Fot. dr inż. Damian Kułaga, źródło: Jan Zych

– Mamy już więcej niż zalążek leku. To wczesna wersja działającego systemu terapeutycznego – mówi dr inż. Damian Kułaga z PK, lider zespołu, od kilku lat prowadzący niezwykle obiecujące badania związków niszczących komórki raka jelita grubego (z ang. colorectal cancer, CRC) i aktywnych wobec potrójnie negatywnego raka piersi (z ang. triple-negative breast cancer, TNBC). Odkrycie jest już chronione czterema patentami i dwoma zgłoszeniami patentowymi, a ma przed sobą perspektywę ochrony europejskiej.

Pochodne tryptaminy wzbogacone o układ triazyny i pirymidyny – nowe perspektywy dla onkologii

Na świecie diagnozuje się rocznie blisko 2 mln nowych zachorowań na raka jelita i prawie 900 tys. zgonów, co czyni ten nowotwór trzecim pod wględem częstotliwości i drugim pod względem śmiertelności (dane z 2022 r.). W Polsce rocznie rozpoznaje się od 18 do 20 tys. nowych przypadków raka jelita grubego – połowa z nich kończy się śmiercią pacjenta. Zespół badawczy pod kierownictwem dr. inż. Damiana Kułagi z Wydziału Inżynierii i Technologii Chemicznej Politechniki Krakowskiej od kilku lat poszukuje związków chemicznych, które w przyszłości mogłyby leczyć raka jelita grubego i potrójnie negatywnego raka piersi. – Nowotwory te, w przypadku wczesnego wykrycia, mogą być skutecznie leczone, jednak najczęściej pacjenci diagnozowani są w późnych stadiach, gdy nawet operacja wycięcia guza nie przynosi zadowalających efektów. Komórki nowotworowe mają czas, by „rozlać się” po organizmie, powodując przerzuty, np. do węzłów chłonnych lub kości. Ten etap choroby jest najbardziej problematyczny do leczenia i nierzadko kończy się śmiercią pacjenta – opisuje dr inż. Damian Kułaga.

Biologia nowotworów jest niezwykle skomplikowana i choć współczesna medycyna dysponuje już różnymi metodami terapii, to potrzeba badań w tym obszarze wynika z wciąż niedostatecznej skuteczności dostępnych metod leczenia. – Terapie, który znamy, często powodują poważne efekty uboczne, oddziaływjąc nie tylko na chore, ale i zdrowe tkanki. Niektóre komórki nowotworowe są na tyle „sprytne”, że niejako uodparniają się na dany lek, podobnie jak bakterie na antybiotyki – porównuje dr inż. Kułaga. Na pomysł sprawdzenia pochodnych tryptamin wzbogaconych układem 1,3,5-triazyny oraz 2-aminopirymidyny jako związków o potencjalnie antynowotworowym zastosowaniu naukowiec Politechniki Krakowskiej wpadł... przypadkiem. – W ramach doktoratu zajmowałem się syntezą1,3,5-triazyn, ale w badaniach ukierunkowanych na receptor 5-HT7 związany z chorobami centralnego układu nerwowego. W tym czasie pojawiły się pierwsze publikacje dotyczące jego powiązań z kancerogenezą. To była inspiracja, chciałem podążyć tym tropem – wspomina dr inż. Damian Kułaga. W pierwszym etapie prac (w ramach programu „Lider” Narodowego Centrum Badań i Rozwoju) jego zespół skupił się na analizie możliwości zastosowania tryptamino-triazyn lub tryptamino-pirymidyn jako potencjalnych związków niszczących komórki nowotworowe raka piersi. 

DK-AT390HCl z Politechniki Krakowskiej – trafia w komórki raka jelita, oszczędza zdrową tkankę

Niezwykły związek chemiczny, który daje nadzieję na skuteczną walkę z nowotworem został odkryty w laboratoriach Politechniki Krakowskiej wśród ponad 200 zaprojektowanych i zsyntezowanych substancji, badanych początkowo pod kątem aktywności antynowotworowej w raku piersi. – Związek, któremu nadaliśmy nazwę DK-AT390HCI, co ciekawe, nie wykazywał jakiejś specjalnej aktywności na liniach komórkowych potrójnie negatywnego raka piersi, ale poddanie go dalszym analizom – badaniom biologicznym prowadzonym we współpracy z Uniwersytetem Rolniczym w Krakowie – okazało się strzałem w dziesiątkę w poszukiwaniu leku na raka jelita grubego – opowiada dr inż. Damian Kułaga. Kilkanaście związków, zsyntezowanych na Politechnice, przebadała pod tym kątem dr Izabela Siemińska z Katedry Chorób Zakaźnych, Inwazyjnych i Ochrony Zdrowia Publicznego na Wydziale Medycyny Weterynaryjnej Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie. Specjalizuje się ona m.in. w immunonkologii raka jelita grubego i analizowała zdolności nowych związków do zabijania komórek nowotworowych tego typu raka. I to właśnie DK-AT390HCl okazał się najaktywniejszy – o wiele bardziej niż w przypadku działania na komórki raka piersi (TNBC). – Na początku naszych badań pracowaliśmy na liniach komórkowych – zarówno nowotworowych, jak i zdrowych. Dzięki temu udało się wyselekcjonować ten jeden związek, który praktycznie nie uszkadzał zdrowych komórek, a jednocześnie bardzo silnie działał na komórki nowotworowe raka jelita. To – wraz z dodatkowymi badaniami – zasugerowało nam, że może on mieć dobrą selektywność i potencjał terapeutyczny – zdradza dr wet. Izabela Siemińska.

