Biotechnologia pl.: Z materiałów informacyjnych zamieszczonych na Państwa stronie internetowej dowiedzieliśmy się, że większość badań wykonywanych w grupie badawczej pod Pana kierunkiem skupia się na ścieżkach sygnałowych związanych z homeostazą wapniową. Czy w swoich badaniach wykorzystują Państwo niedawno rozpoczęty projekt FISHMED, bazujący na zastosowaniu Danio rerio jako organizmu modelowego?

Prof. Jacek Kuźnicki: Nasze zainteresowania naukowe są związane z wapniem jako przekaźnikiem informacji w komórce, ale uczymy się już badać te procesy w organizmie ryby, jako modelu ludzkich chorób neurodegeneracyjnych. Dotychczas skupialiśmy się na rodzinnej, tj. dziedzicznej postaci choroby Alzheimera badanej w komórkach HEK293 hodowanych w laboratorium. Dane literaturowe wskazują jednoznacznie, że kluczową rolę w patogenezie choroby Alzheimera odgrywają mutacje w jednym z trzech białek: presenilinie 1, presenilinie 2 lub  APP. Najczęstsza postać choroby dziedzicznej jest związana z mutacją preseniliny 1, dlatego to na niej skupiliśmy swoje badania. Stworzyliśmy model komórkowy rodzinnej postaci choroby Alzheimera przez wprowadzenie genu ludzkiej preseniliny 1 z mutacją chorobową.  Punktem wyjścia naszych eksperymentów były nasze wcześniejsze obserwacje zmian w mechanizmach homeostazy wapniowej spowodowanych mutacją w tym białku. W stworzonym modelu sprawdzaliśmy, które parametry homeostazy wapniowej są zaburzone w komórkach z mutacją preseniliny 1, a następnie szukaliśmy związków chemicznych, które naprawią te zaburzenia.

Jakich metod molekularnych użyli Państwo do monitorowania zmian stężenia jonów wapnia w komórce?

Stawiając hipotezę badawczą, założyliśmy, że będziemy mogli oznaczać poziom wapnia tradycyjnymi metodami, np.: przy użyciu indykatora Fura2AM (jest to związek chemiczny, który zmienia intensywność fluorescencji pod wpływem wiązania wapnia), okazało się to jednak niemożliwe. Związek ten świetnie sprawdza się podczas testowania pojedynczych komórek, ale nie nadaje się do badań na szeroką skalę, w których trzeba przetestować jednocześnie kilkaset komórek w jednej próbie, a następnie kilka tysięcy prób. Postanowiliśmy zatem znaleźć inny sposób oznaczania jonów wapnia. Do badanej linii komórek HEK293 wprowadzaliśmy geny kodujące różne sondy białkowe, które reagowały zmianą parametrów fluorescencji pod wpływem wiązania jonów wapnia. Większość okazała się jednak bezużyteczna ze względu na słabą wydajność i intensywność fluorescencji. Dopiero gen stworzony przez grupę japońską, kodujący sztuczne białko YC3.6, okazał się kodować sondę do pomiaru zmian homeostazy wapniowej w skali wielkoskalowej. Po uzyskaniu ustabilizowanej nadekspresji tej sondy wapniowej w komórkach HEK293, rozdzieliliśmy je na dwie populacje. Do jednej z nich wprowadziliśmy gen zmutowanej preseniliny ludzkiej, a do drugiej gen kodujący dziką formę tego białka. Stwierdziliśmy, że pod wpływem karbacholu w komórkach ze zmutowanym białkiem obserwuje się dwukrotny wzrost poziomu wapnia w porównaniu z komórkami z dziką preseniliną. Tego oczekiwaliśmy, ale kluczowym i godnym zauważenia jest fakt, iż stworzyliśmy w ten sposób dobre narzędzie do oznaczania zmian homeostazy jonów wapnia na skalę przemysłową.

Czy oznaczenia jakie Państwo wykonywali były oznaczeniami spektrofluorymetrycznymi?

Wykonując nasze doświadczenia korzystaliśmy z mikroskopu OPERA, specjalnie przystosowanego do tego typu badań. Niestety nie posiadamy tego sprzętu w naszym Instytucie, więc badania były prowadzone w Monachium przez doktoranta Kamrana Honarnejada, który wykonywał swoją pracę doktorską pod kierunkiem moim oraz prof. Jochena Hermsa. Komórki były wysiewane na płytki 384-dołkowe i gdy osiągnęły fazę logarytmicznego wzrostu dodawano do nich testowane przez nas substancje z biblioteki 20 000 niskocząsteczkowych związków chemicznych. Następnie, po dodaniu karbacholu sprawdzaliśmy, czy pod ich wpływem zachodzą zmiany w komórkowej homeostazie jonów wapnia, a jeśli tak, to jakie. Przeanalizowanie całej biblioteki związków trwało trzy miesiące, natomiast stworzenie modelu komórkowego i opracowanie właściwej metody do oznaczania wapnia na tak dużą skalę zajęło nam ponad 30 miesięcy. Wśród przeanalizowanych 20 000 substancji, około 300 związków przywracało poziom wapnia w komórce do poziomu obserwowanego w komórkach z preseniliną bez mutacji. Część z nich była znana z literatury jako te, które wpływają na homeostazę wapniową, ale kilkadziesiąt z nich to nowe związki o takich właściwościach.

