Ψάχνοντας για φάρμακα στις… «κολλημένες» πρωτεΐνες

Η αποτυχία των πρωτεϊνών να διπλωθούν φυσικά στον χώρο επιφέρει και το «πακετάρισμά» (συσσωμάτωση) τους που εκφράζεται παθολογικά. Οι ερευνητές τώρα επιδίδονται στο κυνήγι θεραπευτικών λύσεων για ασθένειες συσσωμάτωσης χρησιμοποιώντας τις εγγενείς ιδιότητες των ίδιων των συσσωματωμάτων.

Έχει περάσει περισσότερο από ένας αιώνας από τότε που για πρώτη φορά εντοπίστηκαν παθολογικά πρωτεϊνικά «πακέτα» στους εγκεφάλους ασθενών με νευροεκφυλιστικές ασθένειες και όχι μόνο. Αρκετές από αυτές τις ασθένειες συνδέθηκαν με την αδυναμία των πρωτεϊνών να αναδιπλωθούν σωστά ή να διατηρήσουν την φυσική

δομή τους στο χώρο, η οποία τις καθιστά μη-λειτουργικές και ταυτόχρονα επιρρεπείς στη συσσώρευσή/συσσωμάτωσή τους σε διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου. Οι ερευνητές για να κατανοήσουν αυτές τις νόσους ψάχνουν τώρα «εκεί που είναι το φως», δηλαδή στη συσσωμάτωση αυτή καθαυτή.

Το πρόβλημα της αναδίπλωσης και συσσωμάτωσης πρωτεϊνών βρίσκεται αυτή τη στιγμή στον πυρήνα της σύγχρονης βιολογίας. Ο ερευνητής στο εργαστήριο Switch, στο KU Leuven, VIB Centre of Brain and Disease Research στο Βέλγιο, Νίκος Λούρος συνδυάζει μεθόδους βιοφυσικής, βιοπληροφορικής και δομικής βιολογίας για να μελετήσει πρωτεΐνες που αποτυγχάνουν να διπλωθούν φυσικά στον χώρο δημιουργώντας συσσωματώματα ως μια παθολογική διεργασία που σχετίζεται με μία τεράστια κατηγορία ασθενειών όπως η νόσος Πάρκινσον και η Αλτσχάιμερ, ο διαβήτης τύπου ΙΙ, η αθηροσκλήρωση, ακόμα και συγκεκριμένες μορφές καρκίνου, που υπολογίζεται να επηρεάσουν συνολικά πάνω από 500 εκατομμύρια ανθρώπους έως το 2030.

«Περισσότερες από 50 ανθρώπινες ασθένειες έχουν ως κοινό χαρακτηριστικό την προβληματική αναδίπλωση συγκεκριμένων πρωτεϊνών ή αλλιώς, το “τσαλάκωμά” τους μέσα στον οργανισμό μας. Όταν αυτές οι πρωτεΐνες “τσαλακώνονται” αποκαλύπτουν υδρόφοβες επιφάνειες που συνήθως είναι θαμμένες εσωτερικά. Αυτές οι υδρόφοβες επιφάνειες, για να “προστατεύουν” από το υδάτινο κυτταρικό περιβάλλον τείνουν να προσκολλώνται μεταξύ τους, στοιχίζοντας τις πρωτεΐνες την μία πάνω στην άλλη και δημιουργώντας τελικά μοριακά πρωτεϊνικά “πακέτα” (συσσωματώματα). Αυτά τα “πακέτα” αρχικά εμφανίζουν μικρό μέγεθος και απροσδιόριστο σχήμα (ολιγομερή) και αργότερα οργανώνονται σε γραμμικά συσσωματώματα, γνωστά ως αμυλοειδή ινίδια», εξηγεί ο Δρ. Λούρος.

Κάτι τέτοιο συμβαίνει στη νόσο Αλτσχάιμερ, όπου παρατηρείται αυτο-συσσωμάτωση δύο διαφορετικών πρωτεϊνικών μορίων, του β-αμυλοειδούς πεπτιδίου και της πρωτεΐνης tau. Μελέτες των τελευταίων ετών έδειξαν ότι τα πρωτεϊνικά αυτά «πακέτα» έχουν την ικανότητα να απλώνονται, πολλές φορές από κύτταρο σε κύτταρο, όπως στην περίπτωση της tau, κατά μήκος συνδεδεμένων οδών στον εγκέφαλο, οδηγώντας σταδιακά σε νευροεκφυλισμό.

