Opakowanie ważne jak lek

Badacze z Małopolskiego Centrum Biotechnologii opracowali obiecującą technologię dostarczania do organizmu aktywnych substancji w białkowych klatkach.

09.05.2022

Czyta się kilka minut

Wizualizacja klatki białkowej, stworzona przez zespół prof. Jonathana Heddle'a. / MATERIAŁY PRASOWE
Wizualizacja klatki białkowej, stworzona przez zespół prof. Jonathana Heddle'a. / MATERIAŁY PRASOWE

Najbardziej popularną i lubianą przez pacjentów formą leków są tabletki. Łatwe do przechowania i poł­knięcia; firmy farmaceutyczne produkują ich setki miliardów rocznie. We współczesnej biomedycynie coraz częściej mamy jednak do czynienia ze specyfikami, których nie można zamknąć w tabletkę. Ich substancje aktywne nie są małymi związkami chemicznymi, ale dużymi biologicznymi makromolekułami, jak chociażby cząsteczki mRNA stosowane w szczepionkach przeciwko SARS-CoV-2 czy przeciwciała monoklonalne, podawane, by zwalczyć wirusową infekcję.

Cząsteczki te, poza tym, że mają spore rozmiary, są delikatne i wrażliwe na zmiany otaczającego je środowiska. Nawet niewielkie uszkodzenie może spowodować, że nie będą spełniać swojej funkcji. Istotnym wyzwaniem, np. w onkologii, jest też kontrolowane uwalnianie substancji aktywnych – bezpośrednio w obszarze guza, a nie w przypadkowym miejscu w organizmie.

Dlatego równolegle z rozwojem leków trzeba pracować nad odpowiednimi nośnikami. Często najlepiej sprawdzają się rozwiązania wymyślone już wcześniej przez naturę, którą naukowcy próbują naśladować. Jednym z takich sposobów jest zamknięcie substancji aktywnych w naturalne „opakowania”, które mogą bez przeszkód podróżować po organizmie. W naturze obecne są takie struktury zbudowane z białek.

Pięć gramów żelaza

W organizmie człowieka białkowe struktury magazynują w komórkach potencjalnie szkodliwe substancje chemiczne – np. jony żelaza. Są one konieczne do prawidłowego funkcjonowania organizmu, ale w wolnej postaci katalizują reakcje chemiczne, które prowadzą do powstania toksycznych wolnych rodników (na ogół bardzo reaktywnych jonów, atomów lub cząsteczek). Z tego powodu w naszych komórkach musiała powstać biochemiczna infrastruktura pozwalająca na bezpieczne magazynowanie żelaza.

Ciało dorosłego człowieka zawiera od trzech do pięciu gramów żelaza, z czego aż 80 proc. wchodzi w skład hemoglobiny obecnej w czerwonych ­krwinkach. Reszta przechowywana jest w komórkach wątroby. Żelazo jest w ich wnętrzu uwięzione w trójwymiarowych strukturach zbudowanych z białka ferrytyny (od łacińskiego ferratus, co oznacza „pokryty żelazem”), z których jest uwalniane w ściśle kontrolowany sposób. Zazwyczaj struktury te składają się z 24 identycznych podjednostek – cząsteczek białka połączonych w kulistą, symetryczną klatkę z pustym wnętrzem, gdzie może się zmieścić aż do 4,5 tys. atomów żelaza. W mikroświecie komórkowym naukowcy nazywają takie struktury nano­klatkami białkowymi.

Prawdopodobnie najbardziej rozpowszechnione nanoklatki białkowe to otoczki wirusów, zwane kapsydami. To właśnie w ich wnętrzu znajduje się materiał genetyczny w postaci RNA lub DNA, uwalniany do wnętrza atakowanych komórek. Tak jest w przypadku chociażby towarzyszącego nam od przeszło dwóch lat SARS-CoV-2. Jego kapsyd jest dodatkowo uzbrojony w „kolce”, które nadają mu charakterystyczny wygląd i ułatwiają infekowanie komórek układu oddechowego.

