Fot. Prof. dr hab. Łukasz Opaliński, Krzysztof Ciura, dr Natalia Porębska, Aleksandra Chorążewska, źródło: Zakład Biotechnologii Medycznej, Wydział Biotechnologii UWr

Leczenie nowotworów stanowi jedno z największych wyzwań współczesnej medycyny, generując potężne koszty ekonomiczne dla systemów ochrony zdrowia oraz obciążając społeczeństwo ogromnymi kosztami emocjonalnymi i społecznymi. W tym kontekście nowoczesne terapie celowane stanowią przyszłość i największą nadzieję onkologii, oferując szansę na radykalne zwiększenie skuteczności leczenia, skrócenie czasu hospitalizacji oraz minimalizację wyniszczających skutków ubocznych u pacjentów. Opracowanie skutecznych nowoczesnych terapii celowanych w postaci koniugatów lek-przeciwciało (ADC) oraz lek-białko (PDC) opiera się na prostym dogmacie – znajdź antygen o wysokiej ekspresji w guzie i minimalnej w tkance prawidłowej, a następnie wprowadź substancję cytotoksyczną drogą endocytozy.

W praktyce znalezienie takiego „celu idealnego” dla terapii celowanych jest bardzo trudne, a dla części nowotworów – do tej pory niemożliwe. Zespół polskich badaczy z Uniwersytetu Wrocławskiego pod kierownictwem prof. dr. hab. Łukasza Opalińskiego i dr Natalii Porębskiej, we współpracy z naukowcami z Instytutu Immunologii i Terapii Doświadczalnej PAN, Wrocławskiego Uniwersytetu Medycznego oraz Goethe University w Frankfurcie, postanowił przełamać te paradygmaty. W swoim najnowszym artykule naukowcy udowadniają, że zamiast szukać unikalnego antygenu można przejąć kontrolę nad mechanizmem wchłaniania leku, sterując nim równocześnie od zewnątrz i od wnętrza komórki.

Ograniczenia klasycznych ADC

Współczesna onkologia pokłada wielkie nadzieje w tzw. koniugatach lek-przeciwciało (ADC) lub lek-białko (PDC). To zaawansowane cząsteczki, które składają się z dwóch kluczowych elementów – „wyszukiwacza” (np. białka lub przeciwciała), którego zadaniem jest odnalezienie specyficznego białka (antygenu) na powierzchni komórki rakowej oraz „ładunku wybuchowego” (silnego leku cytotoksycznego), który ma zniszczyć komórkę od środka. Aby taka terapia zadziałała, komórka rakowa musi „połknąć” przyczepiony do jej powierzchni lek w procesie zwanym endocytozą. Do tej pory naukowcy szukali takich celów, które występują wyłącznie na komórkach raka, a nie ma ich na zdrowych tkankach. – Problem w tym, że takich celów molekularnych spełniających te kryteria jest niezwykle mało, przez co wiele typów nowotworów pozostaje bez możliwości celowanego leczenia z użyciem ADC/PDC – zauważa prof. Łukasz Opaliński.

Wiele obiecujących białek skreślano z listy, ponieważ znajdowano je również w zdrowych narządach, co groziło śmiertelnymi skutkami ubocznymi dla pacjenta. Wrocławscy badacze postanowili ominąć te ograniczenia. Wzięli na celownik HSPG (proteoglikany heparanosiarczanowe). – Są to złożone cząsteczki cukrowo-białkowe, obficie pokrywające komórki raka trzustki, które napędzają jego agresywność i złośliwość. HSPG występują też na powierzchni wielu innych typów komórek, co według obecnych kryteriów wyklucza je jako cele molekularne w terapiach ADC/PDC – tłumaczy Krzysztof Ciura, doktorant UWr.

Architektura molekularna w służbie wymuszonej endocytozy

Kluczem do sukcesu okazała się unikalna, wielowartościowa (multiwalentna) architektura nowo zaprojektowanego koniugatu o nazwie TriFHS-MMAE. Ponieważ klasyczne, dwuwartościowe przeciwciała używane dotychczas w ADC opierają się wyłącznie na pasywnej, naturalnej aktywności endocytarnej receptora, nie potrafią one wymusić szybkiej internalizacji. Polski zespół wykorzystał specyficzne rusztowania oligomeryzacyjne (w modelowej wersji oparte na strukturach tzw. wielokątów GFPp) oraz przeprogramowany czynnik wzrostu fibroblastów (FGF1), aby stworzyć cząsteczkę zdolną do bezpośredniej agregacji (klastrowania) łańcuchów heparanosiarczanowych (HS) na powierzchni komórki. Taki multidotykowy uścisk indukuje gwałtowny, ultraszybki szlak internalizacji – endocytozę zależną od agregacji (ADE). Koniugat TriFHS-MMAE wraz z kompleksem receptorowym jest masowo transportowany przez endosomy do lizosomów, gdzie ulega degradacji, uwalniając wewnątrzkomórkowo silny ładunek cytotoksyczny (MMAE). Celowanie w cukrowe komponenty HSPG (łańcuchy HS) zamiast w samą część białkową drastycznie minimalizuje ryzyko wykształcenia przez nowotwór mechanizmów oporności. Ponadto zastosowanie wielokątów GFPp nadaje TriFHS-MMAE stabilną zdolność do emisji światła (fluorescencji), co umożliwia precyzyjne śledzenie transportu leku w komórkach oraz całym organizmie.