Wspólne badania dr. Kułagi i dr Siemińskiej wykazały, że jednym z mechanizmów działania związku DK-AT390HCl jest możliwość hamowania autofagii komórek nowotworowych. Autofagia (z gr. samozjadanie) to naturalny proces recyklingu, w którym komórki usuwają, a następnie rozkładają uszkodzone białka, organella i inne zbędne składniki, aby uzyskać energię oraz materiały do regeneracji i rozrostu. Autofagia komórek nowotworowych (szczególnie tych z mutacją KRAS lub BRAF) nasila się w niekorzystnych dla nich warunkach, np. podczas chemioterapii. – Chcemy ten proces powstrzymać, żeby komórki nowotworowe nie miały jak się bronić – wyjaśnia dr inż. Damian Kułaga. Jak tłumaczy badacz Politechniki, działanie odkrytego związku można w dużym przybliżeniu porównać do przykładu klucza i zamka. – Zamkiem jest swoista kinaza lipidowa, czyli białko, kluczem natomiast – cząsteczka DK-AT390HCl. Podobnie jak klucz pasuje do zamka, otwierając drzwi, tak w przypadku naszych badań DK-AT390HCl idealnie pasuje do kinazy i oddziałując z nią – poprzez blokadę – wyzwala wtórne procesy biologiczne w komórkach nowotworowych. Jednym z tych procesów jest właśnie autofagia, której aktywność jest silnie powiązana z działaniem tej kinazy – dodaje.

Wyniki wspólnych prac naukowców PK i URK zaowocowały czterema patentami opisującymi m.in. wstępną aktywność przeciwnowotworową związku DK-AT390HCl i jego pochodnych. Jedno ze zgłoszeń patentowych dokonane w trybie PTC (z ang. patent treaty corporation) otwiera możliwości ochrony poza granicami Polski. A to nie koniec! Potencjał odkrycia jest tak duży, że naukowcy planują już kolejne badania, ponieważ ciekawych pytań do rozstrzygnięcia jest wciąż bardzo wiele. – Czy faktycznie istnieje związek pomiędzy autofagią a hamowaniem ekspresji czynnika transkrypcyjnego FOXM1, co zostało wykazane w naszych badaniach? Czy to dwie niezależne, czy też powiązane ze sobą ścieżki? I kluczowe pytanie – czy związek, o udowodnionym na organizmie myszy efekcie przeciwnowotworowym, będzie działać podobnie na tkanki pochodzenia ludzkiego, np. w modelu ex vivo PDO? Mamy zbadany wstępny profil bezpieczeństwa in vivo, który na obecnym etapie jest dobrze rokujący. Będziemy sprawdzać, czy dalsze testy potwierdzą to, co wiemy po wstępnych badaniach – zapowiada badacz PK

Obiecująca cząsteczka odnaleziona jak igła w stogu siana

Odkrycia polskich naukowców są owocem dwóch projektów badawczych. W pierwszy pt. „Innowacyjne związki first-in-class, jako ligandy receptora 5-HT7 w leczeniu potrójnie negatywnego raka piersi TNBC” w ramach programu dofinansowań „Lider XII” z 2022 r. zaangażowane były trzy ośrodki: Politechnika Krakowska odpowiedzialna za badania chemiczne (tj. syntezę związków), Instytut Farmakologii PAN w Krakowie odpowiedzialny za badania radioizotopowe oraz Instytut Immunologii i Terapii Doświadczalnej PAN we Wrocławiu, który przeprowadzał badania biologiczne in vitro i in vivo w kierunku oceny aktywności działania przeciwnowotworowego związków. – Za pomocą metod komputerowych, analizy literaturowej, a także wyników badań wstępnych zaprojektowałem grupę związków do syntezy. Synteza prowadzona była wyłącznie metodami bezpiecznymi dla środowiska, np. ultradźwiękami, w wodnym medium, w ciągu zaledwie kilku minut. Dzięki opracowanej metodzie powstało pierwsze zgłoszenie patentowe – zapewnia dr inż. Damian Kułaga. Otrzymane związki były badane w kierunku ich powinowactwa do receptora 5-HT7. Następnie najlepsze związki były przebadane pod kątem powstrzymywania mnożenia się komórek TNBC. Pięć związków skierowano do poszerzonych badań przeciwnowotworowych, m.in. testu migracji komórek, testu tworzenia kolonii czy oceny hamowania ekspresji wybranych białek metodami Western blot czy PCR. Oprócz dr. inż. Damiana Kułagi w badaniach w ramach projektu „Lider” brali też udział inni badacze z Politechniki Krakowskiej – mgr inż. Anna Karolina Drabczyk oraz dr inż. Przemysław Zaręba. W pracach uczestniczyli także naukowcy Laboratorium Doświadczalnej Terapii Przeciwnowotworowej w Instytucie Immunologii i Terapii Doświadczalnej Polskiej Akademii Nauk: dr Aleksandra Strzykalska-Augustyniak, mgr Michalina Gos oraz dr inż. Beata Filip-Psurska.