Η τεχνολογία «ξεκλειδώνει» την οπτική μας για τα αμυλοειδή

Σύμφωνα με τον Έλληνα επιστήμονα, η πρόοδος σε καινοτόμους μεθόδους, όπως η κρυογονική-ηλεκτρονική μικροσκοπία και η χρήση των «omics» (γονιδιωματική, μεταγραφωματική, μεταβολομική, πρωτεομική) έχει οδηγήσει σε μια βαθύτερη κατανόηση των αμυλοειδών: «Χάρη στην πρώτη προσδιορίσαμε για πρώτη φορά την τρισδιάστατη δομή εκατοντάδων διαφορετικών αμυλοειδών ινιδίων και διαπιστώσαμε πως συγκεκριμένες πρωτεΐνες έχουν την ικανότητα να σχηματίζουν ανόμοια ινίδια που οδηγούν σε διαφορετικές ασθένειες. «Η πρωτεΐνη tau μπορεί να σχηματίσει ινίδια με περισσότερες από 10 διαφορετικές δομές, τα οποία εντοπίζονται στους εγκεφάλους ασθενών με εντελώς ασύνδετες μεταξύ τους παθολογικές καταστάσεις».

Αντίστοιχα με τη χρήση των «ομικών» τεχνολογιών, που επιτρέπουν τον καθολικό προσδιορισμό του γενετικού και πρωτεϊνικού περιεχομένου σε επίπεδο μοναδικών κυττάρων, διαπιστώσαμε πως διαφορετικού τύπου κύτταρα αντιδρούν ποικιλοτρόπως -άλλοτε γίνονται ευπαθή και άλλοτε ανθεκτικά-στις αμυλοειδείς εναποθέσεις.

ΦΩΤΟ: ku leuven center for brain & disease research

«Για χρόνια εστιάζαμε στον προσδιορισμό και τις ιδιότητες των αμυλοειδών ινιδίων. Τώρα, αφενός γνωρίζουμε το πως μοιάζουν αυτά στον χώρο και αφετέρου, αντιληφθήκαμε πως το ενδιαφέρον βρίσκεται στην αλληλεπίδραση των αμυλοειδών με άλλα κυτταρικά μόρια», συμπληρώνει ο ερευνητής.

Όταν η βιολογία συναντά το «οριγκάμι»

Ο Δρ. Λούρος ξεκίνησε αντίστροφα την έρευνά του, ως προπτυχιακός φοιτητής ακόμη στην Ελλάδα, αποκαλύπτοντας πως τα ανθρώπινα ωοκύτταρα επικαλύπτονται από ένα λειτουργικό και προστατευτικό στρώμα αμυλοειδών ινιδίων. Αυτή ήταν μια ακόμη περίπτωση-στην περιορισμένη τότε λίστα- όπου οι οργανισμοί εκμεταλλεύονται θετικά τον σχηματισμό αμυλοειδών ινιδίων για να εξυπηρετήσουν πολύπλοκες βιολογικές διεργασίες. Ακολούθως, μελέτησε μικρά δομικά μοτίβα (τμήματα) τα οποία παγιδεύουν τις πρωτεΐνες στην αμυλοειδογόνο κατάσταση προκαλώντας διάφορες παθήσεις.

«Εντοπίζοντας τα συγκεκριμένα τμήματα κάναμε ένα βήμα πιο κοντά στην ρίζα του προβλήματος και στην στοχευμένη ανάπτυξη θεραπευτικών παραγόντων» επισημαίνει ο ίδιος και συνεχίζει: «Στο εργαστήριο στο Βέλγιο μελετήσαμε την επίδραση αυτών των τμημάτων στο ανθρώπινο πρωτέωμα (σύνολο των πρωτεϊνών) και διαπιστώσαμε ότι σχεδόν κάθε ανθρώπινη πρωτεΐνη διαθέτει μια τουλάχιστον τέτοια αλληλουχία, που της προσδίδει επιρρέπεια στο “πακετάρισμα” υπό από κατάλληλες συνθήκες. Αυτό είναι ένα εύρημα που αντιτίθεται στη λογική της φυσικής επιλογής».

