Condiții celulare realiste revitalizează candidații la medicamente anterior respinși
Un medicament considerat anterior ineficient a început să funcționeze brusc atunci când oamenii de știință l-au testat în condiții mai realiste, care imită mediul din corpul uman.
În această descoperire surprinzătoare, cercetătorii de la Universitatea Northwestern au descoperit o regulă ascunsă a comportamentului medicamentelor. Eficacitatea unui medicament poate varia dramatic în funcție de condițiile din interiorul celulelor noastre.
Studiul recent a evidențiat că două caracteristici fundamentale ale biologiei umane – temperatura corpului și nivelurile de calciu din celule – pot schimba modul în care medicamentele interacționează cu țintele lor, uneori chiar inversând efectul unui medicament.
Aceste descoperiri ar putea explica de ce unii candidați la medicamente par promițători în teste de laborator inițiale, dar eșuează ulterior în dezvoltare. De asemenea, acestea ar putea indica o modalitate mai inteligentă de a concepe medicamente mai eficiente, cu efecte secundare mai puțin nedorite.
Studiul va fi publicat mâine (9 iunie) în revista Nature Structural & Molecular Biology. „Medicamentele nu acționează în izolare”, a afirmat Wei Lü, cercetător la Northwestern, care a co-condus studiul împreună cu colaboratorul său de lungă durată, Juan Du. „Ele acționează în cadrul mediului fiziologic al celulei. Prin integrarea temperaturii și a calciului în experimentele noastre, am descoperit activități ale medicamentelor care erau complet invizibile înainte.”
Lü și Du sunt profesori în biosciențe moleculare la Colegiul Weinberg de Arte și Științe de la Northwestern, profesori de farmacologie la Școala de Medicină Feinberg a Universității Northwestern și membri ai Institutului pentru Procesele Chimiei Vieții de la Northwestern. Jinhong Hu, un cercetător postdoctoral din laboratoarele lui Du și Lü, este autorul principal al studiului.
Evaluările inițiale ale cercetătorilor implică adesea testarea medicamentelor în condiții simplificate de laborator – de obicei la temperatura camerei și în medii chimice artificiale care nu reflectă neapărat realitățile din corpul uman.
Dar proteinele sunt molecule dinamice, capabile să-și schimbe forma. Structura lor poate varia ca răspuns la mediul înconjurător, inclusiv la temperatura și semnalele chimice precum calciul. Deoarece medicamentele funcționează adesea prin legarea la proteine, chiar și mici modificări structurale pot schimba dramatic capacitatea unui medicament de a acționa.
Pentru a înțelege mai bine această conexiune, echipa de la Northwestern s-a concentrat pe TRPM4, un canal proteic implicat în ritmul cardiac, răspunsurile imune și alte funcții biologice esențiale. Aceștia au testat oxidul de triphenylphosphine (TPPO), o moleculă sintetică mică, pe celule care exprimă canalul TRPM4.
În teste de laborator în condiții simplificate, TPPO părea inactiv, neavând niciun efect asupra TRPM4. Însă, atunci când echipa de la Northwestern l-a testat la temperatura corpului (37°C / 98.6°F) și cu niveluri realiste de calciu, compusul considerat inactiv a activat puternic canalul TRPM4.
„Aceasta a răsturnat complet ceea ce credeam că știm. Arată că s-ar putea să neglijăm candidați importanți pentru medicamente doar pentru că nu îi testăm în condiții adecvate”, a spus Juan Du.
Într-un alt set de experimente, echipa a descoperit o altă surpriză. De data aceasta, cercetătorii au testat un compus numit Necrocide-1 (NC1), cunoscut pentru activarea TRPM4. La niveluri scăzute de calciu, NC1 s-a comportat conform așteptărilor, activând canalul proteic. Însă, pe măsură ce nivelurile de calciu au crescut – așa cum se întâmplă adesea atunci când celulele sunt stresate, rănite sau bolnave – aceeași moleculă și-a pierdut în mare parte efectul.
Pe scurt, mediul intern al celulei a determinat dacă medicamentul a funcționat sau nu.
„Aceasta ne indică faptul că comportamentul medicamentului nu este fix”, a afirmat Lü. „Aceeași moleculă poate avea comportamente foarte diferite în funcție de contextul biologic.”
Pentru a înțelege mai bine de ce se întâmplă acest lucru, Lü, Du și echipele lor au folosit microscopie crio-electronică, o tehnică de imagistică puternică ce poate vizualiza proteinele la o rezoluție aproape atomică. Echipa a descoperit că TRPM4 conține o regiune flexibilă de legare a medicamentului, care își schimbă forma în funcție de temperatura și nivelurile de calciu. Aceste modificări de formă determină ce compuși se pot lega la proteină și ce se întâmplă atunci când o fac.
„Aceste structuri arată exact cum mediul reconfigurează locul de legare”, a spus Du. „Chiar și mici schimbări în temperatură sau calciu pot schimba modul în care un medicament interacționează cu proteina.”
Acest studiu sugerează un nou concept pe care Lü și Du îl numesc „farmacologie conștientă de mediu”. În loc să proiecteze medicamente care se comportă la fel în tot corpul, cercetătorii ar putea dezvolta terapii care se activează doar în condiții de boală. De exemplu, un medicament ar putea activa doar în interiorul celulelor stresate sau deteriorate, unde calciul atinge niveluri anormal de ridicate. Aceasta ar putea face tratamentele mai precise, reducând în același timp efectele secundare nedorite.
Conform lui Lü și Du, implicațiile studiului lor ar trebui să se extindă mult dincolo de TRPM4. Dacă temperatura și chimia celulară pot altera dramatic un punct țintă al medicamentului, efecte ascunse similare ar putea exista și în cadrul multor altora.
„Această lucrare subliniază o dimensiune lipsă în modul în care studiem biologia și dezvoltăm terapeutice”, a afirmat Du. „Prin readucerea condițiilor fiziologice în discuție, putem înțelege mai bine cum funcționează proteinele – și cum să le țintim eficient.”
Studiul, „Temperatura și Ca2+ intrinsec transformă farmacologia TRPM4”, a fost susținut de Institutul Național de Sănătate, un premiu McKnight Scholar, premiul Klingenstein-Simon Scholar, bursa de cercetare Sloan și un premiu Pew Scholar în Științele Biomedicale, precum și o bursă postdoctorală a Asociației Americane a Inimii.
