Епічна битва: Сибірська виразка проти раку

Зазвичай, коли у дослідника бракує уяви щось придумати самотужки, він звертається за порадою до наймогутнішого інженера у всесвіті – до природи. Саме цю ключову істину ілюструє нам дана дослідницька історія. В терапії злоякісних новоутворень є прогалина, яку ще нікому не вдалося заповнити – «адресна доставка» терапевтичної речовини до клітини раку. Успіх таргетної трапії (недоліки якої ми мали можливість обговорювати раніше) зумовлений насамперед тим, що активана молекула діє у рази ефективніше саме у перероджених клітинах. Але разом із тим вона потрапляє до здорових тканин організму, де може спричинювати неспецифічні ефекти терапії (так звані off-target effects, термін запозичений з досліджень РНК інтерференції), які варіюють у широких межах в залежності від типу препарату та індивідуальних особливостей пацієнта. Тому цілеспрямована доставка протиракових агентів є “святим граалем” сучасної молекулярної онкології. Десятиліттями вчені намагалися вирішити цю проблему. Спочатку надії покладали на ліпосоми. Вони хоч і були доволі ефективними для перекидання терапевтичних молекул через цитоплазматичну мембрану, і навіть могли бути прицільно спрямовані шляхом кон’югації антитіл, проте виявляли потужний гепатотоксичний вплив на експериментальних моделях in vivo, тому вони навіть не дійшли до стадії клінічних випробувань. Були також подібні розробки, які оминали використання ліпосом (полімерні та композитні наночастки, пенетруючі пептиди, трансактиватор транскрипції вірусу імунодефіциту людини, це лише неповний перелік), але вірогідність подолання цитоплазматичного бар’єру терапевтичною молекулою в такому разі значно зменшувалася.

Читати далі

Advertisements

Методом “еволюції у пробірці” розроблено молекулярну пастку для онкогенного протеїну

Схематичне зображення взаємодії рецептора Axl із фактором Gas6. Рецепторна тирозинкіназа Axl має незвичну для цього типу протеїнів структуру. Він складається з двох імуноглобулін-подібних доменів Ig1 та Ig2, за якими слідують два домени типу фібронектин ІІІ Fn1 та Fn2. У взаємодії із Gas6 беруть участь Ig-домени, причому перший зв’язує ліганд із високою специфічністю (high), а другий – із низькою (low). Стехіометрія зв’язування 2:2, при цьому відбувається димеризація рецепторів і їх аутотрансактивація. Розроблена пастка унеможливлює взаємодію Gas6 із рецептором, що призводить до блокування подальших сигнальних каскадів (посилання наприкінці)

Дослідники Стенфордського інституту розробили препарат, що здатен блокувати метастазування злоякісних пухлин, зокрема раку молочної залози та раку яєчника. Експериментальний терапевтичний агент являє собою штучний протеїн, що з високою ефективністю зв’язує фактор росту Gas6 (growth-arrest-specific protein 6), який присутній у крові пацієнта і може викликати активацію метастатичного фенотипу пухлини. Дослідження препарату на експериментальній мишачій моделі метастазування in vivo виявило, що він призводить до зменшення кількість вторинних пухлинних осередків на 78 % для перещепленої пухлини молочної залози та на 90 % – для раку яєчника.  Вчені назвали свою розробку протеїновою пасткою, якій під силу зупини розповсюдження раку.

Читати далі

Вчені пояснили яким чином деякі пухлини самі закривають собі шляхи метастазування

Схематичне зображення механізму, за яким первинна пухлина, не здатна до метастазування, генерує “недружню” пре-метастатичну нішу у легенях (пояснення у тексті, посилання – наприкінці)

Утворення метастазів – вторинних пухлинних осередків в життєво важливих органах, таких як печінка, легені чи кістковий мозок – є основною причиною загибелі пацієнтів із діагнозом «рак». Незважаючи на значний поступ у протипухлинній таргетній терапії, на сьогоднішній день жодних препаратів, які були б спрямовані на молекулярні й клітинні механізми метастазування, досі не розроблено. Так само існують труднощі із розумінням того, за яким принципом пухлинні клітини «обирають» місце для утворення вторинних осередків – метастазів. Існує декілька гіпотез, що покликані пояснити цей феномен, і одна з них належить Стефану Пагету, який ще в далекому 1889 році зауважив виключну роль умов, в яких опиняється метастатична злоякісна клітина у вторинному сайті.