Σύμφωνα με τον ερευνητή, ένας λόγος που η ίδια η φύση δεν προσπαθεί να απομακρύνει αυτά τα τμήματα από τις πρωτεϊνικές αλληλουχίες είναι επειδή συνεισφέρουν ταυτόχρονα στη φυσική αναδίπλωση των πρωτεϊνών, η οποία είναι σημαντική για τη λειτουργία τους και επομένως είναι πολύ δύσκολο να απαλειφθούν χωρίς να καταστραφούν οι πρωτεΐνες. Και κάπου εδώ ταιριάζει η τέχνη του «οριγκάμι».

«Ανακαλύψαμε πως τα τμήματα αυτά λειτουργούν ως «μοριακοί συνδετήρες» που σταθεροποιούν διαφορετικούς τύπους αμυλοειδών ινιδίων. Ο τρόπος με τον οποίο τα τμήματα αυτά αλληλεπιδρούν με την υπόλοιπη πρωτεΐνη καθορίζει και τον σχηματισμό διαφορετικών δομών. Κάτι σαν το οριγκάμι δηλαδή, όπου αν το ίδιο κομμάτι χαρτί διπλωθεί με διαφορετικό τρόπο δημιουργεί ξεχωριστά σχήματα. Μόνο που εδώ αυτό συμβαίνει με πρωτεϊνικά μόρια στον οργανισμό μας».

Πέρα από τη συσσωμάτωση

Η πηγή της τοξικότητας της εναπόθεσης αμυλοειδών σε ιστούς και όργανα παραμένει ωστόσο άγνωστη και από ό,τι φαίνεται, η γνώση του μηχανισμού συσσωμάτωσης, στην οποία ξόδεψαν πολύ χρόνο τα τελευταία χρόνια οι επιστήμονες, δεν επαρκεί για να προχωρήσουν σε θεραπείες. Και αυτό γιατί υπάρχουν συγκεκριμένοι τύποι κυττάρων που εμφανίζουν ευαισθησία στην παρουσία αμυλοειδών ινιδίων (όπως π.χ. στην Αλτσχάιμερ).

Προφανώς είναι απαραίτητη και η αρωγή άλλων παραγόντων. Έτσι οι ερευνητές του εργαστηρίου Switch υπέθεσαν ότι τα αμυλοειδή πιθανώς αλληλεπιδρούν με άλλες πρωτεΐνες των «ευαίσθητων» αυτών κυττάρων και προκαλούν την ευπάθεια τους. Έτσι η λογική ήταν να ξαναψάξουν στα ίδια μοτίβα που συνιστούν τους «μοριακούς συνδετήρες». Το ερώτημα ήταν αν τα αμυλοειδή μπορούν να κολλήσουν και σε τμήματα “τρίτων” πρωτεϊνών που δεν παρουσιάζουν τάση συσσωμάτωσης, προκαλώντας έτσι απώλεια της λειτουργικότητά τους και οδηγώντας σε παθολογικές καταστάσεις.

ΦΩΤΟ: Switch Lab

«Διαπιστώσαμε ότι ένας σημαντικός αριθμός λειτουργικών πρωτεϊνών σταδιακά παγιδεύεται μέσω τέτοιων αλληλεπιδράσεων στις εναποθέσεις στον εγκέφαλο ασθενών με την νόσο του Αλτσχάιμερ, κάτι που πιθανότατα εξηγεί την σταδιακή πρόοδο των συμπτωμάτων της ασθένειας. Αυτές περιγράφονται ως ετερόλογες αλληλεπιδράσεις αμυλοειδών. Ένα παράδειγμα αποτελεί η πρωτεΐνη μεδίνη για την οποία λίγα ήταν γνωστά. Ξέραμε ωστόσο ότι στο 97% των ανθρώπων άνω των 50 ετών εναποτίθεται στα τοιχώματα της καρδιακής αορτής. Σε συνεργασία με ερευνητικές ομάδες του ινστιτούτου DZNE στο Τύμπιγκεν της Γερμανίας, ανακαλύψαμε πως το ίδιο μόριο προκαλεί τη συσσωμάτωση του β-αμυλoειδούς πεπτιδίου δημιουργώντας αγγειοπάθεια στον εγκέφαλο. Μάλιστα αυτή η έρευνά μας παρουσιάστηκε πρόσφατα στην επιθεώρηση Nature», περιγράφει ο Δρ. Λούρος.