W 2024 r. zespół dr. inż. Damiana Kułagi, współpracujący z Uniwersytetem Rolniczym w Krakowie, uzyskał – za pośrednictwem Fundacji Nauki Polskiej – finansowanie ze środków europejskich na głębsze zbadanie skuteczności biologicznej związku DK-AT390HCl. Polscy naukowcy pracowali w projekcie pt. „Pierwsza first-in-class innowacyjna cząsteczka DK-AT390HCl typu 'small molecule' wykazująca działanie przeciwnowotworowe w modelu zwierzęcym raka jelita grubego” dofinansowanego w ramach programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki  (FENG). – Prowadziliśmy ocenę skuteczności in vitro, w tym ocenę cytotoksyczności, wykonaliśmy test tworzenia kolonii, test oceny migracji komórek nowotworowych, wyznaczaliśmy maksymalną tolerowaną dawkę (MTD), prowadziliśmy ocenę potencjału do zmniejszenia masy guza oraz badania molekularne tkanki guza – wymienia dr Kułaga. Teraz polscy badacze są już po końcowej analizie zebranych próbek. Co potwierdzili? – Nowo odkryty związek działa wybiórczo na komórki nowotworowe, nie niszcząc przy tym zdrowych tkanek. Wyniki są więc bardzo obiecujące dla dalszych prac na lekiem na raka jelita grubego. Trzeba jednak pamiętać, że droga od naszych odkryć do skutecznej terapii dla pacjentów jest długa, może być wyboista i wymaga wielu kolejnych etapów badań, w tym badań klinicznych – przypomina dr Izabela Siemińska.

Drogę z laboratoriów do szpitali można przyspieszyć

Komercjalizacja obiecujących wyników badań może pójść teraz w kilku kierunkach. – Po zakończeniu obecnego etapu badań nasza cząsteczka jest na czwartym poziomie gotowości technologicznej (TRL). Przy solidnym finansowaniu jesteśmy w stanie na uczelni osiągnąć poziom może TRL6, czyli gotowość naszego rozwiązania do badań klinicznych. Te są jednak niezwykle drogie badania i chyba nie ma obecnie uniwersytetu w Polsce zdolnego finansowo, aby samodzielnie takie badania przeprowadzić – przyznaje dr inż. Damian Kułaga. Rozważane teraz wspólnie z Centrum Transferu Technologii Politechniki Krakowskiej ścieżki komercjalizacji służą przyspieszeniu drogi z naukowych laboratoriów do praktyki medycznej. To tym pilniejsze, że zarówno w Polsce, jak i globalnie obserwuje się trend wzrostowy liczby zachorowań na raka jelita grubego, szczególnie u osób poniżej 50. roku życia. Stąd m.in. możliwość sprzedaży praw patentowych do cząsteczki opracowanej na Politechnice Krakowskiej firmie farmaceutycznej – polskiej lub zagranicznej, przy zagwarantowaniu wcześniej międzynarodowej ochrony patentu. – Chętnie nadal współpracowalibyśmy z podmiotem zainteresowanym naszym rozwiązaniem na etapie dalszych badań – syntezy nowych związków chemicznych pod cel biologiczny, czyli prowadzenia prac nad nimi do poziomu TRL3 lub TRL4. Partnerstwo z firmą z branży rozszerzyłoby możliwości elastycznego finansowania i prowadzenia dalszych badań – zakłada dr inż. Damian Kułaga. Wartość dotąd przeprowadzonych prac polskich naukowców podnosi ich innowacyjność potwierdzoną rosnącą listą uzyskanych już patentów i zgłoszeń patentowych oraz publikacji w prestiżowych czasopismach naukowych (ich wykaz w źródłach poniżej).

Politechnika Krakowska