Mapowanie kinomu – „przełącznik bezpieczeństwa” w zdrowych komórkach

Pojawiło się jednak klasyczne wyzwanie toksykologiczne – wysoka obecność HSPG na powierzchni zdrowych komórek sprawiała, że TriFHS-MMAE, efektywnie eliminujący komórki raka trzustki, wykazywał zauważalną toksyczność również wobec prawidłowych komórek. W tym miejscu badacze zaproponowali rewolucyjne podejście multimodalne łączące fizyczną architekturę leku z chemiczną modulacją wewnątrzkomórkowych szlaków sygnalizacyjnych. Wykorzystując technologię przesiewu wysokoprzepustowego (z ang. high content screening, HCS) oraz bibliotekę inhibitorów obejmującą niemal cały kinom, zespół zidentyfikował dotychczas nieznane szlaki regulujące endocytozę ADE HSPG w komórkach trzustki. – Kluczowym odkryciem było wykazanie, że transformacja nowotworowa tak głęboko zaburza homeostazę sygnalizacyjną, iż zdrowe i złośliwe komórki trzustki używają odmiennych kaskad kinaz do zarządzania procesem ADE – wyjaśnia dr Natalia Porębska.

Zastosowanie strategii tzw. primingu (wstępnego przygotowania komórek) za pomocą specyficznych inhibitorów kinaz przyniosło spektakularny efekt. W komórkach prawidłowych wyselekcjonowany inhibitor kinaz skutecznie blokował wewnętrzne szlaki sygnalizacyjne odpowiedzialne za endocytozę ADE, zamykając „bramy wjazdowe” dla koniugatu i chroniąc zdrowe komórki przed toksycznością, natomiast w komórkach nowotworowych ten sam związek chemiczny nie hamował wchłaniania TriFHS-MMAE, a w wielu przypadkach – wręcz stymulował internalizację TriFHS-MMAE, potęgując efekt terapeutyczny. Skuteczność tej strategii została z sukcesem potwierdzona w badaniach przedklinicznych in vivo. Zwierzęta, u których zastosowano priming odpowiednio dobranym modulatorem endocytozy, wykazywały istotne zmniejszenie niespecyficznego akumulowania się TriFHS-MMAE w zdrowych komórkach, tkankach i narządach bogatych w HSPG.

Znaczenie sterowania endocytozą od wewnątrz i od zewnątrz komórki

Praca wrocławskiego zespołu pokazuje, że sterując biologią komórki synchronicznie – od zewnątrz za pomocą geometrii cząsteczki rozpoznającej antygen i od wewnątrz poprzez precyzyjną farmakoterapię inhibitorami (które często są dobrze znanymi i przetestowanymi klinicznie związkami używanymi w onkologii) – możemy wprowadzać do terapii przeciwnowotworowej cele molekularne, które dotychczas uznawano za nieselektywne lub wręcz „niedostępne dla leków” (z ang. undruggable). – Może to w przyszłości umożliwić leczenie nowotworów, dla których nowoczesne terapie celowane są dotychczas niedostępne, jak rak trzustki, ze względu na brak specyficznych celów molekularnych – zapowiada Aleksandra Chorążewska, badaczka UWr. – Przeniesienie tej technologii do kliniki będzie wymagało dalszych badań, jednak zaprezentowane wyniki otwierają niezwykle obiecujący kierunek w rozwoju multimodalnych terapii celowanych – dodaje prof. Łukasz Opaliński.

Wyniki badań zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Journal of American Chemical Society”. Pierwszymi autorami pracy są doktoranci z Zakładu Biotechnologii Medycznej Uniwersytetu Wrocławskiego – Aleksandra Chorążewska i Krzysztof Ciura. Badania zostały sfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki w ramach grantu OPUS-22 przyznanego prof. Łukaszowi Opalińskiemu.

Uniwersytet Wrocławski