Читати далі

Вражаюче реалістична візуалізація мелекулярних процесів всередині клітини

Вашій увазі пропонується дивовижні відео авторства Drew Berry, які демонструють молекулярні машини клітин у дії. Комп’ютерна анімація — єдиний доступний шлях демонстрації процесів у клітині, які відбуваються на молекулярному рівні. Причиною цього є те, що сучасні засоби фільмування працюють із світлом видимого спектру, тоді як молекули в клітині набагато менші, ніж довжини хвиль світла видимого діапазону (а зняти відео за допомогою електронного мікроскопу неможливо, оскільки препарат має бути обов’язково фіксованим, що a priori не передбачає ніякої динаміки на екрані). Основною ціллю творця цих відео є відображення молекулярних процесів із максимальною точністю та деталізацією, керуючись усіма наявними знаннями про них. Форми та розміри молекул, топологія їхніх взаємодій, масштаб — усе це можливо реалістично зобразити базуючись на результатах структурних досліджень, зокрема завдяки комп’ютерному моделюванню на основі даних рентгеноструктурного аналізу. Із вражаючою точністю передана поведінка молекул, їхні рухи та конформаційні перетворення. Слід пам’ятати, що дійство відбувається на нано-рівні, де всім керує хаос і закони статистичної термодинаміки. Кожна індивідуальна молекула протеїну піддається невпинному обстрілу молекулами води та різних іонів (приблизно 10000000000000 ударів щосекунди!), ось чому усі об’єкти в анімації безперервно коливаються (так званий броунівський рух). Проте у відео є і неточності. Зокрема показано, що молекулярні машини перебувають у “вільному плаванні”, наче у розчині, але насправді всередині клітини набагато менше вільного місця. Білки займають близько 40 % цитоплазми, тому молекулярне життя клітини більше нагадує  штовханину в нескінченній годині пік, ніж вільне плавання. Але це звичайно не псує картинку, і не зменшує захоплення від побаченого.

Пропоную подивитися відео процесів, які мають найбільше значення у процесі канцерогенезу: апоптоз та клітинний поділ (мітоз)

Апоптоз

Це відео ілюструє апоптоз, ініційований зовнішніми сигналами шляхом взаємодії FasL-FasR. Також існують внутрішні стимули апоптозу, але вони тут не розглянуті

[1:10] – Зв’язування FasL на поверхні Т-клітини кіллера із Fas-рецептором (CD95). Т-кіллер не відразу вбиває клітину. Спочатку він має переконатися, що всередині клітини відбуваються паталогічні процеси (наприклад розмноження вірусу). Тому спочатку Т-клітинний рецептор клітини-кіллера розпізнає пептид, презентований молекулою головного комплексу гістосумісності першого класу (MHC I). Якщо пептид являє собою частину чужорідного білка, що не експресується в клітині за нормальних умов,  Т-клітинний рецептор “залипає” на досить тривалий час, тому вірогідність, що FasL-FasR прореагують, значно зростає. У разі, якщо пептид у комплексі MHC I є частиною нормального клітинного протеїну, Т-клітинний рецептор швидко від’єднується і Т-кіллер мігрує далі.

[1:22] – Збірка адапторного комплексу із цитоплазматичним доменом Fas-рецептору. Претеїн-протеїнові взаємодії опосередковані так званими доменами смерті (death domain)

[1:41] – Зв’язування про-каспази 8 її активація шляхом обмеженого протеолізу та димеризація та утворення активної каспази 8

[1:52 – 2:40] – Так званий каспазний каскад. Каскадні процеси в клітині необхідні для підсилення первинного сигналу, отриманого від рецептора. Відтак, у каскаді є так звані процесорні та ефекторні каскази. Каспаза 8 є процесорною каспазою і може здійснювати протеолітичну активацію лише каспази 3, тоді як остання може протеолітично розщеплювати різноманітні клітинні білки, в тому числі білки мікрофіламентів, тому її називають ефекторною.

[2:41 – 2:48] – Вихід цитохрому С з міжмембранного простору мітохондрії. Цей процес зображено не достатньо детально у відео. Зазначу лише, що це відбувається внаслідок зміщення рівноваги білків-пороутворювачів, що належать до родини Bcl-2, на цитоплазматичному боці зовнішньої мітохондріальної мембрани. Зсув у рівновазі також завдячує активності каспази 8.

[2:50 – 3:18] – Утворення апоптосоми – мультимерного комплексу цитоплазматичного протеїну Apaf-1, мітохондріального цитохрому С та процесорної каспази 9

[3:32] – Активація каспази 3 апоптосомою

[3:47] – Каспази 3 “розбирає” цитоскелет…

[4:17] – … через це клітина розпадається на так звані апоптотичні тільця.

Хромосома, кінетохори та поділ клітини (мітоз)

Оскільки це відео озвучене, воно не потребує такої кількості коментарів, яка попереднє. Є лише невеличке зауваження стосовно зображення переходи від метафази до анафази [3:53]. Тут показано, що мікротрубочки, прикріплені до дочірніх хромосом тягнуть їх до протилежних полюсів мітотичного веретена. Але насправді, нині немає переконливих доказів, що це відбувається саме так. Сучасні дані свідчать, що мікротрубочки в силу своїх структурних особливостей налаштовані лише на штовхання і не можуть нічого тягнути. Тому вважається, що роботу по розведенню хромосом по дочірніх клітинах виконують так звані полярні мікротрубочки. На відміну від кінетохорних мікротрубочок, полярні не сполучаються із хромосомами. Натомість полярні мікротрубочки, що виходять із протилежних полюсів мітотичної клітини, взаємодіють між собою і створюють напругу на екваторі, розштовхуючи метафазні хромосоми в протилежні боки.

