673886040@qq.com
Инженеры-химики Массачусетского технологического института ищут молекулу «Джекил-и-Хайд»
Инженеры-химики Массачусетского технологического института разработали способ быстрого скрининга соединений для определения их терапевтического потенциала при определенных видах рака. С помощью генно-инженерного датчика и высокопроизводительной технологии их метод исследует изменения клеточных концентраций перекиси водорода (H2O2), специальной молекулы, известной как окислитель.«Регулирующие пути некоторых опухолей зависят от повышенного уровня H2O2», - говорит Хэдли Сайкс, доцент, и профессор Эстер и Гарольд Эджертон по развитию карьеры факультета химической инженерии. «Но дальнейшее увеличение концентрации этого окислителя может привести к запрограммированной гибели клеток». Изучив 600 низкомолекулярных соединений, исследователи смогли идентифицировать те, которые избирательно повышали уровень H2O2.
В других исследованиях использовались зонды, которые без разбора реагируют на различные виды окислителей, что затрудняет точное определение того, какие соединения оказывают наибольшее влияние на эти специализированные молекулы. Экран MIT является первым, кто обнаруживает единичный окислитель. Это позволило команде охарактеризовать клеточные реакции на потенциальные лекарства и продемонстрировать, что некоторые из этих соединений активируют опосредованную H2O2 токсичность в восприимчивых линиях раковых клеток.
Их исследования опубликованы в журнале Cell Chemical Biology. Yining Hao SM ’18 и Troy F. Langford SM ’15 PhD ’18 являются первыми соавторами. Другие участники - Сун Джин Мун, аспирант кафедры химического машиностроения, Кристен А. Эллер '16, которая работала над проектом во время учебы, и Сайкс.
«Наша работа помогает проложить путь к целенаправленным химиотерапевтическим препаратам на основе окислителей», - говорит Хао, которая завершает докторскую степень в области химического машиностроения. «Эти исследования двигают нас в правильном направлении для эффективного использования лекарств для лечения различных пациентов - идея, лежащая в основе персонализированной медицины», - добавляет Лэнгфорд, ныне сотрудник компании Cowen, Inc. по биотехнологиям.
Когда генетические мутации запускают рак, иногда резко повышается содержание окислителей, таких как перекись водорода, что нарушает работу клеток. По мере повышения уровня перекиси водорода раковые клетки выделяют антиоксиданты, чтобы держать их под контролем. Поддерживать такой метаболический баланс сложно, и именно эту слабость исследователи надеются использовать в поисках новых методов лечения рака.
«Идея в том, что если мы избирательно увеличиваем перекись водорода, эти стрессированные раковые клетки умрут первыми», - говорит Хао. «Мы ищем молекулярные уязвимости, которые будут иметь большее влияние на рак, чем на окружающие его здоровые ткани», - добавляет Сайкс.
Для противоракового арсенала появились лекарства, которые воздействуют на эти механизмы перекиси водорода, либо напрямую повышая клеточные уровни окислителя, либо подрывая антиоксидантные системы. Но они не доставляют единообразно. Без надежного метода обнаружения перекиси водорода в раковых клетках до и после медикаментозного лечения прецизионная терапия остается недосягаемой.
Биосенсор, созданный Лэнгфордом и Сайксом в 2018 году, решил эту проблему. Он использует фермент пероксиредоксин-2, который может регистрировать изменения уровня перекиси водорода. Лэнгфорд спроектировал датчик так, что при реакции с перекисью водорода он флуоресцирует.
«Мы хотели использовать этот датчик на практике, и мы подумали:« Что может быть лучше для этого, чем высокопроизводительный экран с использованием библиотеки противораковых соединений прямо по соседству в Институте интегративных исследований рака Коха? » «» - говорит Лэнгфорд. «Мы взяли эти маленькие молекулы из их коллекции и систематически добавили каждую из них в раковые клетки, содержащие наш датчик».
Сайкс приняла сознательное решение принимать соединения, которые «уже были одобрены Управлением по контролю за продуктами и лекарствами и безопасны для людей», - говорит она, в том числе некоторые из них, которые ранее были исследованы как противораковые препараты. Вопрос заключался в том, что, если таковое имеется, могло быть эффективным для повышения концентрации перекиси водорода в линиях раковых клеток человека, собранных командой.
Когда они запускали свои экраны, исследователи искали красную флуоресценцию зонда, которая сигнализировала об увеличении уровня перекиси водорода после того, как лекарства взаимодействовали с клетками. Такие совпадения действительно были, но при анализе данных Хао обнаружил, что «многие из этих сигналов были странно высокими, за пределами диапазона датчика».
Исследователи провели второй раунд, чтобы убедиться, что сигналы действительно отражают изменения уровня перекиси водорода. Пройдя через библиотеку кандидатов в лекарства, исследователи не только определили соединения, которые модулируют перекись водорода в определенных раковых клетках, но также связали некоторые из этих соединений с гибелью клеток.
Были сюрпризы. Один препарат, противогрибковый SMER3, повысил уровень перекиси водорода. «Это было самое захватывающее, что мы когда-либо встречали», - говорит Сайкс. «Он убивает дрожжи, и оказалось, что он эффективно убивает подмножество рака».
Еще один заголовок из их исследования: главный противораковый препарат с репутацией повышающего уровень оксидантов оказался провалом в их проверке. «Цисплатин не индуцирует перекись водорода», - говорит Сайкс. «Может быть, он индуцирует другие оксиданты, но не тот, который управляет путями реакции смерти в подмножестве рака».
Их работа уже стимулировала появление новых предприятий. Сайкс сотрудничает с бостонским клиницистом, который специализируется на раковых заболеваниях, которые, как известно, уязвимы для дефектов ROS, таких как рак толстой кишки. В рамках своей диссертации Лэнгфорд протестировал SMER3 на раковых клетках толстой кишки. «Он очень эффективно убивает определенные клеточные линии, - говорит Хао, - и мы хотели бы лучше понять его, узнать, безопасно ли оно и на какие клеточные пути оно нацелено».
Следующие шаги включают переход к моделям на животных, несущих рак, полученный от пациентов, говорит Сайкс, и, в конечном итоге, к популяциям пациентов.
Помимо перекиси водорода, Сайкс предполагает использовать другие молекулы, которые выполняют критические функции в клетках и которые также могут служить мощными противораковыми мишенями. «Есть химически активные формы азота и серы, которые также, вероятно, не менее важны и заслуживают изучения».
Ссылка: «Скрининг библиотек соединений для лечения рака, опосредованного H2O2, с использованием сенсора на основе пероксиредоксина» Инин Хао, Трой Ф. Лангфорд, Сан Джин Мун, Кристен А. Эллер и Хэдли Д. Сайкс, 21 октября 2021 г., Cell Chemical Biology.
Поддержку этим исследованиям оказали стипендия семьи Хааса в области химического машиностроения, Программа перспективных исследований для студентов Массачусетского технологического института и профессорская должность, предоставленная Эстер и Гарольдом Э. Эдгертонами.
