Czy można uratować komórkę, która rozpoczęła już proces prowadzący do jej śmierci? Zespół naukowców z Politechniki Wrocławskiej oraz amerykańskiej firmy biotechnologicznej Genentech udowodnił, że jest to możliwe – przynajmniej w warunkach eksperymentalnych. Badacze opracowali nową strategię hamowania pyroptozy, czyli zapalnej formy programowanej śmierci komórki, wykorzystując do tego pory powstające w błonie komórkowej. Wyniki opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Nature” mogą otworzyć nowy kierunek badań nad terapiami chorób związanych z nadmiernym stanem zapalnym, takich jak sepsa, zespół ostrej niewydolności oddechowej (ARDS) czy COVID-19.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Jak sztuczna inteligencja wspiera odkrywanie nowych leków przeciw gruźlicy i dlaczego może znacząco przyspieszyć ten proces.
- Jak działa model AI CAGE-Fusion, który pomaga eliminować fałszywie obiecujące związki chemiczne już na wczesnym etapie badań.
- Jaką rolę odgrywa platforma DAIKON w porządkowaniu i analizowaniu wieloletnich danych dotyczących odkrywania leków na gruźlicę.
- Dlaczego AI nie zastępuje naukowców, lecz pomaga podejmować trafniejsze decyzje i ograniczać czas oraz koszty badań.
Czym jest pyroptoza i dlaczego odgrywa tak ważną rolę?
Pyroptoza jest jedną z form programowanej śmierci komórki, jednak – w przeciwieństwie do apoptozy – przebiega z bardzo silną reakcją zapalną. Stanowi naturalny mechanizm obronny organizmu przed zakażeniami bakteryjnymi, wirusowymi oraz innymi zagrożeniami. Jak wyjaśnia dr hab. inż. Marcina Poręba, prof. uczelni z Wydziału Chemicznego Politechniki Wrocławskiej:
Pyroptoza jest jednym ze sposobów, w jaki organizm broni się przed zakażeniami i innymi zagrożeniami. To kontrolowany mechanizm samounicestwienia komórki, połączony z uruchomieniem silnej reakcji zapalnej.
Proces rozpoczyna się od aktywacji kaspaz prozapalnych – u człowieka są to kaspazy-1, -4 i -5. Enzymy te przecinają białko gasdermina D, którego fragmenty tworzą duże pory w błonie komórkowej. Przez powstałe otwory uwalniane są cytokiny prozapalne IL-1β oraz IL-18, które alarmują układ odpornościowy. Następnie komórka pęcznieje i ulega rozpadowi. Choć mechanizm ten pomaga zwalczać infekcje, jego nadmierna aktywacja może prowadzić do rozległych uszkodzeń tkanek i nasilenia stanu zapalnego.
Dlaczego wcześniejsze próby zahamowania pyroptozy zawodziły?
Od wielu lat badacze próbowali opracować inhibitory kaspaz, które mogłyby zatrzymywać pyroptozę. Dotychczasowe podejście polegało na tworzeniu cząsteczek łatwo przenikających przez błony komórkowe. Problem polegał jednak na tym, że związki trafiały również do zdrowych komórek i hamowały procesy niezbędne do ich prawidłowego funkcjonowania. Efektem była niewystarczająca skuteczność lub toksyczność kandydatów na leki.
Zamiast omijać pory – naukowcy postanowili je wykorzystać
Przełom nastąpił, gdy zespoły z Politechniki Wrocławskiej i Genentech całkowicie zmieniły sposób myślenia. Zamiast projektować związki łatwo przenikające przez zdrowe błony komórkowe, stworzyły inhibitory praktycznie nieprzenikające do nieuszkodzonych komórek. Punktem wyjścia była biblioteka około stu związków skierowanych przeciw kaspazom prozapalnym. Jeden z nich zachowywał się jednak w sposób nieoczekiwany. Jak opisuje prof. Marcin Poręba:
Najciekawszy etap projektu rozpoczął się od obserwacji, która początkowo nie pasowała do naszych założeń. Związek o bardzo niskiej przepuszczalności przez błony zdrowych komórek potrafił zahamować proces zachodzący w ich wnętrzu. Zamiast potraktować ten wynik jako anomalię, postawiliśmy hipotezę, że sam mechanizm pyroptozy otwiera związkowi drogę do komórki.
Badacze odkryli, że inhibitor dostaje się do wnętrza komórki właśnie przez pory utworzone przez gasderminę D. Po przedostaniu się do środka blokuje kaspazy odpowiedzialne za tworzenie kolejnych porów, zatrzymując cały proces pyroptozy.
Pory gasderminy D stają się „bramą ratunkową”
Jednym z najlepiej przebadanych inhibitorów był związek oznaczony jako KGR-3. Badania wykazały, że skutecznie hamował pyroptozę wywoływaną przez kaspazy-1 i -4 oraz ograniczał uwalnianie IL-1β. Jednocześnie nie chronił komórek przed apoptozą. Jak wyjaśnia prof. Marcin Poręba:
Nie chronił natomiast komórek przed apoptozą, czyli inną formą programowanej śmierci. Podczas apoptozy pory gasderminy D nie powstają. Był to jeden z dowodów na to, że właśnie te otwory umożliwiają inhibitorowi dotarcie do celu.
