Badacze z Wrocławia znaleźli sposób na zatrzymanie śmierci komórki. Wyniki opublikowało „Nature”
Badania mogą w przyszłości pomóc w leczeniu sepsy, ostrej niewydolności oddechowej i innych chorób, w których nadmierna śmierć komórek nasila stan zapalny.
Naukowcy z Wrocławia znaleźli sposób na zatrzymanie śmierci komórki
Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej wspólnie z badaczami amerykańskiej firmy biotechnologicznej Genentech znaleźli sposób na zatrzymanie pyroptozy, czyli zapalnej śmierci komórki. Ich odkrycie może pomóc w opracowaniu nowych metod ograniczania nadmiernego stanu zapalnego. Wyniki badań opublikowano w prestiżowym czasopiśmie „Nature”.
Prace prowadziły zespoły prof. Marcina Poręby z Wydziału Chemicznego Politechniki Wrocławskiej oraz prof. Vishvy M. Dixita z Genentech. Badania koncentrowały się na kaspazach, czyli enzymach odgrywających kluczową rolę w uruchamianiu pyroptozy.
Najważniejszym rezultatem eksperymentów było pokazanie, że proces prowadzący do śmierci komórki można przerwać już po jego rozpoczęciu. W części doświadczeń komórki, które zostały uratowane, odzyskały zdolność do dalszego wzrostu.
To odkrycie otwiera nowy kierunek badań nad kontrolowaniem pyroptozy. Szczegóły mechanizmu, który pozwolił naukowcom osiągnąć ten efekt, stały się kluczową częścią opublikowanych wyników.
Pyroptoza uruchamia gwałtowną śmierć komórki
Pyroptoza jest mechanizmem śmierci komórkowej związanym z silną reakcją zapalną. Organizm wykorzystuje ją między innymi podczas odpowiedzi na infekcje i inne zagrożenia. Umierająca komórka wysyła w ten sposób sygnał alarmowy do układu odpornościowego.
– Pyroptoza jest jednym ze sposobów, w jaki organizm broni się przed zakażeniami i innymi zagrożeniami. To kontrolowany mechanizm samounicestwienia komórki, połączony z uruchomieniem silnej reakcji zapalnej – wyjaśnia prof. Marcin Poręba z Politechniki Wrocławskiej.
W centrum tego procesu znajdują się kaspazy prozapalne. U człowieka są to kaspazy-1, -4 i -5. Enzymy te przecinają białko zwane gasderminą D.
– Działają jak molekularne nożyczki: przecinają białko o nazwie gasdermina D. Jego uwolnione fragmenty łączą się i tworzą duże pory w błonie komórkowej – tłumaczy naukowiec.
Przez powstałe otwory wydostają się między innymi cytokiny IL-1β i IL-18, które alarmują układ odpornościowy. Komórka zaczyna pęcznieć, traci integralność i ostatecznie się rozpada.
Taki mechanizm pomaga organizmowi zwalczać zagrożenia. Problem zaczyna się wtedy, gdy pyroptoza jest zbyt intensywna.
– Taka reakcja pomaga organizmowi zwalczać zagrożenie. Problem pojawia się wtedy, gdy pyroptoza jest zbyt silna lub wymyka się spod kontroli. Może wówczas nasilać stan zapalny i prowadzić do uszkodzenia tkanek – mówi prof. Poręba.
Naukowcy postanowili wykorzystać pory jako drogę do wnętrza komórki
Naukowcy od lat badają możliwość hamowania kaspaz. Wcześniejsze próby z wykorzystaniem inhibitorów łatwo przenikających do komórek nie przyniosły oczekiwanych rezultatów. Problemem była między innymi toksyczność oraz niewystarczająca skuteczność takich związków.
92 antyprotony na przejażdżce po CERN. Antymateria na pace ciężarówki
Inhibitory docierały bowiem również do zdrowych komórek. Mogły przez to hamować kaspazy uczestniczące w innych ważnych procesach biologicznych.
Zespół Politechniki Wrocławskiej i Genentech odwrócił ten sposób myślenia. Zamiast projektować związek, który jak najłatwiej przechodzi przez błonę komórkową, naukowcy postawili na substancje bardzo słabo przenikające do zdrowych komórek.
Punktem wyjścia była biblioteka około stu związków zaprojektowanych z myślą o kaspazach prozapalnych.