інші відео: реплікація, транскрипція, сплайсинг, трансляція – центральна догма біології

Для того, щоб ближче познайомитися із творцем цих чудових відео, Drew Berry, пропоную подивитися його виступ на TEDtalk Syndey:

 

Проблеми таргетної терапії та новітні підходи в лікуванні злоякісних новоутворень

Це слайдшоу вимагає JavaScript.

Онкологічні захворювання є третьою за частотою причиною смертності пацієнтів в Україні та світі після серцево-судинних захворювань та цукрового діабету. Безперечно, онкологія становить серйозну загрозу здоров’ю населення, і тому процеси злоякісної трансформації являють неабиякий інтерес для фундаментально-біологічних досліджень. Зокрема, за останні роки були отримані широкі відомості про особливості  генетики та метаболізму злоякісних новоутворень, розкрито каскади внутрішньоклітинних реакцій, що ведуть до канцерогенезу, встановлено функції багатьох сигнальних молекул, які безпосередньо реалізують ці каскади, активно досліджуються молекулярні механізми прогресії та метастазування пухлин. Результатом наукового поступу стала розробка великої кількості препаратів цілеспрямованої дії – так званої таргетної терапії раку. Але новітні підходи не змогли подолати онкологію повністю. У цій серії публікацій будуть наведені приклади того, як саме більш глибоке розуміння сигнальних каскадів канцерогенезу допомагає знаходити ефективніші способи лікування онкологічних захворювань. Також розглядається яким чином можливо обернути генетичні порушення в клітинах раку, які власне і є рушіями злоякісного перетворення, проти них самих.

Читати далі

Концепція синтетичної летальності та її застосування в боротьбі із пухлинами

Два гени вважаються синтетично летальними в тому разі, якщо дезактивація одного з них не спричинює шкоди клітині, в той час як відсутність активності обох генів призводить до загибелі клітини. Вперше такі гени були відкриті в ході досліджень ферментів репарації ДНК Saccharomyces cerevisiae, тоді виявилося що майже 80 % генів дріжджів є синтетично летальними і мають до 10-ти летальних партнерів. В контексті злоякісної пухлини, поява мутації в гені-супресорі пухлинного росту веде до порушення рівноваги сигнальних каскадів і зміщення її в бік гена-партнера. Таким чином виникає надмірне навантаження на білковий продукт гена-партнера, що робить його більш сприйнятливим до дії селективних інгібіторів. Націлюючи терапевтичний препарат на білок-партнер, можна досягнути елімінації клітин раку, при цьому не завдаючи шкоди здоровим клітинам, оскільки останні не мають онкогенних мутацій і, відповідно, білок-партнер у них не сенсибілізований. Той факт, що інгібітор білку-партнеру не впливає на нормальні клітини, теоретично дає можливість  багаторазово підвищити терапевтичну дозу в зв’язку із кращою переносимістю препарату. Загалом, такий підхід повинен відчутно покращити підсумковий результат терапії.

Читати далі

Використання комбінацій специфічних інгібіторів

У разі якщо застосування принципу синтетичної летальності для конкретного типу пухлини неможливе, існує інший спосіб підвищення ефективності таргетної терапії: використання одночасно двох терапевтичних молекул. Сигнальні каскади в клітині тісно переплетені між собою і почасти два окремих каскади можуть функціонувати як альтернативні у досягненні однієї клітинної відповіді, наприклад запуску проліферації. Часто непластичні клітини можуть обертати собі на користь такі особливості біології молекулярного сигналювання і в залежності від умов мікрооточення користуватися допоміжними шляхами онкогенезу для виживання під час застосування певного фармакологічного інгібітору, що націлений на основний шлях. Це допомагає клітинам раку «виграти час» для проходження всіх необхідних мутаційних подій, що ведуть до виникнення резистентності до застосовуваного препарату. Паралельне блокування основного і допоміжного онкогенних сигнальних шляхів можливе за умови одночасного використання  двох таргетних препаратів, спрямованих проти протеїнів, що контролюють вищезгадані сигнальні шляхи. Кращий ефект лікування буде пов’язаний не лише із тим, що такий підхід дозволить знищувати більшу кількість клітин раку, але й призведе до зниження темпів клональної еволюції і таким чином знизить ризик рецидивів, оскільки розвинути резистентність відразу до двох медикаментозних препаратів раковій клітині складніше, ніж до одного.

Читати далі