Dodatkowe eksperymenty wykazały, że po zahamowaniu aktywności kaspaz naturalny system naprawczy komórki – kompleks białek ESCRT – może uszczelnić błonę komórkową i zapobiec jej rozpadowi. Co szczególnie istotne, część komórek nie tylko przeżywała, ale zachowywała zdolność do dalszego wzrostu i podziałów przez co najmniej 12 dni.
Naukowcy odkryli krótkie „okno terapeutyczne”
Jednym z najważniejszych odkryć było wykazanie, że inhibitor działał nawet wtedy, gdy podawano go kilka godzin po rozpoczęciu pyroptozy. Oznacza to, że między pojawieniem się pierwszych porów a całkowitym rozpadem komórki istnieje krótkie okno, w którym proces można jeszcze zatrzymać.
To właśnie ten mechanizm może w przyszłości stać się podstawą opracowania nowych terapii przeciwko chorobom przebiegającym z nadmiernym stanem zapalnym.
Obiecujące wyniki również w modelu zwierzęcym
Badacze przetestowali również inhibitor KGR-53P. Najpierw potwierdzili jego skuteczność w mysich komórkach układu odpornościowego, gdzie ograniczał zarówno śmierć komórek, jak i uwalnianie cytokin IL-1β oraz IL-18. Następnie przeprowadzono badania na mysim modelu szoku endotoksycznego.
Myszy otrzymujące inhibitor wykazywały znacznie niższe stężenia IL-1β i IL-18 we krwi, co wskazuje, że strategia może działać również w żywym organizmie.
To jeszcze nie lek, ale nowy kierunek terapii
Autorzy podkreślają, że KGR-3 i KGR-53P pozostają związkami badawczymi. Jak zaznacza prof. Marcin Poręba:
Wyniki nie oznaczają, że powstał już lek przeciwko sepsie lub innym chorobom zapalnym.
KGR-53P był szybko eliminowany z organizmu, a badania wykazały również wzrost aktywności enzymów wątrobowych. Oznacza to konieczność dalszej optymalizacji związków. Mimo to autorzy publikacji podkreślają ogromny potencjał samej koncepcji selektywnego dostarczania inhibitorów przez pory gasderminy D. Strategia może znaleźć zastosowanie w leczeniu sepsy, zespołu ostrej niewydolności oddechowej (ARDS), COVID-19 oraz innych chorób związanych z nadmierną pyroptozą.
Odkrycie rozpoczęło się na Politechnice Wrocławskiej
Projekt narodził się na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej. To właśnie tam opracowano bibliotekę inhibitorów oraz przeprowadzono badania enzymologiczne. Kluczową rolę odegrała dr inż. Katarzyna Groborz, która po obronie doktoratu odbyła staż podoktorski w Genentech i współkierowała badaniami. Jak podkreśla badaczka:
Najważniejszym odkryciem projektu było wykazanie, że pyroptozę można zatrzymać nawet po jej rozpoczęciu. Pokazaliśmy istnienie krótkiego okna terapeutycznego, w którym zahamowanie kaspaz przerywa ten proces i pozwala komórkom odzyskać zdolność do dalszego wzrostu i podziałów. Wykorzystanie porów tworzonych przez gasderminę D umożliwiło selektywne dostarczanie inhibitorów do komórek, w których pyroptoza już się rozpoczęła. Projekt łączył kilka dyscyplin naukowych – od chemii biologicznej, przez biologię komórki, po badania in vivo.
Główne wnioski
- Naukowcy z Texas A&M AgriLife Research opracowali narzędzia sztucznej inteligencji, które wspierają wybór najbardziej obiecujących kandydatów na leki przeciw gruźlicy i ograniczają liczbę kosztownych błędów badawczych.
- Model AI CAGE-Fusion identyfikuje problematyczne związki chemiczne z około 94% skutecznością, pomagając eliminować fałszywie dodatnie wyniki już na etapie badań przesiewowych.
- Platforma DAIKON, wykorzystywana przez konsorcjum Tuberculosis Drug Accelerator (TBDA), integruje dane z wielu lat badań i umożliwia ich szybkie przeszukiwanie z wykorzystaniem sztucznej inteligencji.
- Gruźlica pozostaje najgroźniejszą chorobą zakaźną na świecie według WHO, dlatego wykorzystanie AI może przyspieszyć rozwój nowych terapii oraz skrócić czas i obniżyć koszty procesu odkrywania leków.
Źródło:
- https://pwr.edu.pl/uczelnia/aktualnosci/jak-uratowac-komorke–ktora-zaczela-umierac-publikacja-w-nature-14261.html