Jeden z nich zwrócił szczególną uwagę badaczy. Pomimo bardzo niskiej przepuszczalności przez nieuszkodzoną błonę skutecznie hamował proces zachodzący wewnątrz komórki.
To właśnie ten wynik doprowadził do najważniejszej hipotezy całego projektu.
– 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 prof. Marcin Poręba.
Naukowcy założyli, że inhibitor przedostaje się do wnętrza przez pierwsze pory utworzone przez gasderminę D. Po dotarciu do środka blokuje kaspazy i zatrzymuje powstawanie kolejnych porów.
W ten sposób cecha charakterystyczna umierającej komórki staje się jednocześnie sposobem selektywnego dostarczenia związku.
Komputery kwantowe dopiero odkrywamy. Przed nami 20 lat nauki
KGR-3 pokazał, że mechanizm rzeczywiście działa
Jednym z najlepiej zbadanych związków był KGR-3. Naukowcy sprawdzali, czy może on zatrzymać pyroptozę wywoływaną przez odpowiednie kaspazy.
KGR-3 hamował pyroptozę zależną od kaspaz-1 i -4 oraz ograniczał uwalnianie IL-1β. Jednocześnie nie chronił komórek przed apoptozą, czyli innym rodzajem programowanej śmierci komórkowej.
Ta różnica miała znaczenie dla potwierdzenia mechanizmu działania.
– Nie chronił natomiast komórek przed apoptozą, czyli inną formą programowanej śmierci. Podczas apoptozy pory gasderminy D nie powstają. Był to jeden z dowodów na to, że właśnie te otwory umożliwiają inhibitorowi dotarcie do celu – wyjaśnia prof. Poręba.
Badacze wykorzystali także specjalne barwniki, które nie mogą przenikać przez nieuszkodzoną błonę komórkową. Znaleźli je wewnątrz komórek uratowanych przed pyroptozą.
Oznaczało to, że błona tych komórek rzeczywiście została wcześniej otwarta, ale komórka nie uległa całkowitemu rozpadowi.
Następnie naukowcy sprawdzili, co dzieje się z istniejącymi uszkodzeniami błony po zablokowaniu kaspaz.
– Po zablokowaniu kaspaz przestają powstawać kolejne pory. Istniejące uszkodzenia mogą natomiast zostać usunięte przez naturalny system naprawczy komórki, związany z kompleksem białek ESCRT – mówi prof. Marcin Poręba.
Umierającą komórkę można jeszcze uratować
Najważniejszy wynik badań dotyczył momentu podania inhibitora. Naukowcy wykazali, że pyroptozę można zatrzymać nawet po jej rozpoczęciu.
Po zahamowaniu kaspaz kolejne pory przestają powstawać, a komórka otrzymuje czas na naprawienie istniejących uszkodzeń. Część komórek rzeczywiście przeżywała i zachowywała zdolność do dalszego wzrostu.
W jednym z eksperymentów naukowcy obserwowali ich rozwój przez 12 dni.
Co ważne, inhibitor działał również wtedy, gdy został dodany kilka godzin po uruchomieniu pyroptozy. Oznacza to, że między powstaniem pierwszych porów a rozpadem komórki istnieje określony czas, w którym można jeszcze interweniować.
– 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 – mówi dr Katarzyna Groborz.
To właśnie możliwość interwencji po rozpoczęciu pyroptozy może mieć znaczenie dla przyszłych zastosowań. W chorobach zapalnych terapia nie zawsze może zostać podana przed uruchomieniem procesu prowadzącego do śmierci komórki.
Pies w domu to zdrowsze dzieci? Naukowcy znaleźli dowody!
KGR-53P przetestowano w organizmie
Kolejnym etapem badań był związek KGR-53P. Naukowcy sprawdzili jego działanie w modelach komórkowych, a następnie w badaniach na zwierzętach.
W eksperymentach na mysich komórkach układu odpornościowego KGR-53P ograniczał śmierć komórek oraz uwalnianie IL-1β i IL-18.
Następnie badacze wykorzystali model endotoksycznego wstrząsu u myszy. Zwierzętom podano substancję wywołującą silną reakcję zapalną, a następnie sprawdzano działanie inhibitora.
U zwierząt, którym podano KGR-53P, stężenia IL-1β i IL-18 we krwi były wyraźnie niższe.
Wynik jest istotny, ponieważ pokazuje działanie opracowanej strategii także w żywym organizmie. Jednocześnie badania na zwierzętach pozostają etapem przedklinicznym i nie pozwalają jeszcze ocenić skuteczności ani bezpieczeństwa takiego rozwiązania u ludzi.
