Medikamente aus zusammengerollten Proteinfragmenten könnten einen neuen Ansatz für schwer zu behandelnde Krankheiten wie Krebs bieten, aber sie sind schwierig zu entwickeln. Aber eine neue Technik, die an der University of Michigan entwickelt wurde, könnte das ändern.
Es kann Bakterien nutzen, um Milliarden verschiedener Arzneimittelkandidaten herzustellen, die im Körper nicht so schnell auseinanderfallen.
Einige fortschrittliche Krebsmedikamente zielen beispielsweise auf Krebszellen mit Immunmarkern ab, die sich an der Außenseite der Krebszellen festsetzen. Aber diese Immunmarker sind groß und wirken eher zwischen Zellen als in ihnen. Um Krebszellen von innen aufzubrechen, muss das Medikament klein genug sein, um in die Zelle einzudringen.
Gewöhnliche niedermolekulare Medikamente können Botenproteine mit glatten Oberflächen jedoch nicht treffen. Eine neue Art von Medikamenten wird benötigt.
"Es ist ein Goldilocks-Prinzip", sagte Greg Thurber, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen an der U-M, der die Arbeit leitete. "Das Medikament muss klein genug sein, um in die Zellen zu gelangen, aber groß genug, um Proteine in den Zellen zu erfassen, die nicht mit gewöhnlichen niedermolekularen Medikamenten interagieren."
Proteinfragmente, sogenannte Peptide, könnten diese Lücke füllen. Sie sind klein genug, um in Zellen zu schlüpfen, aber komplex genug, um sich mit glatten Proteinen zu verbinden.
Ein Beispiel für ein „nicht behandelbares“Ziel ist MDM2, ein Protein, das ein anderes Protein, das als „Wächter des Genoms“bekannt ist, an den Rand drängt. Dieser Wächter, bekannt als p53, stoppt die Zellteilung, wenn genetische Mutationen auftreten, und verschafft sich Zeit für die DNA-Reparatur. Es kann auch die Selbstzerstörung einleiten, wenn das Genom in einem schlechten Zustand ist. Es ist unsere Krebsabwehr an vorderster Front.
Krebszellen wehren sich jedoch, indem sie den Inhibitor von p53, MDM2, überproduzieren, der an p53 bindet und ihn daran hindert, seine Arbeit zu tun. Aber wenn etwas das MDM2 abfängt, bevor es das p53 bindet, könnten die Krebszellen allen einen Gefallen tun und sich selbst zerstören.
Dies ist nur eine der möglichen Therapien mit Peptiden. Und das U-M-Team hat eine Möglichkeit entwickelt, sie zu gest alten. Die Schlüsselinnovation besteht darin, wie Thurbers Team die Peptide stabilisiert hat, die dazu neigen, in komplexen Umgebungen wie dem menschlichen Körper auseinanderzufallen.
"Das Peptid ist wie ein Slinky, aber Sie binden Verbindungen zusammen, damit es sich nicht ausdehnt. Das machen wir chemisch", sagte Thurber.
Die Verbindung ermöglicht es, verschiedene Arzneimittelkandidaten-Peptide mit Bakterien aufzubauen, anstatt einfachere Organismen wie Phagen zu verwenden, die im Wesentlichen Viren für Bakterien sind. Phagen stellen nur fünf Peptide auf einmal her, anstatt etwa 10.000, die Bakterien herstellen können.
Die Peptide auf Bakterien sind so reichlich vorhanden, dass Forscher direkt am Bakterium sehen können, wie gut sie wirken. Im Gegensatz dazu erfordert die Phagenmethode zusätzliche arbeitsintensive Schritte, um herauszufinden, wie gut Peptide binden und ob sie leicht auseinanderfallen.
Thurbers Team verwendete E. coli-Bakterien, um Hunderte Millionen von Peptiden mit zufälligen Variationen zu bauen und nach demjenigen zu suchen, das MDM2 am besten bindet. Die Anweisungen für die Peptide wurden in genetische Coderinge geschrieben, die die Forscher in die Bakterien einschleusten, wodurch die Bakterien die Peptide auf ihren Zellmembranen produzierten.
Die Bindungen wurden aus synthetischen Molekülen hergestellt, die die Bakterien gegen einen Peptidbaustein eintauschten, den sie nicht produzieren konnten. Im Gegensatz zu früheren Bindungen, die in von Phagen aufgebaute Peptide eingebaut wurden, binden die synthetischen Moleküle nicht an andere Moleküle in und um die Bakterien. Es ist ein Beispiel für „Klick-Chemie“, ordentliche Enklaven in der chaotischen Welt der organischen Chemie, in der Moleküle zuverlässig miteinander reagieren, aber ansonsten inaktiv sind.
"Das Problem war, dass die Reaktion beim Zusammenbinden der Spulen die Bakterien abtötete", sagte Tejas Navaratna, ein Ph. D. Student in Chemieingenieurwesen an der U-M und Erstautor der Studie im Journal of the American Chemical Society. „Wir haben Monate damit verbracht, die Reaktion zu optimieren, damit die Bakterien überleben, aber schließlich wurde uns klar, dass wir die DNA, die unsere besten Peptide codiert, extrahieren und sie frischen, lebenden Bakterien hinzufügen mussten.“
Jedes Bakterium produzierte ein anderes Peptid, wodurch das Team Hunderte von Millionen verschiedener Designs testen konnte. Um herauszufinden, ob die Peptide wirken, mischten die Forscher MDM2 – an fluoreszierende Moleküle gebunden – unter die Bakterien. Die aufleuchtenden Zellen produzierten ein potenziell nützliches Medikament.
Während diese Technik besonders attraktiv ist, um neue Krebsmedikamente zu finden, werden gewickelte Peptide für die Behandlung von Diabetes und HIV erforscht. Die größte Herausforderung besteht darin, die Peptide in die Zellen zu bringen, ein Problem, dem Thurbers Team derzeit nachgeht.