Εξερευνώντας νέες φαρμακευτικές λύσεις κόντρα στο ρεύμα

Από τη στιγμή που μια πρωτεϊνική αλληλουχία μπορεί να προσκολληθεί με μεγάλη εξειδίκευση πάνω στο αμυλοειδές ινίδιο η απόλυτη λογική επιτάσσει τη εκμετάλλευσή της ως θεραπευτικό μόριο.
«Πάνω σε αυτή τη βάση μελετήσαμε συστηματικά τις ετερόλογες αυτές αλληλεπιδράσεις και δημιουργήσαμε ένα πρότυπο “μοριακό αλφάβητο” με το οποίο προβλέπουμε με υψηλή ακρίβεια αλληλουχίες που προσκολλώνται γερά στην επιφάνεια των αμυλοειδών ινιδίων. Χρησιμοποιώντας το αλφάβητο, μπορούμε πλέον με μεθόδους υπολογιστικής βιολογίας να αναλύσουμε την συμβατότητα χιλιάδων αλληλουχιών σε ελάχιστο χρόνο».

Με αυτή τη μέθοδο οι ερευνητές κατασκευάζουν συνθετικά τροποποιημένες αλληλουχίες που κολλάνε στην επιφάνεια των αμυλοειδών και μπλοκάρουν την περαιτέρω συσσωμάτωση. Έτσι προέκυψαν και δυο πατέντες για θεραπευτικά μόρια που θα προχωρήσουν μέσα από μια spin-off του VIB-KU Leuven, η οποία στήνεται τώρα.

«Έχουμε ήδη κατασκευάσει συνθετικά πεπτίδια που εξαλείφουν τόσο την συσσωμάτωση της πρωτεΐνης tau, όσο και τα συμπτώματα μείωσης νοητικής ικανότητας σε διαγονιδιακούς οργανισμούς-μοντέλα για την νόσο του Αλτσχάιμερ, όπως επίσης και πεπτίδια που μπλοκάρουν τον σχηματισμό βακτηριακών βιοϋμενίων, δομών που προσδίδουν την ιδιαίτερη ανθεκτικότητα των βακτηρίων στα κοινά αντιβιοτικά. Τα αποτελέσματα είναι πολύ ενθαρρυντικά και υποδεικνύουν πως ορισμένες φορές ακραίες προσεγγίσεις μπορούν να οδηγήσουν σε επιθυμητά αποτελέσματα» σχολιάζει ο ερευνητής, ο οποίος εργάζεται πάνω σε τέτοιου είδους ακραίες προσεγγίσεις.

ΦΩΤΟ: Κu leuven center for brain & disease research

«Η συγκεκριμένη ιδέα προέκυψε ως επέκταση μιας παλαιότερης τεχνολογίας που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο, όπου στην ίδια λογική, δημιουργήθηκαν συνθετικά ανάλογα των “μοριακών συνδετήρων” με στόχο την απενεργοποίηση πρωτεϊνών προκαλώντας τεχνητά τη συσσωμάτωσή τους. Με βάση αυτή την τεχνολογία ιδρύθηκε μια εταιρεία- τεχνοβλαστός, μέσω της οποίας συμμετείχα στην παραγωγή πεπτιδίων με αντικαρκινική, αντιβακτηριακή και αντιϊκή δράση. Ουσιαστικά δηλαδή δημιουργήσαμε πεπτίδια τα οποία στοχεύουν βακτηριακές πρωτεΐνες και σκοτώνουν τα βακτήρια που προκαλούν ισχυρές λοιμώξεις χωρίς να απειλούν τον ανθρώπινο οργανισμό (στοχεύουνται βακτηριακές πρωτεΐνες για τις οποίες δεν υπάρχουν οι αντίστοιχες αλληλουχίες στον άνθρωπο). Κάναμε ακριβώς το ίδιο επιτυχώς και για πρωτεΐνες ιών και συγκεκριμένα για τη γρίπη, τον ιό Ζίκα και τον κορωνοιό, αλλά και για μια πρωτεΐνη που προκαλεί τον σχηματισμό όγκων, την οποία καταστρέψαμε», δηλώνει ο Έλληνας ερευνητής.