A zatem końcowym efektem projektu było zidentyfikowanie nowych związków, które poprawiają homeostazę jonów wapnia w komórce. Czy myślą Państwo o stworzeniu zastrzeżenia patentowego dla otrzymanych przez Państwa wyników?

Tak, jak najbardziej. Właściwości tych związków są już chronione zgłoszeniem patentowym. Patent jest wynikiem polsko-niemieckiego grantu realizowanego we współpracy z prof. Jochenem Hermsem i jego zespołem. W tym roku złożyliśmy aplikację patentową (U1050 PCT) pt.: ”Novel means and methods for treating diseases of the central nervous system, metabolic and cardiac diseases and aging”. Autorami tego odkrycia są koledzy z Niemiec: Kamran Honarnejad, Alexander Daschner, Jochen Herms, Franz Bracher, Andre P. Gehring oraz Jacek Kuźnicki z Polski.

Czy można powiedzieć, że wśród nowo odkrytych związków wpływających na homeostazę wapniową znajduje się taki, który w przyszłości może stać się potencjalnym lekiem na chorobę Alzheimera?

Wszystko jest możliwe, ale przed nami jeszcze długa droga. Kiedy zidentyfikowaliśmy substancje, które w znacznym stopniu wpływają na zmianę metabolizmu wapniowego w komórce, nawiązaliśmy współpracę z chemikami. Na podstawie naszego odkrycia i dotychczasowej wiedzy na temat biodostępności związków wprowadzili oni pewne modyfikacje i zsyntetyzowali kilka dodatkowych pochodnych. Następnie Kamran Honarnejad ponownie przeprowadził analizę tych związków i zidentyfikował takie, które wykazały największy wpływ na poprawę homeostazy wapniowej w zmutowanych komórkach, i to właśnie one są przedmiotem naszego wniosku patentowego. Podczas wykonywania kolejnych eksperymentów pojawiły się jednak problemy, albowiem niektóre z badanych przez nas związków mają właściwości hepatotoksyczne. W tej sytuacji, wspólnie z Kamranem Honarnejadem podjęliśmy decyzję, że spróbujemy przetestować te związki na modelu Danio rerio. Jest to szybki, tani i łatwy sposób, aby stwierdzić ewentualny wpływ tych substancji na rozwój organizmu i przeżywalność. Bierzemy pod uwagę możliwość, że realizowany przez nas projekt nie będzie miał pozytywnego zakończenia, jeśli wszystkie związki okażą się toksyczne. Wtedy jedną z opcji będą kolejne modyfikacje chemiczne i poszukiwanie innych związków, które zachowają właściwości naprawcze i nie będą wywoływały negatywnych skutków. Na razie osiągnęliśmy pierwszy cel, a mianowicie zidentyfikowaliśmy takie substancje, które naprawiają zaburzoną homeostazę wapniową na skutek mutacji w presenilinie 1. Czy wśród tych związków jest potencjalny lek na chorobę Alzheimera? – tego jeszcze nie wiemy.

Czy w najbliższym czasie planują Państwo w Laboratorium Neurodegeneracji badania nad innymi chorobami neurodegeneracyjnymi?

Tak, obecnie pracujemy również nad badaniem mechanizmów choroby Parkinsona. Udało nam się pozyskać częściowe finansowanie tego projektu w ramach konkursu REGPOT w 7. Programie Ramowym Komisji Europejskiej. Doświadczenia będziemy prowadzić na rybach Danio rerio wspólnie z prof. Oliverem Bandmannem z Uniwersytetu w Sheffield. Stworzył on model rodzinnej postaci choroby Parkinsona, której przyczyną jest mutacja w genie kodującym białko Pink1. Część naszych badań to poszukiwanie związków, które opóźniają lub naprawiają zmiany wynikające z mutacji w białku Pink1.

Życzymy sukcesów i powodzenia w dalszej pracy. Dziękujemy za rozmowę.

Wywiad przeprowadziła dr Marzena Szwed, redaktor naukowy portalu Biotechnologia.pl