Cercetătorii Biohub folosesc inteligența artificială pentru a descoperi noi ținte în psoriazis
Cercetătorii de la Biohub au realizat ceea ce consideră a fi primul studiu CRISPR la nivel genomic pe celule cutanate umane adulte primare, utilizând un model de inteligență artificială pentru a analiza rezultatele și a descoperi ținte medicamentoase neglijate în psoriazis.
Ei au identificat un candidat surprinzător: receptorul pentru oxitocină, un hormon implicat în naștere, cunoscut uneori sub numele de „hormonul iubirii” datorită rolului său suplimentar în legăturile sociale.
Într-un articol publicat în Nature Communications, echipa a formulat geluri topice conținând compuși care inhibă receptorul de oxitocină și o altă țintă promițătoare, constatând că ambele geluri au redus inflamația psoriazisului la șoareci, la fel de eficient ca un medicament injectabil utilizat de mulți pacienți.
„Un screening CRISPR la această scară, ghidat de AI, ne-a oferit răspunsuri la care domeniul nu a avut acces până acum, precum și un tratament potențial surprinzător de eficient”, a declarat Shana O. Kelley. Ea este președinte al bioingineriei și șef al Biohub din Chicago, unde oamenii de știință decodează procesele inflamatorii care stau la baza unei game largi de boli. Kelley a co-conducit studiul împreună cu Abdalla M. Abdrabou.
„Considerăm că aceasta este o schiță. Țintele specifice pe care le-am găsit în psoriazis sunt promițătoare, dar metoda în sine este ceea ce ne mândrim cel mai mult. Aceasta este o modalitate generalizabilă de a găsi tratamente pe care noi, cei care studiem bolile, nici nu am știut că trebuie să le căutăm”, a afirmat Abdalla M. Abdrabou.
Psoriazisul afectează aproximativ 125 de milioane de oameni la nivel mondial. În cazurile ușoare, terapiile topice, cum ar fi cremele cu steroizi, pot gestiona adesea simptomele eficient. Totuși, pentru pacienții cu forme moderate până la severe ale bolii, devin necesare terapiile sistemice, care vin cu compromisuri. „Biologicele” care vizează proteinele de semnalizare imunitară trebuie injectate, pot costa zeci de mii de dolari pe an și prezintă riscuri din cauza suprimării imunității. Recent, terapiile aprobate sub formă de comprimate pot reduce povara injecțiilor, dar medicamentele circulă în continuare în întregul organism, afectând căile imune dincolo de piele.
Ceea ce a lipsit a fost o abordare care să acționeze local în celulele cutanate unde începe psoriazisul, vizând căile bolii suficient de specifice pentru a nu perturba în mod general funcția imunitară. Atingerea acestui obiectiv necesită o înțelegere a biologiei cheratinocitelor – celulele cutanate cele mai externe, care sunt principalul loc al bolii psoriazice – la un nivel de detaliu pe care domeniul l-a avut în lipsă, deoarece aceste celule au fost rezistente la screeninguri genetice la scară largă folosind CRISPR.
Substanțele chimice standard utilizate în cercetare pentru a livra material genetic în celule sunt toxice pentru cheratinocite chiar și la concentrații scăzute, ceea ce a făcut ca screeningul genomic CRISPR în aceste celule să fie impracticabil. Echipa Biohub a rezolvat problema dezvoltând o metodă care utilizează forțele generate de o centrifugă, în loc de substanțe chimice, pentru a livra CRISPR în celule.
Folosind o bibliotecă de aproximativ 77.000 de ARN-uri ghid, cercetătorii au eliminat aproximativ 19.000 de gene, una câte una, în cheratinocitele din două donatoare umane, măsurând cum a afectat fiecare genă IL17RA, o proteină care ajută celulele cutanate să răspundă la semnalele inflamatorii implicate în psoriazis. Secvențierea genelor a relevat care knock-out-uri au modificat abundența IL17RA în celule, producând o hartă genomică a regulatorilor IL17RA în celulele cutanate, probabil cele mai relevante pentru boală.
Un screening genomic produce mii de rezultate, majoritatea reprezentând biologie cunoscută. Pentru a găsi cele cu adevărat inovatoare – mecanisme pe care nimeni nu le-a legat anterior de boală – echipa a utilizat un instrument pe care l-au construit numit VirtualCRISPR, un model de limbaj mare antrenat pe literatura științifică publicată. Pentru fiecare genă, modelul a fost întrebat dacă cercetarea existentă ar fi prezis-o ca un hit. Genele care au fost puternic implicate în screeningul CRISPR, dar care au primit puțină sau deloc atenție în literatură, au fost prioritizate pentru cercetări suplimentare, în speranța că ar putea indica biologia bolii pentru psoriazis.
Două gene pentru care dezvoltarea de medicamente părea foarte practică au trecut acest filtru. Prima a fost ALOX5, care codifică o enzimă vizată de zileuton, un medicament aprobat de FDA pentru astm. A doua a fost OXTR – care codifică receptorul de oxitocină – care nu avea nicio legătură stabilită cu psoriazisul sau cu inflamația cutanată de orice fel. Un compus cunoscut sub numele de cligosiban inhibă acțiunile OXTR.
Echipa a validat ambele ținte în culturi de piele tridimensionale inventate la Biohub, care replică arhitectura stratificată a pielii umane reale, și a constatat că zileuton a reprogramat direct metabolismul cheratinocitelor – suprimând programele genice inflamatorii și proliferative – fără nicio celulă imună prezentă, demonstrând că medicamentul acționează asupra celulelor cutanate în sine, mai degrabă decât prin efecte secundare imune.
Atunci când oamenii de știință au formulat zileuton și cligosiban ca geluri topice și le-au testat alături de un medicament anti-IL17RA injectabil utilizat în mod obișnuit într-un model pe șoareci de psoriazis, ambele geluri au redus severitatea bolii în cinci zile. Într-o săptămână, ambele au obținut rezultate comparabile cu medicamentul injectabil: pielea și-a regăsit grosimea normală, iar semnalizarea celulelor imune a pivotat către stări antiinflamatorii. Cligosiban a produs de asemenea cea mai largă restaurare a pielii, sugerând că blocarea OXTR poate aborda „disfuncția barierei” care stă la baza psoriazisului cronic, nu doar simptomele sale inflamatorii.
Deoarece zileuton și cligosiban vizează căile specifice cheratinocitelor fără a avea un rol în funcția imunității generale, livrarea topică ar trebui să acționeze local, fără suprimarea imunității generale a terapiilor sistemice actuale. Compușii sunt siguri: profilul de siguranță al zileuton este stabilit din zeci de ani de utilizare în astm, iar antagonistii OXTR – inclusiv cei utilizați pentru a întârzia nașterea prematură – au de asemenea istorii de siguranță umană stabilite, ceea ce ar putea accelera investigarea clinică a blocării OXTR în dermatologie.
„Această lucrare exemplifică abordarea Biohub de a decoda biologia inflamației în căutarea de noi terapii”, a declarat Kelley. „Combinarea AI cu tehnici experimentale sofisticate accelerează întregul proces de cercetare a bolilor și va ajuta la aducerea de noi tratamente, pentru