Το αίνιγμα των αμυλοειδών στο ΕΙΕ

Για «οριγκάμι» βιολογικών μορίων και συγκεκριμένα για τα αμυλοειδή θα μιλήσει και στους ερευνητές του Εθνικού Ιδρύματος Ερευνών (ΕΙΕ) ο Δρ. Λούρος. Το σεμινάριο με τίτλο: “The amyloid origami conundrum: Implication to disease or a strategy for therapeutics?” (Το αίνιγμα των αμυλοειδών origami: Επίπτωση στις ασθένειες ή μια στρατηγική για θεραπεία;) που θα δώσει στις 30 Αυγούστου εντάσσεται στον κύκλο των επιστημονικών σεμιναρίων που υλοποιούνται στο πλαίσιο του έργου “Twin4Promis” Twinning for Excellence in Research, Training and Innovation in Protein Misfolding Diseases (αδελφοποίηση για την έρευνα, την κατάρτιση και την καινοτομία για ασθένειες που οφείλονται σε προβληματική αναδίπλωση πρωτεϊνών) με φορέα υποδοχής το ΕIE.

Προτού ο επιστήμονας αναχωρήσει για το UT Southwestern Medical Center στις ΗΠΑ όπου εκεί, ως Επίκουρος Καθηγητής πλέον, θα συνεχίσει την μελέτη των ετερόλογων αλληλεπιδράσεων αμυλοειδών, κάνει μια στάση στην Ελλάδα ως μέλος της διεθνούς ερευνητικής κοινοπραξίας που «τρέχει» το εμβληματικό αυτό ευρωπαϊκό έργο. Το “Twin4Promis”, με τη συμμετοχή ερευνητών διεθνούς κύρους, απορροφά 1,5 εκατομμύρια ευρώ του προγράμματος Horizon Europe της Ευρωπαϊκής Ένωσης για να διερευνήσει το πρωτεϊνικό “τσαλάκωμα” και να δώσει θεραπευτικές λύσεις για σοβαρές νόσους του παγκόσμιου πληθυσμού οι οποίες οφείλονται σε “τσαλακωμένες” και συσσωματωμένες πρωτεΐνες.

Αξίζει να σημειωθεί ότι οι συνεργάτες των ερευνητών του ΕΙΕ στο έργο είναι πραγματικά ηγέτες στο πεδίο έρευνας του μη κανονικού πρωτεϊνικού διπλώματος. Συγκεκριμένα πρόκειται για ερευνητές από το Κέντρο για τις Νόσους που αφορούν Αναδίπλωση Πρωτεϊνών (Centre for Misfolding Diseases) του Πανεπιστημίου Κέιμπριτζ στη Μεγάλη Βρετανία (το μοναδικό τέτοιο εξειδικευμένο ερευνητικό κέντρο στην Ευρώπη) με διευθυντή τον ειδικό στην πρωτεϊνική αναδίπλωση καθηγητή Μικέλε Βεντρούσκολο, το Κέντρο για την Έρευνα των Νόσων του Εγκεφάλου του VIB-KU Leuven στο Βέλγιο και το Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης στη Δανία με τον διακεκριμένο Έλληνα βιοχημικό Σωτήρη Καμπράνη.

Το “Twin4Promis” στοχεύει επίσης να τοποθετήσει τη χώρα μας στον πυρήνα της έρευνας στο συγκεκριμένο πεδίο μέσω της δημιουργίας ενός κόμβου αριστείας στην έρευνα, στην εκπαίδευση νέων ερευνητών και στην καινοτομία σε επιστημονικά πεδία που σχετίζονται με ασθένειες προβληματικής αναδίπλωσης πρωτεϊνών.

*Το σεμινάριο του Νίκου Λούρου θα πραγματοποιηθεί σε υβριδική μορφή στις 30 Αυγούστου στις 12:00 μ.μ. στο Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών και η είσοδος είναι ελεύθερη για όποιον ενδιαφέρεται. Πληροφορίες: https://lnkd.in/dMHY44Ey
Zoom Link: https://lnkd.in/dDmZMjkc

#ΦΑΡΜΑΚΑ #ΠΡΩΤΕΙΝΕΣ #ΕΡΕΥΝΗΤΕΣ