Wspólny projekt zespołu prof. uczelni dr. hab. Marcina Poręby oraz grupy prof. Vishvy M. Dixita przyniósł odkrycie, które opisano na łamach prestiżowego czasopisma „Nature”. Badacze stworzyli specyficzne cząsteczki, które potrafią wniknąć do komórki dopiero wtedy, gdy ta zaczyna się rozpadać, i skutecznie zablokować ten proces. Prace po stronie polskiej uczelni finansowane były przez Narodowe Centrum Nauki w ramach grantu OPUS.
Tradycyjne metody zawodzą: jak działa nowatorski inhibitor
Głównym obiektem badań zespołu była pyroptoza, czyli gwałtowny i zapalny mechanizm śmierci komórkowej. W trakcie tego procesu enzymy zwane kaspazami prozapalnymi przecinają białko gasderminę D. Powstałe w ten sposób fragmenty tworzą pory w błonie komórkowej, przez które uwalniają się czynniki alarmujące układ odpornościowy. W efekcie komórka pęcznieje i ulega rozpadowi. Choć pyroptoza stanowi naturalną barierę obronną organizmu przed zagrożeniami, jej nadmierna aktywacja prowadzi do niebezpiecznych stanów zapalnych i uszkodzeń tkanek.
Dotychczasowe próby zahamowania kaspaz kończyły się niepowodzeniem ze względu na brak precyzji działania cząsteczek. Stosowane dawniej inhibitory przenikały bez przeszkód również do zdrowych komórek, co obniżało bezpieczeństwo terapii i ograniczało ich skuteczność. Zespoły z Polski oraz Stanów Zjednoczonych odwróciły ten schemat. Opracowane przez nich cząsteczki wykazują bardzo niską przepuszczalność przez błony prawidłowych, zdrowych komórek, dzięki czemu nie wywołują w nich niepożądanych reakcji.
Niezwykłe odkrycie: wykorzystanie porów jako konia trojańskiego
Kluczowym momentem w pracach badawczych było dostrzeżenie zjawiska, które początkowo uznawano za odstępstwo od przyjętych założeń. Związek o znikomej przepuszczalności błonowej był w stanie zablokować reakcje zachodzące we wnętrzu komórki. Jak wyjaśnia prof. Marcin Poręba z Politechniki Wrocławskiej: zamiast potraktować ten wynik jako anomalię, postawiliśmy hipotezę, że sam mechanizm pyroptozy otwiera związkowi drogę do komórki. Zgodnie z tym założeniem, cząsteczka wykorzystuje pory powstające na wczesnym etapie rozpadu, przedostaje się do środka i paraliżuje działanie kaspaz.
Przerwanie syntezy kolejnych porów daje komórce czas na uruchomienie naturalnych mechanizmów naprawczych. Zablokowanie procesu niszczenia błony sprawia, że uszkodzenia zostają usunięte. W warunkach laboratoryjnych część uratowanych w ten sposób komórek zachowała zdolność do ponownego wzrostu oraz podziałów przez kolejne 12 dni. Co istotne, zastosowany inhibitor wykazywał skuteczność nawet wtedy, gdy podawano go kilka godzin po rozpoczęciu procesu pyroptozy.
Od syntezy na uczelni po testy na modelach zwierzęcych
Podział zadań w projekcie łączył kompetencje wrocławskich chemików oraz zaplecze badawcze amerykańskiego giganta biotechnologicznego. Porażające rezultaty były możliwe dzięki etapowej współpracy obu podmiotów:
Prace rozpoczęły się na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej w zespole prof. Marcina Poręby. To tam stworzono koncepcję budowy inhibitorów, przygotowano bibliotekę obejmującą około stu związków oraz oceniono ich interakcje z kaspazami. Dr Katarzyna Groborz opracowała na wrocławskiej uczelni cząsteczki stanowiące trzon całego projektu. Po obronie doktoratu badaczka udała się na staż podoktorski do firmy Genentech, gdzie kontynuowała analizy na modelach komórkowych.
Amerykański zespół Genentech przejął odpowiedzialność za przygotowanie zaawansowanych modeli komórkowych, przeprowadzenie badań farmakokinetycznych, przystosowanie związków do podania oraz wykonanie prób na zwierzętach. W eksperymentach na modelach zwierzęcych, którym podano inhibitor KGR-53P, odnotowano wyraźny spadek stężenia prozapalnych cytokin IL-1β oraz IL-18 we krwi.
Krótkie okno terapeutyczne i nadzieja na nowe leki
Jak podkreśla dr Katarzyna Groborz: najważniejszym odkryciem projektu było wykazanie, że pyroptozę można zatrzymać nawet po jej rozpoczęciu. Pokazaliśmy istnienie krótkiego okna terapeutycznego, w którym zahamowanie kaspaz przerywa ten proces i pozwala komórkom odzyskać zdolność do dalszego wzrostu i podziałów. Odkrycie to dowodzi, że proces obumierania komórki nie musi być nieodwracalny, jeśli interwencja nastąpi we właściwym momencie.
Naukowcy zaznaczają, że cząsteczki KGR-3 oraz KGR-53P mają obecnie charakter związków badawczych i wymagają dalszych szczegółowych testów. Osiągnięte wyniki nie są równoznaczne z powstaniem gotowego leku na sepsę czy inne schorzenia o podłożu zapalnym. Stanowią jednak fundament pod rozwój precyzyjnych terapii w schorzeniach charakteryzujących się nadmierną pyroptozą. Badacze wskazują, że w przyszłości rozwiązanie to może znaleźć zastosowanie m.in. w leczeniu sepsy, zespołu ostrej niewydolności oddechowej oraz COVID-19.
Źródło: Nauka w Polsce
