Hvězdy, sasanky a léky

Článek do soutěže „bio/mol/text“: Moderní medicínu si nelze představit bez antibiotik, protilátek a sekundárních rostlinných metabolitů. Ale to jsou všechno poměrně standardní připojení, která se používají již dlouhou dobu. Není čas začít hledat nová řešení starých problémů v takové pokladnici biodiverzity a nejneobvyklejších tvorů a interakcí, jako je oceán? Možná právě v jeho modrých hlubinách nalezne lidstvo odpovědi na nejpalčivější otázky, kterým moderní medicína čelí.

Soutěž „bio/mol/text“-2018

Tato práce byla publikována v nominaci Biopharmaceuticals soutěže Bio/Mol/Text 2018. Partnerem nominace je lékařská společnost Invitro. Generálním sponzorem soutěže je společnost Diaem: největší dodavatel zařízení, činidel a spotřebního materiálu pro biologický výzkum a výrobu. Sponzorem Ceny diváků bylo lékařské genetické centrum Genotek. „Knižním“ sponzorem soutěže je „Alpina Non-Fiction“

Predátor a kořist?

Někde daleko na severu, pod ledem Severního ledového oceánu, kde teploty často klesají pod nulu, probíhá tichý lov. Hvězdice Dermasterias imbricata hledá svou kořist: jiné hvězdice, ježovky, okurky, mořské ohrady a hydroidní polypy. Nedostatečně chráněné nebo rychlé oběti nevyhnutelně umírají v tlamě tohoto predátora. Všechny až na jednu mořskou sasanku. Procesem přirozeného výběru získala schopnost, která jí umožňuje efektivně uniknout predátorovi. Jak? Více o tom později, pro začátek (Drozdovův hlas) pojďme tyto úžasné tvory lépe poznat.

Mořské sasanky nebo aktinie,

oddělení mořských koelenterátů z třídy korálových polypů. Tato většinou sedavá zvířata postrádají minerální kostru. K ochraně před predátory a zároveň k útoku na kořist používají sasanky dlouhá lovecká chapadla pokrytá bodavými buňkami. Mořské sasanky jsou zajímavé, protože dokážou vytvářet symbiotické vztahy jak s bezobratlými (jako jsou krabi poustevníci), tak s obratlovci, jejichž nápadným příkladem je klaun (amfiprion), znázorněné na obrázku 1. Tolerance symbiontů k nervově paralytickému jedu bodavých buněk mořských sasanek představuje širokou oblast pro studium biochemických procesů v jejich organismech.

Zajímavostí je také neobvyklý zástupce mořských sasanek, který přešel na hrabavý životní styl – Nematostella vectensis (obr. 2). Sasanky jsou mimo jiné jednou z mála skupin bezobratlých, u kterých se fenomén fluorescence vyskytuje v takovém množství (obr. 3). Právě z nich byly v 1990. letech izolovány hlavní fluorescenční proteiny (poprvé objevené u medúz [1–3]), které se nyní získávají z transformovaných bakterií.

Hvězdice –

třída bezobratlých ostnokožcového typu. Konkrétně Dermasterias imbricata (obr. 4) patří do čeledi Asteropseidae, jehož všichni zástupci mají širokou základnu a pět krátkých ramen. Stejně jako všichni ostnokožci jsou hvězdice deuterostomy, díky čemuž jsou podobné nám obratlovcům. Deuterostom znamená, že během embryonálního vývoje blastopor (první otvor, který se objeví v blastule), také tzv primární ústase stává řitním otvorem a lumen embryonálního střeva (sekundární ústa) se stává otvorem úst. Je třeba také poznamenat, že ústní otvor ostnokožců je umístěn dole, což je vzhledem k jejich způsobu života celkem logické: plazte se po dně a snězte každého, na koho narazíte, a anální otvor je „nahoře“, ve středu těla, nad ústy. Kromě takto neobvykle strukturovaného trávicího systému mají i ostnokožci ambulakrální systém, jedinečný mezi živými světy. Ve skutečnosti se jedná o hydraulickou náhradu svalového systému, který u těchto zvířat chybí (jeho struktura je znázorněna na obrázku 5). Skládá se z kanálků, kontraktilních ampulí a přísavek a umožňuje zvířatům pohybovat se pomalu, ale docela efektivně po mořském dně.