Wirusowe kapsydy czy nanoklatki ferrytyny zbudowane są z wielu cząsteczek jednego lub kilku białek, ułożonych w ściśle określony sposób dzięki zachodzącym między nimi oddziaływaniom chemicznym. Odtworzenie takiej struktury w laboratorium nie jest łatwe, ale dzięki podglądaniu naturalnych nanoklatek białkowych możemy wymyślić, jak je zmodyfikować, by pełniły nowe funkcje – np. stając się nośnikami dla biologicznych makro­cząsteczek. Możemy też spróbować skonstruować klatki z białek, które w żadnym znanym organizmie ich nie tworzą.

Klatko, otwórz się

W 2019 r. naukowcy z Małopolskiego Centrum Biotechnologii (MCB) Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie pod kierunkiem profesora Jonathana ­Heddle’a zaprojektowali i zbudowali taką właśnie sztuczną nanoklatkę białkową przy pomocy występującego u bakterii białka TRAP (z angielskiego „pułapka”). Z połączenia 24 identycznych podjednostek – 11-kątnych pierścieni białkowych – powstała struktura o średnicy 22 nano­metrów (milionowych części milimetra), połączona przy pomocy 120 „spinek” z jonów złota. Jest ona „matematycznie niemożliwa”, ze względu na zasady geometrii, ale możliwa biologicznie w świecie elastycznych białek, które tuszują drobne nieregularności geometryczne.

W krakowskim laboratorium otrzymano niezwykle stabilny, nawet w trakcie gotowania, pusty w środku kompleks białkowy, odporny na działanie kwasów i zasad. Ale za to rozpadający się na części składowe po wniknięciu do komórek. To w teorii pozwala na umieszczenie wewnątrz nanoklatki leku i wykorzystania jej do dostarczenia go tam, gdzie jego działanie przyniesie największy efekt. Kolejnym wyzwaniem było zaprojektowanie sztucznych nanoklatek, których sposób otwierania się można kontrolować – co miałoby jeszcze większe znaczenie w przypadku przyszłych medycznych zastosowań.

Na początku tego roku w prestiżowym czasopiśmie „Science Advances” zespół profesora Heddle’a we współpracy z naukowcami z Weil Cornell Medicine w USA i z Uniwersytetu w Leeds w Wielkiej Brytanii opisał postępy nad uzyskaniem tzw. programowalnych klatek białkowych.

– W przypadku naturalnych cząsteczek, takich jak kapsyd jakiegoś wirusa, możemy doprowadzić do jej rozpadu po wprowadzeniu konkretnych zmian do środowiska, np. jakiejś substancji do komórki – tłumaczy w rozmowie z „Tygodnikiem” prof. Heddle. – Programowalna klatka to taka, w której możemy z góry zdecydować, jakie warunki zewnętrzne będą wywoływały poszukiwany przez nas efekt strukturalny, taki jak rozpad klatki. Daje nam to większe możliwości kontroli jej zachowania – dodaje badacz.

Żeby stworzyć programowalną nanoklatkę zbudowaną z białka TRAP, naukowcy z Krakowa wykorzystali związki chemiczne zawierające siarkę, które łączyły ze sobą poszczególne elementy klatek w miejscu, gdzie w poprzedniej wersji klatki znajdowały się „spinki” z atomów złota. W obecności czynników redukujących wiązania siarkowe ulegały rozpadowi, a klatki się otwierały. Do śledzenia ich integralności zespół badaczy wykorzystał białka fluorescencyjne, które świeciły jednym kolorem, gdy znajdowały się razem w zamkniętej klatce, ale zmieniały kolor, gdy klatka była otwarta.

– Największym wyzwaniem było znalezienie takich związków chemicznych, które utrzymałyby stabilną strukturę klatki poza komórkami, a jednocześnie pozwalały na jej kontrolowany rozpad – mówi prof. Heddle.

