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 Эстер и Гарольд Э. Профессор по развитию карьеры Эдгертона на кафедре химического машиностроения. "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 линиях восприимчивых раковых клеток.
Их исследования опубликованы в журнале Cell Chemical Biology. Инин Хао и Трой Ф. Лэнгфорд – первые соавторы. Другие участники – Сун Джин Мун, аспирантка кафедры химического машиностроения Кристен А. Эллер, работавший над проектом во время учебы, и Сайкс.
"Наша работа помогает проложить путь к целенаправленному окислителю на основе окислителя," говорит Хао, которая заканчивает докторскую в области химического машиностроения. "Эти исследования двигают нас в правильном направлении для эффективного использования лекарств для лечения разных пациентов – идея, лежащая в основе персонализированной медицины," – добавляет Лэнгфорд, ныне сотрудник компании Cowen, Inc. по биотехнологиям.
Запрограммированная гибель клеток
Перекись водорода принадлежит к семейству молекул, называемых реактивными формами кислорода (АФК), которые участвуют в метаболизме кислорода. "Они известны как молекулы Джекилла и Хайда," говорит Сайкс. "Они являются частью всего, что нам нужно для жизни – забирают кислород из воздуха, превращают его в воду, генерируют энергию для клеток, – но бесконтрольные концентрации ROS в течение слишком долгого времени могут иметь негативные последствия, такие как вмешательство в сигнальные пути внутри клетки."
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 метаболический баланс сложно, и именно эту слабость исследователи надеются использовать в поисках новых методов лечения рака.
"Идея в том, что если мы выборочно повысим уровень перекиси водорода, эти стрессовые раковые клетки умрут первыми," говорит Хао.
"Мы ищем молекулярные уязвимости, которые будут иметь большее влияние на рак, чем на здоровые ткани, которые его окружают," добавляет Сайкс.
Для противоракового арсенала появились лекарства, которые нацелены на действие этих механизмов 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 сенсор."
Сайкс принял сознательное решение принимать соединения, которые были "уже одобрен FDA и безопасен для людей," она говорит, в том числе некоторые, 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.
Загорается
Во время работы с экранами исследователи искали красную флуоресценцию зонда, которая сигнализировала об увеличении уровня перекиси водорода после того, как лекарства взаимодействовали с клетками. Такие хиты 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 конкретных раковых клетках, но и 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 видов рака."
Еще один заголовок из их исследования: главный противораковый препарат с репутацией повышающего уровень оксидантов оказался провалом на их экране. "Цисплатин не индуцировал перекись водорода," говорит Сайкс. "Может быть, он индуцирует другие оксиданты, но не тот, который управляет реакциями смерти в подмножестве раковых заболеваний."
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. "Очень эффективно убивает определенные клеточные линии," Хао говорит, "и мы хотели бы понять это лучше, 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."