Srovnání sil

Takže v červeném rohu prstenu je hvězdice. Dermestria imbricata, divoký predátor bentosu (tedy spodní komunity), požírající vše, co je menší než on sám a nemůže se schovat. V modrém rohu prstenu je mořská sasanka Stomphia coccinea, na první pohled se příliš neliší od svých protějšků z teplejších moří. Ale jakmile se hvězdice přiblíží k tomuto zvířeti, stomie se doslova vznese vzhůru a ohýbáním se odplave pryč, unášena proudem daleko od nebezpečného predátora (cm. video). Hvězdě nezbylo nic. Zajímavé je, že strukturní jádro molekuly zahrnuje tetrahydroisochinolin. Látka se používá v protirakovinných lécích a lécích na nemoci, jako je astma. Později, v roce 2015, se skupině vědců pod vedením Raymonda Andersena ze stejné University of British Columbia podařilo prokázat, že imbricatin funguje také jako silné protinádorové činidlo [7]. Tým vedený Andersenem hledá a studuje „lékařskou“ aktivitu látek vylučovaných přisedlými mořskými bezobratlími, jako jsou mořské sasanky a houby. Pomocí vysoce přesných screeningových metod tým vědců testuje různé molekuly, aby zjistil, zda lze některou z nich použít v medicíně. Zatímco někteří hledají, jiní se snaží syntetizovat in vitro. Kanadský výzkumník Inhee Cho se tedy zaměřuje na chemickou syntézu této látky [8]. Podobnost molekuly jádra se strukturou některých protinádorových léků přiměla vědce ke studiu cesty syntézy, která obchází nákladnou a obtížnou izolaci látky z přírodního zdroje (hvězdice).

Léčivá rozmanitost oceánu

Hvězdice však nejsou jedinými zástupci mořské fauny, jejichž metabolity se využívají v lékařství. Plášťovci, houby, měkkýši, červi a dokonce i ryby poskytují širokou škálu látek s potenciálem léčit více než jen rakovinu. Všechny nadějné léky lze rozdělit do čtyř skupin podle toho, v jaké fázi vývoje se nacházejí. Dále se podíváme na nejzajímavější látky z každé skupiny, izolované z mořských organismů.

Klinické studie

1. první (já) – na zdravých dobrovolnících – je určen k určení hlavních charakteristik léku, jako je farmakokinetika a farmakodynamika, snášenlivost a bezpečnost.
2. druhý (II) — se provádí na skupině pacientů se specifickým onemocněním pomocí placeba. Účelem druhé fáze zkoušek je otestovat účinnost, bezpečnost a najít terapeutickou dávku léku.
3. Třetí (III) – postihuje velké vzorky pacientů a může mít mezinárodní charakter. Navíc se často jedná o randomizovanou kontrolovanou studii, kdy jsou subjekty náhodně rozděleny do kontrolní a experimentální skupiny. Studují se všechny aspekty léčby, včetně poměru riziko/přínos. Na základě výsledků této fáze se rozhodne o schválení léku.
4. Finále — se provádí po schválení léku. Zaměřeno na nalezení rozdílů v působení tohoto léku od těch, které jsou již na trhu a hledání dříve neznámých vedlejších účinků.

Více si o tom můžete přečíst ve speciálním projektu “Klinické studie“ na „Biomolekula“ [9], [10].

Většina všech léků, které jsou v současnosti v první fázi klinických studií, je konjugátem protilátky namířené proti cíli v nádorových buňkách a účinné látky [11]. Protilátka zavedená do těla pacienta se specificky váže na povrchový marker nebo vnitřní cíl rakovinné buňky (a dokonce i mikrotubuly cytoskeletu buňky mohou fungovat jako takový cíl!). V druhém případě se lékaři a výzkumníci potýkají s problémem dodání protilátek do nádorových buněk, který se často řeší pomocí virových vektorů [12]. Po navázání na povrchový cíl je komplex „vstříknut“ do rakovinné buňky a cytotoxin spojený s protilátkou disulfidovým můstkem se uvolní. Takové konjugáty vykazovaly vysokou cytotoxicitu pro buňky v kultuře – koncentrace 10 až 40 pmol představuje 50% inhibiční dávku [13]. Navíc mají nízkou systémovou toxicitu u myší, což také činí tento typ léčiv slibným pro další studium a použití.

Mnoho léků v klinických studiích fáze II jsou také konjugáty protilátek. Mezi celou skupinou však vynikají dva, o kterých bude řeč níže.

