Επί δεκαετίες, ένας σημαντικός αριθμός πρωτεϊνών, ζωτικής σημασίας για τη θεραπεία διαφόρων ασθενειών, δεν μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για φαρμακευτική θεραπεία από το στόμα. Τα παραδοσιακά μικρά μόρια συχνά δυσκολεύονται να συνδεθούν σε πρωτεΐνες με επίπεδες επιφάνειες ή απαιτούν εξειδίκευση για συγκεκριμένα ομόλογα πρωτεϊνών. Συνήθως, τα μεγαλύτερα βιολογικά φάρμακα που μπορούν να στοχεύσουν αυτές τις πρωτεΐνες απαιτούν ένεση, περιορίζοντας την ευκολία και την προσβασιμότητα των ασθενών.
Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Nature Chemical Biology, επιστήμονες από το εργαστήριο του καθηγητή Christian Heinis στο EPFL πέτυχαν ένα σημαντικό ορόσημο στην ανάπτυξη φαρμάκων. Η έρευνά τους ανοίγει την πόρτα σε μια νέα κατηγορία φαρμάκων που διατίθενται από το στόμα, αντιμετωπίζοντας μια μακροχρόνια πρόκληση στη φαρμακευτική βιομηχανία. Υπάρχουν πολλές ασθένειες, και ιδιαίτερα διάφοροι τύποι καρκίνου, για τις οποίες έχουν εντοπιστεί οι στόχοι, αλλά δεν μπόρεσαν να αναπτυχθούν φάρμακα που να τους προσεγγίζουν. Πολλοί στόχοι στους καρκίνους είναι αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-πρωτεΐνης που είναι σημαντικές για την ανάπτυξη του όγκου, αλλά δεν μπορούν να ανασταλούν.
Η μελέτη επικεντρώθηκε στα κυκλικά πεπτίδια, τα οποία είναι ευέλικτα μόρια γνωστά για την υψηλή συγγένεια και εξειδίκευσή τους στη δέσμευση δύσκολων στόχων ασθενειών. Ταυτόχρονα, η ανάπτυξη κυκλικών πεπτιδίων ως φαρμάκων από το στόμα έχει αποδειχθεί δύσκολη, επειδή αφομοιώνονται γρήγορα ή απορροφώνται ελάχιστα από το γαστρεντερικό σύστημα.
"Τα κυκλικά πεπτίδια παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη φαρμάκων, καθώς αυτά τα μόρια μπορούν να συνδεθούν σε δύσκολους στόχους για τους οποίους ήταν δύσκολο να παραχθούν φάρμακα με καθιερωμένες μεθόδους", εξηγεί ο Heinis. "Αλλά τα κυκλικά πεπτίδια δεν μπορούν συνήθως να χορηγηθούν από το στόμα -ως χάπι- γεγονός που περιορίζει σημαντικά την εφαρμογή τους".
Κυκλική ανακάλυψη
Η ερευνητική ομάδα στόχευσε το ένζυμο θρομβίνη, το οποίο αποτελεί κρίσιμο στόχο για την αντιμετώπιση ασθενειών λόγω του κεντρικού του ρόλου στην πήξη του αίματος. Η ρύθμιση της θρομβίνης είναι το κλειδί για την πρόληψη και τη θεραπεία θρομβωτικών διαταραχών όπως τα εγκεφαλικά επεισόδια και οι καρδιακές προσβολές. Για τη δημιουργία κυκλικών πεπτιδίων που μπορούν να στοχεύουν τη θρομβίνη και είναι επαρκώς σταθερά, οι επιστήμονες ανέπτυξαν μια στρατηγική συνδυαστικής σύνθεσης δύο βημάτων για τη σύνθεση μιας τεράστιας βιβλιοθήκης κυκλικών πεπτιδίων με δεσμούς θειοαιθέρα, οι οποίοι ενισχύουν τη μεταβολική τους σταθερότητα όταν λαμβάνονται από το στόμα.
"Καταφέραμε τώρα να δημιουργήσουμε κυκλικά πεπτίδια που δεσμεύονται σε έναν στόχο ασθένειας της επιλογής μας και μπορούν επίσης να χορηγηθούν από το στόμα", λέει ο Heinis. "Για το σκοπό αυτό, αναπτύξαμε μια νέα μέθοδο στην οποία χιλιάδες μικρά κυκλικά πεπτίδια με τυχαίες αλληλουχίες συντίθενται χημικά σε νανοκλίμακα και εξετάζονται σε μια διαδικασία υψηλής απόδοσης".
Δύο βήματα, ένα δοχείο
Η νέα διαδικασία της μεθόδου περιλαμβάνει δύο στάδια και λαμβάνει χώρα στο ίδιο αντιδραστικό δοχείο, ένα χαρακτηριστικό που οι χημικοί αποκαλούν "one pot".