W badaniach nanoklatek naukowcy z MCB wykorzystują szereg metod ­biofizycznych i biochemicznych, takich jak wspomniane białka fluorescencyjne. Najbardziej pomocną metodą jest jednak tzw. mikroskopia krioelektronowa, która pozwala na obrazowanie cząsteczek zamkniętych w bardzo cienkiej warstwie lodu niemal z atomową dokładnością. Zespół prof. Heddle’a do tych badań wykorzystuje należący do Uniwersytetu Jagiellońskiego synchrotron Solaris.

Komercjalizacja

Droga od odkryć naukowych dokonanych w ramach badań podstawowych, związanych z poznawaniem mechanizmów występujących w przyrodzie czy zachowań określonych substancji w różnych warunkach, do medycznych zastosowań w formie nowych terapii jest zazwyczaj bardzo długa. Wymaga przeprowadzenia całej serii testów dowodzących najpierw bezpieczeństwa terapii, a potem jej skuteczności. Klatki białkowe podlegają tym samym regułom – ich potencjalne zastosowanie w terapiach wiąże się w końcu z wprowadzaniem pewnej substancji do organizmu, co zawsze może prowadzić np. do pojawienia się niechcianej reakcji układu immunologicznego. Jak daleko jesteśmy więc obecnie od rzeczywistych zastosowań klatek białkowych w terapiach?

Jak dotąd największe postępy poczyniono w wykorzystaniu nanoklatek białkowych jako nośników szczepionek. Jednak w tym przypadku do przeniesienia materiału wywołującego reakcję układu odpornościowego (tu przewidzianą i pożądaną) wykorzystano samą powierzchnię klatki, a nie jej wnętrze.

– Przynajmniej jedna firma biotechnologiczna była w stanie umieścić antygeny na zewnątrz klatki oraz wykazać, że mogą to być skuteczne szczepionki – mówi prof. Heddle. – Choć trudno było sądzić, że takie podejście mogłoby całkowicie zastąpić inne formy szczepień, to wygląda na to, że szczepionki dostarczane w klatkach białkowych będą miały do odegrania pewną rolę. Badania nad dostarczaniem leków są na razie znacznie mniej zaawansowane – dodaje.

Niemniej badacze z Krakowa wierzą w potencjał swojego odkrycia – założyli już firmę biotechnologiczną nCage Therapeutics, której celem jest komercjalizacja uzyskanych wyników.

W innych ośrodkach prowadzone są np. badania z wykorzystaniem klatek białkowych zbudowanych z ferrytyny – tego samego białka, które w naszych organizmach magazynuje żelazo. Takie klatki znajdują zastosowanie w ­badaniach onkologicznych, np. nad dostarczaniem chemioterapeutyków do komórek rakowych, czy w badaniach obrazowych, takich jak rezonans magnetyczny lub tomografia komputerowa nowotworów.

Izabela Stupka, doktorantka prof. Heddle’a i pierwsza autorka wspomnianej publikacji z „Science Advances”, w wykładzie wygłoszonym na kanale Copernicus na YouTubie zwracała uwagę na to, że klatka opracowana w Małopolskim Centrum Biotechnologii nie ma równie zwartej struktury jak kapsydy wirusów albo klatki złożone z ferrytyny – co może nastręczać pewne trudności.

– W przypadku klatki niczym nieokrytej istnieje ryzyko, że przedostaną się do niej jakieś enzymy, które mogłyby trawić jej ładunek. Przyszłe badania na komórkach i żywych organizmach będą wymagały odpowiedniego przygotowania klatki – np. pokrycia jej substancjami, które sprawią, że nie zaatakuje jej układ immunologiczny. Liczymy więc na to, że jeśli odpowiednio udekorujemy klatkę, spełni ona przewidziane zadanie – wyjaśnia badaczka. ©

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
89,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]
Doktor biologii molekularnej i popularyzatorka nauki, autorka „Tygodnikowego” działu Nauka. Absolwentka kierunku biotechnologia medyczna na Uniwersytecie Jagiellońskim. W czasie studiów magisterskich prowadziła badania naukowe w Instytucie Biochemii Maxa… więcej

Artykuł pochodzi z numeru Nr 20/2022