Naukowcy prowadzone przez Penn zamienili śmiertelny grzyb w silny związek walki z rakiem. Po izolowaniu nowej klasy cząsteczek z Aspergillus flavus, toksyczny grzyb uprawny związany ze śmiercią w wykopaliskach starożytnych grobowców, naukowcy zmodyfikowali chemikalia i przetestowali je przeciwko komórkom białaczkową. Wynik? Obiecujący związek zabijający raka, który rywalizuje z lekami zatwierdzonymi przez FDA i otwiera nowe granice w odkryciu bardziej grzybiczych leków.
„Grzyby dały nam penicylinę”, mówi Sherry Gao, prezydencki profesor nadzwyczajny Penn w dziedzinie inżynierii chemicznej i biomolekularnej (CBE) oraz w bioinżynierii (BE) i starszego autora nowego artykułu w Nature Chemical Biologyon. „Wyniki te pokazują, że pozostaje wiele innych leków pochodzących z produktów naturalnych”.
Od klątwy do lekarstwa
Aspergillus flavus, nazwany od żółtych zarodników, od dawna jest mikrobiologicznym złoczyńcą. Po tym, jak archeolodzy otworzyli grobowiec Kinga Tutanchamona w latach dwudziestych XX wieku, seria przedwczesnych zgonów wśród zespołu wykopaliskowego napędzała plotki o przekleństwie faraona. Kilkadziesiąt lat później lekarze teoretyczni, że zarodniki grzybowe, uśpione od tysiącleci, mogły odegrać pewną rolę.
W latach siedemdziesiątych tuzin naukowców wszedł do grobowca Casimir IV w Polsce. W ciągu kilku tygodni 10 z nich zmarło. Późniejsze badania ujawniły, że grób zawierał A. flavus, którego toksyny mogą prowadzić do infekcji płuc, szczególnie u osób z uszkodzonym układem odpornościowym.
Teraz ten sam grzyb jest mało prawdopodobnym źródłem obiecującej nowej terapii przeciwnowotworowej.
Rzadkie znalezisko grzybowe
Terapia, o której mowa, jest klasą syntetyzowanych rybosomalnie i zmodyfikowanych potranslacyjnych peptydów lub Ripps, wymawianych jak „RIP” w kawałku materiału. Nazwa odnosi się do sposobu wytwarzania związku-przez rybosom, niewielką strukturę komórkową, która sprawia, że białka-i fakt, że jest ono modyfikowane później, w tym przypadku w celu zwiększenia właściwości zabójstwa raka.
„Oczyszczanie tych chemikaliów jest trudne” – mówi Qiuyue Nie, podoktoranckie student w CBE i pierwszym autorem gazety. Podczas gdy w bakteriach zidentyfikowano tysiące Rippów, w grzybach znaleziono tylko garść. Częściowo dzieje się tak, ponieważ dawni badacze błędnie zidentyfikowali Ripps grzybiczy jako peptydy nie rybosomalne i nie mieli zrozumienia, w jaki sposób grzyby tworzyły cząsteczki. „Synteza tych związków jest skomplikowana”, dodaje Nie. „Ale to również daje im tę niezwykłą bioaktywność”.
Polowanie na chemikalia
Aby znaleźć więcej grzybów, naukowcy po raz pierwszy zeskanowali tuzin szczepów Aspergillus, co sugerowało poprzednie badania, mogą zawierać więcej chemikaliów.
Porównując chemikalia wytwarzane przez te szczepy ze znanymi blokami konstrukcyjnymi RIPP, naukowcy zidentyfikowali A. flavusa jako obiecującego kandydata do dalszych badań.
Analiza genetyczna wskazała na konkretne białko w A. flavus jako źródło grzybów. Kiedy naukowcy odwrócili geny, które wytwarzają to białko, markery chemiczne wskazujące na obecność Ripps również zniknęły.
To nowe podejście – łączenie informacji metabolicznych i genetycznych – nie tylko wskazało źródło grzybów w A. flavus, ale można je wykorzystać do znalezienia więcej grzybów w przyszłości.
Silny nowy lek
Po oczyszczeniu czterech różnych Rippów naukowcy odkryli, że cząsteczki miały unikalną strukturę blokujących pierścieni. Naukowcy nazwali te cząsteczki, które nigdy wcześniej nie zostały opisane po grzybach, w którym zostały znalezione: asperigymycyny.
Nawet bez modyfikacji, po zmieszaniu z ludzkimi komórkami rakowymi, asperigymycyny wykazały potencjał medyczny: dwa z czterech wariantów miały silny wpływ na komórki białaczki.