Το πρώτο βήμα είναι η σύνθεση γραμμικών πεπτιδίων, τα οποία στη συνέχεια υποβάλλονται σε μια χημική διαδικασία σχηματισμού μιας δομής που μοιάζει με δακτύλιο - με τεχνικούς όρους, "κυκλοποιούνται". Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση "διηλεκτροφιλικών συνδέσμων" - χημικές ενώσεις που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση δύο μοριακών ομάδων μεταξύ τους - για τη δημιουργία σταθερών θειοενωτικών δεσμών. Στη δεύτερη φάση, τα κυκλοποιημένα πεπτίδια υφίστανται ακυλίωση, μια διαδικασία που συνδέει καρβοξυλικά οξέα σε αυτά, διαφοροποιώντας περαιτέρω τη μοριακή τους δομή.
Η τεχνική εξαλείφει την ανάγκη για ενδιάμεσα στάδια καθαρισμού, επιτρέποντας τον έλεγχο υψηλής απόδοσης απευθείας στις πλάκες σύνθεσης, συνδυάζοντας τη σύνθεση και τον έλεγχο χιλιάδων πεπτιδίων για τον εντοπισμό υποψηφίων με υψηλή συγγένεια για συγκεκριμένους στόχους ασθενειών - στην προκειμένη περίπτωση, τη θρομβίνη. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο αυτή, ο διδακτορικός φοιτητής που ηγήθηκε του προγράμματος, Manuel Merz, κατάφερε να δημιουργήσει μια ολοκληρωμένη βιβλιοθήκη 8.448 κυκλικών πεπτιδίων με μέση μοριακή μάζα περίπου 650 Daltons (Da), μόνο λίγο πάνω από το μέγιστο όριο των 500 Da που συνιστάται για μικρά μόρια που διατίθενται από το στόμα. Τα κυκλικά πεπτίδια παρουσίασαν επίσης υψηλή συγγένεια με τη θρομβίνη.
Όταν δοκιμάστηκαν σε αρουραίους, τα πεπτίδια παρουσίασαν βιοδιαθεσιμότητα από το στόμα έως και 18%, πράγμα που σημαίνει ότι όταν το φάρμακο κυκλικού πεπτιδίου λαμβάνεται από το στόμα, το 18% αυτού εισέρχεται επιτυχώς στην κυκλοφορία του αίματος και έχει θεραπευτικό αποτέλεσμα. Λαμβάνοντας υπόψη ότι τα κυκλικά πεπτίδια που χορηγούνται από το στόμα παρουσιάζουν γενικά βιοδιαθεσιμότητα κάτω του 2%, η αύξηση του αριθμού αυτού στο 18% αποτελεί σημαντική πρόοδο για τα φάρμακα της κατηγορίας των βιολογικών φαρμάκων - στα οποία περιλαμβάνονται τα πεπτίδια.
Καθορισμός στόχων
Επιτρέποντας τη διάθεση κυκλικών πεπτιδίων από το στόμα, η ομάδα άνοιξε δυνατότητες για τη θεραπεία μιας σειράς ασθενειών που ήταν δύσκολο να αντιμετωπιστούν με συμβατικά φάρμακα από το στόμα. Η ευελιξία της μεθόδου σημαίνει ότι μπορεί να προσαρμοστεί για να στοχεύσει ένα ευρύ φάσμα πρωτεϊνών, οδηγώντας ενδεχομένως σε ανακαλύψεις σε τομείς όπου οι ιατρικές ανάγκες είναι προς το παρόν ανεκπλήρωτες.
"Για να εφαρμοστεί η μέθοδος σε πιο δύσκολους στόχους ασθενειών, όπως οι αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-πρωτεΐνης, θα πρέπει πιθανότατα να συντεθούν και να μελετηθούν μεγαλύτερες βιβλιοθήκες", λέει ο Manuel Merz. "Με την αυτοματοποίηση περαιτέρω βημάτων των μεθόδων, βιβλιοθήκες με περισσότερα από ένα εκατομμύριο μόρια φαίνεται να είναι εφικτές".
Σε επόμενο βήμα, οι ερευνητές θα στοχεύσουν σε διάφορους στόχους ενδοκυτταρικής αλληλεπίδρασης πρωτεΐνης-πρωτεΐνης για τους οποίους ήταν δύσκολο να αναπτυχθούν αναστολείς με βάση κλασικά μικρά μόρια. Είναι βέβαιοι ότι μπορούν να αναπτυχθούν κυκλικά πεπτίδια που μπορούν να εφαρμοστούν από το στόμα τουλάχιστον για ορισμένα από αυτά.