhárom kutatócsoport egymástól függetlenül megerősítette, ami egyértelműen bizonyítja a módszer hatékonyságát.
Ez a stratégia a rákon túlmutató lehetőségeket is rejt magában. Az olyan betegségek, amelyek nagy vagy komplex fehérjékkel járnak – mint az Alzheimer-kór, az autoimmun rendellenességek vagy a fertőző betegségek – szintén profitálhatnak belőle.
A következő lépés a módszer embereken történő tesztelése. Klinikai vizsgálatok kell, hogy igazolják, hogy a technológia biztonságos és hatékony valódi betegeknél. Az első adatok biztatóak. Ez a felfedezés több, mint egy okos kémiai trükk – ez egy szemléletváltás a betegségek kezelésében. Évtizedek óta próbáltak a tudósok olyan gyógyszereket kifejleszteni, amelyek átjutnak a sejtfalon. Most talán megtalálták a megoldást.