Wrocławscy naukowcy opracowali podstawę całego projektu
Chemiczna i enzymologiczna część projektu rozpoczęła się w zespole prof. Marcina Poręby na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej.
To tutaj opracowano założenia dotyczące budowy inhibitorów, przygotowano bibliotekę około stu związków i zbadano ich oddziaływanie z kaspazami.
Polski naukowiec projektuje silniki wielkości kilku atomów! Napędza je światło!
Dr Katarzyna Groborz opracowała na PWr inhibitory, które stały się podstawą dalszych prac. Po doktoracie wyjechała na staż podoktorski do Genentech, gdzie prowadziła badania komórkowe.
Wśród autorów publikacji znaleźli się również prof. Marcin Drąg oraz doktorantki prof. Poręby, Julia Nguyen i Małgorzata Kalinka. Badacze z PWr odpowiadali między innymi za syntezę inhibitorów i ich analizę kinetyczną.
Prof. Marcin Drąg wniósł do projektu opracowaną przez siebie technologię HyCoSuL, wykorzystaną do określenia preferencji badanych kaspaz.
Zespół Genentech prowadził między innymi zaawansowane modele komórkowe, badania farmakokinetyczne, przygotowanie związków do podania oraz eksperymenty na zwierzętach.
Projekt jest również przykładem drogi młodej badaczki od pracy na polskiej uczelni do międzynarodowego zespołu badawczego.
– Droga od badań podstawowych finansowanych przez Narodowe Centrum Nauki, przez doktorat i międzynarodowy staż podoktorski młodej badaczki, po partnerską współpracę z Genentech pokazuje, jak powstaje nauka o światowym znaczeniu. Taki model chcemy wzmacniać na PWr: silne zespoły, rozwój młodych naukowców, współpracę międzynarodową i badania o realnym potencjale zastosowań – mówi prof. Arkadiusz Wójs, rektor Politechniki Wrocławskiej.
Czy odkrycie może pomóc w leczeniu sepsy?
Mechanizm opracowany przez naukowców może być szczególnie interesujący w chorobach, w których nadmierna aktywacja procesów zapalnych prowadzi do uszkodzenia tkanek.
Autorzy wskazują między innymi na sepsę, zespół ostrej niewydolności oddechowej oraz COVID-19 jako potencjalne obszary przyszłych badań.
W przypadku sepsy znaczenie może mieć możliwość ograniczenia nadmiernej reakcji zapalnej poprzez zatrzymanie pyroptozy już po jej rozpoczęciu. Na obecnym etapie jest to jednak hipoteza wymagająca kolejnych eksperymentów.
KGR-3 i KGR-53P są związkami badawczymi, a nie gotowymi lekami. Wymagają dalszej optymalizacji oraz dokładnych badań dotyczących bezpieczeństwa, farmakokinetyki, dawkowania i skuteczności.
Odkrycie może natomiast wskazać nowy sposób projektowania leków. Zamiast próbować dostarczyć inhibitor do wszystkich komórek organizmu, można wykorzystać charakterystyczne zmiany zachodzące w komórce dopiero wtedy, gdy rozpoczyna się szkodliwy proces. W przypadku pyroptozy takim sygnałem są pory tworzone przez gasderminę D.
Wyniki badań opublikowano w „Nature”
Publikacja zespołu Politechniki Wrocławskiej i Genentech ukazała się w „Nature” pod tytułem „Gasdermin D-mediated delivery of caspase inhibitors to suppress pyroptosis”.
Badania zespołu PWr były finansowane przez Narodowe Centrum Nauki w ramach grantu OPUS prof. Marcina Poręby.
Najważniejszy wynik pracy polega na pokazaniu, że inhibitor o bardzo słabej przepuszczalności przez zdrową błonę może wykorzystać pory powstające podczas pyroptozy, aby dostać się do wnętrza umierającej komórki. Po zablokowaniu kaspaz część komórek może naprawić uszkodzenia i odzyskać zdolność do dalszego wzrostu.
To daje naukowcom nowy kierunek w poszukiwaniu bardziej precyzyjnych sposobów kontrolowania zapalnej śmierci komórek.
Źródła: Politechnika Wrocławska, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej, „Nature”, Narodowe Centrum Nauki, Genentech
Czytaj więcej