Kolejny wariant, do którego naukowcy dodali lipid lub cząsteczkę tłuszczową, która występuje również w królewskiej galaretce, która odżywia rozwijające się pszczoły, wykonywane, a także cytarabinę i daunorubicynę, dwa leki zatwierdzone przez FDA, które były używane przez dziesięcioletnie w leczeniu leukemii.
Pękanie kodu wjazdu komórkowego
Aby zrozumieć, dlaczego lipidy wzmocniły moc asperigymycyny, naukowcy selektywnie włączają i wyłączają geny w komórkach białaczkowych. Jeden gen, SLC46A3, okazał się krytyczny w umożliwieniu asperigymycyn wjazdu w komórkach białaczkowych w wystarczającej liczbie.
Ten gen pomaga materiałom wychodzić z lizosomów, maleńkie worki, które zbierają obce materiały wchodzące w komórki ludzkie. „Ten gen działa jak brama” – mówi Nie. „Nie pomaga to tylko asperigymycynom wejść do komórek, może również umożliwić innym„ cyklicznym peptydom ”zrobienie tego samego”.
Podobnie jak asperigymycyny, te chemikalia mają właściwości lecznicze – prawie dwa tuziny cyklicznych peptydów otrzymało zatwierdzenie kliniczne od 2000 r. W celu leczenia chorób tak różnorodnych jak rak i tocznia – ale wiele z nich potrzebuje modyfikacji, aby wprowadzić komórki w wystarczających ilościach.
„Wiedza, że lipidy mogą wpływać na sposób, w jaki ten gen transportuje chemikalia do komórek, daje nam inne narzędzie do rozwoju leków”, mówi Nie.
Zakłócanie podziału komórek
Poprzez dalsze eksperymenty naukowcy stwierdzili, że asperigymycyny prawdopodobnie zakłócają proces podziału komórek. „Komórki rakowe dzielą się w niekontrolowany sposób”, mówi Gao. „Związki te blokują tworzenie mikrotubul, które są niezbędne dla podziału komórek”.
W szczególności związki miały niewielki lub żaden wpływ na komórki raka piersi, wątroby lub płuc – lub zakres bakterii i grzybów – co sugeruje, że zakłócające działanie asperigimycyny są specyficzne dla niektórych rodzajów komórek, co jest kluczową cechą dla każdego przyszłego leku.
Przyszłe kierunki
Oprócz wykazania potencjału medycznego asperigymycyn, naukowcy zidentyfikowali podobne klastry genów w innych grzybach, co sugeruje, że do odkrycia pozostaje więcej grzybów. „Mimo że znaleziono tylko kilka, prawie wszystkie z nich mają silną bioaktywność” – mówi Nie. „To niezbadany region o ogromnym potencjale”.
Kolejnym krokiem jest przetestowanie asperigymycyny w modelach zwierzęcych, z nadzieją na przejście do badań klinicznych na ludziach. „Natura dała nam tę niesamowitą aptekę” – mówi Gao. „Od nas zależy, aby odkryć jego tajemnice. Jako inżynierowie cieszymy się, że możemy kontynuować eksplorowanie, uczenie się od natury i wykorzystanie tej wiedzy do projektowania lepszych rozwiązań”.
Badanie zostało przeprowadzone na University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science; Rice University; University of Pittsburgh; University of Texas MD Anderson Cancer Center; Washington University School of Medicine, St. Louis; Baylor College of Medicine i University of Porto.
Badanie zostało poparte przez amerykańskie National Institutes of Health (R35GM138207, R35CA274235, R35GM128779), Program Molecular Biocesics w Houston Area Molecular Biocesics Program (NIH GRANT T32 GM008280), Resevention i Resevention i Institute Institute Off i Tekson. (RR220087, RR210029) i National Science Foundation (OAC-2117681, OAC-1928147, OAC-1928224).
Dodatkowymi współautorami to Fanglong Zhao, Xuerong Yu, Caleb Chang, Rory Sharkey, Bryce Kille, Hongzi Zheng, Kevin Yang, Alan Du, Todd Teangen, Yang Gao i Hans Renata z Rice University; Chunxiao Sun i Shuai Liu z Penn Engineering and Rice; Lokalizacja Li i Junjie Chen z MD Anderson; Mithun C. Madhusudhanan i Peng Liu z Pitt; Sandipan Roy Chowdhury, Dongyin Guan, Jin Wang, Xin Yu i Dishu Zhou z Baylor; Maria Zotova i Zichen Hu z Penn Engineering; Sandra A. Figueiredo i Pedro N. Leão z University of Porto; oraz Andy Xu i Rui Tang z Wash U, St. Louis.