Bryostatin a Alzheimerova choroba

Látka bryostatin patří do skupiny makrolidů a byl izolován v 60. letech minulého století z mechorostů Bugula neritina. Cílem této látky v buňkách je protein kináza-C, je však také schopen vyvolat práci a-sekretáza. Na druhé straně tato sekretáza soutěží s γ- и β-sekretáza pro β-amyloidový prekurzorový protein – APP (Amiloidní prekurzorový protein). Pokud je v případě γ- a β-sekretázy posttranslačním zpracováním hydrolýza APP s tvorbou β-amyloidu, který v nadbytku tvoří amyloidní plaky, pak v případě α-sekretázy dochází ke zpracování na membráně neuronů a nevede k syntéze β-amyloidu. Zvýšená aktivita α-sekretázy tak vede ke snížení uvolňování β-amyloidu a snížení rizika rozvoje onemocnění [14].

Autor tohoto článku vychází z mírně zastaralé myšlenky, že primární příčinou Alzheimerovy choroby je hromadění β-amyloidních plaků, které mají údajně toxický účinek na neurony v mozku a vedou k stařecké demenci. Ve skutečnosti četné klinické studie léků zaměřených na „vymýcení“ β-amyloidu žalostně selhaly, stály farmaceutické společnosti miliardy dolarů a několik desítek ztracených let [15–17]. Zdá se, že β-amyloid může sloužit pouze jako marker Alzheimerovy choroby (a ne její příčina) a i tak je pozdě. A samotný β-amyloid může být ve skutečnosti součástí vrozené imunity [18]. – Ed.

DMXBA a psychotické poruchy

Izolovaný od nemerťanů anabazein je stimulátorem širokého spektra nikotinových acetylcholinových receptorů, zejména neuromuskulárních. Synteticky vyrobené 3-(2,4-dimethoxybenzyliden)anabasein (nebo DMXBA) zlepšuje paměť u experimentálních zvířat a pacientů a v současnosti se testuje jeho potenciál zlepšit kognitivní problémy spojené se schizofrenií, Alzheimerovou chorobou a Parkinsonovou chorobou [19]. Struktura DMXBA, podobná anabaseinu a nikotinu, je znázorněna na obrázku 7. DMXBA je první látkou, která se selektivně váže specificky na α7 receptory, a také první látkou, která v současné době prochází klinickými testy.

Protinádorové léky jsou ve fázi III klinických studií (podle údajů Midwestern University [11]), které zahrnují již zmíněné konjugáty protilátka-cytotoxin, alkaloid blokující RNA polymerázu II a látku s nízkou molekulovou hmotností. pinabulin, izolované z mořské houby. Na tomto pozadí stojí analgetikum používané pro chronickou bolest, tektin. Biologové to však vědí lépe jako tetrodotoxin [20]. Ano, ten samý jed z ryby fugu, kvůli kterému jsou její ostny (pro tyto ostny ji známe lépe jako pufferfish nebo dikobraz, zatímco vědecký název je pufferfish), játra a gonády smrtelně jedovaté.

A to je právě ten případ, kdy malé dávky jedu působí léčivě. Faktem je, že změny v expresi a/nebo fungování některých napěťově citlivých sodíkových kanálů vedou v některých případech k výskytu chronické bolesti [21]. Tetrodotoxin má velmi vysokou afinitu k těmto kanálům, blokuje tok iontů kanálem jako korek a blokuje nervový přenos.

Z léků již schválených FDA (Food and Drug Administration, US Food and Drug Administration), na které bychom se rádi zaměřili vidarabin. Látka byla izolována z houby Tectitethya crypta a patří do skupiny nukleosidů. A používá se k boji. virus herpes simplex! Vidarabin trifosfát, který má strukturní vzorec extrémně podobný adeninu (obr. 8), je inkorporován do rostoucího řetězce DNA virovou polymerázou a v tomto okamžiku je syntéza přerušena, protože fosfodiesterová vazba nemůže být syntetizována v důsledku sterických interakcí.

Podobná látka – cytarabin — také izolovaný z houby a patří k nukleosidům. Jeho cílem v buňkách je DNA polymeráza díky stejné podobnosti s přirozeným nukleotidem buňky – cytosinem (obr. 9). Cytarabin se používá v chemoterapii akutní lymfoidní a myeloidní leukémie, chronické myeloidní leukémie a non-Hodgkinova lymfomu.

Pár slov na závěr

Biologické molekuly nabízejí obrovské možnosti pro aplikaci nových typů terapie, včetně rakoviny. Mnoho léků je nyní vytvářeno na základě sekundárních metabolitů rostlin a protilátky z celé řady zvířat se používají k léčbě autoimunitních onemocnění a rakoviny [22], [23]. Proč by tedy lidstvo nemohlo obrátit svůj pohled k oceánu, který je tak málo prozkoumán? Možná, že v tomto skladišti přírody budou řešení mnoha moderních lékařských problémů. Vždyť ještě před půl stoletím nikdo netušil, že metabolit, který slouží jako signál pro plovoucí sasanku k útěku, by se mohl stát slibnou látkou pro medicínu budoucnosti.

Literatura

1. Fluorescenční Nobelova cena za chemii;
2. Fluorescenční proteiny: rozmanitější, než jste si mysleli!
3. Fluorescenční reportéry a jejich molekulární reporty;
4. Charlesi. Pathirana, Raymond J. Andersen. (1986). Imbricatin, neobvyklý benzyltetrahydroisochinolinový alkaloid izolovaný z hvězdice Dermasterias imbricata. J. Am. Chem. Soc.. 1088288-8289;
5. Jak voní rostliny?
6. 12 metod na obrázcích: proteomika;
7. Ho K. (2015). Útěk z moře inspiruje lék na rakovinu. Research2Reality;
8. Cho I. (2008). Studie celkové syntézy a strukturně-aktivity nového protirakovinného léku založeného na přírodním produktu, imbricatinu. Nadace Michaela Smithe pro výzkum zdraví;
9. Ze světa na provázku: jak se spojily složky klinického hodnocení;
10. Cesta k tisícům lékáren začíná jednou molekulou;
11. Mořská léčiva: klinický kanál. (2018). Středozápadní univerzita;
12. Genová terapie proti rakovině;
13. Chari RV, Martell BA, Gross JL, Cook SB, Shah SA, Blättler WA a kol. (1992). Imunokonjugáty obsahující nové maytansinoidy: slibné protirakovinné léky. Cancer Res.52, 127-131;
14. Anisimov E.D. (2016). Farmakologické perspektivy léčby Alzheimerovy choroby. Vědecká obec studentů 21. století. Přírodní vědy: sbírka. Umění. podle mat. Mezinárodní XLI stud. vědecký a praktický conf.5;
15. Na troskách paměti: Současnost a budoucnost Alzheimerovy choroby;
16. β-amyloid: neviditelný nepřítel nebo tajný obránce? Zamotaná cesta Alzheimerovy choroby;
17. Alzheimerova choroba: Gen, do kterého jsem blázen;
18. Je možné, že β-amyloid u Alzheimerovy choroby je součástí vrozené imunity;
19. William Kem, Ferenc Soti, Kristin Wildeboer, Susan LeFrancois, Kelly MacDougall a další. kol.. (2006). Nemertine Toxin Anabasein a jeho derivát DMXBA (GTS-21): Chemické a farmakologické vlastnosti. Mořské drogy. 4255-273;
20. Tetrodotoxin – Příběh elegantního zabijáka;
21. Francisco Rafael Nieto, Enrique José Cobos, Miguel Angel Tejada, Cristina Sánchez-Fernández, Rafael González-Cano, Cruz Miguel Cendán. (2012). Tetrodotoxin (TTX) jako terapeutické činidlo proti bolesti. Mořské drogy. 10281-305;
22. Neobvyklá zvířata: imunologické pohádky;
23. Vyléčí rakovinu. velbloud!;
24. Derek J Štefánik, Lauren E Friedman, John R Finnerty. (2013). Sběr, odchov, tření a indukce regenerace sasanky hvězdice, Nematostella vectensis. Nat Protoc. 8, 916-923.

Komentáře

Podpořte nás ve věci vzdělávání

Biomolecule vypráví více o biologii a medicíně – v současnosti máme na našem webu několik tisíc článků. Pokud se vám naše stránky líbí a chcete, aby fungovaly i nadále, podpořte nás přiměřenou částkou – jednorázově nebo měsíčně. Preferuji měsíční platby Podpora

Použití materiálů stránek je povoleno pouze v případě, že existuje aktivní odkaz na zdroj. Všechna práva k obrázkům a textům náleží jejich autorům.

• O projektu
• autoři
• Pobočky
• Informační partneři
• Pomozte projektu
• Napište nám
• Zásady ochrany osobních údajů