Dlaczego mówi się, że inhibitory mają wielki potencjał w medycynie?
To cząsteczki chemiczne, najczęściej niezbyt duże, których zadaniem jest hamowanie aktywności enzymatycznej. Enzymy to zaś katalizatory, które przyspieszają reakcje chemiczne. Bez nich życie byłoby niemożliwe, bo wszystko toczyłoby się za wolno. Czasem jednak niektóre enzymy działają zbyt szybko, a to prowadzi do chorób. Od kilkudziesięciu lat trwają więc poszukiwania inhibitorów, które byłyby w stanie hamować określone enzymy. Dzięki temu możliwe byłoby wyleczenie wielu chorób, w tym także wywoływanych przez wirusy czy bakterie.
I temu poświęcone były badania, które prowadziliście w najgorętszym okresie pandemii?
Bardzo pomógł nam w tym finansowany z Funduszy Europejskich grant TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, który pozwolił nam m.in. wzmocnić zespół. Skupiliśmy się na inhibitorach białek, związanych z tak zwaną czapeczką. To struktura, która z jednej strony zabezpiecza cząsteczkę mRNA przed rozpadem, a z drugiej działa jak swoisty identyfikator. Kiedy wirus, na przykład SARS-CoV-2, wnika do komórki i próbuje się namnażać, inhibitory powinny mu to uniemożliwić. Problem w tym, że wirusy umieją przezwyciężyć te systemy obronne.
Żeby ludzki organizm dał się oszukać, w cząstce RNA wirusa muszą znaleźć się elementy strukturalne, które sprawią, że w komórkach człowieka będą syntetyzowane białka wirusa. Tych modyfikacji dokonują enzymy. Dwa z nich to metylotransferazy, bo instalują na RNA tzw. grupę metylową. Ta modyfikacja sprawia, że mRNA wirusa wygląda dokładnie tak samo, jak mRNA kodujące białka człowieka. W przypadku SARS-CoV-2 dwa enzymy, białka nsp14 i nsp16, są zaangażowane w tworzenie struktury czapeczki RNA wirusa. Naszym zadaniem było poszukiwanie inhibitorów, które w selektywny sposób będą w stanie zahamować metylotransferazy i przez to zahamować namnażanie się wirusa.
Czyli ta czapeczka to rodzaj maski, dzięki której RNA wirusa wygląda jak nasze i staje się nierozpoznawalne. Co można zrobić z tą wiedzą?
Stworzyliśmy metodę, która pozwala szybko sprawdzić, jakie konkretnie związki chemiczne mają potencjał, by hamować enzymy konieczne dla namnażania się wirusów. Stworzyliśmy coś, co przypomina substrat dla nich. Charakteryzuje się on tym, że zawiera element fluoryzujący. Kiedy enzym wirusowy działa, to jednocześnie modyfikuje strukturę substratu tak, że świecenie zanika. Gdy dodamy inhibitor, to miarą jego siły jest to, w jakim stopniu nie pozwala on na wygaszanie fluorescencji substratu – jeśli inhibitor działa, reakcja nie zachodzi, a substrat nie gaśnie.
I można to mierzyć, sprawdzając jasność świecenia…
Bada się to w czytnikach płytek zawierających po 96 dołków, z których w każdym można testować inny związek. W ramach naszego projektu kupiliśmy bibliotekę zawierającą ponad 7 tys. różnych związków i sprawdziliśmy je wszystkie. Okazało się, że 83 wykazują aktywność przeciwko enzymowi SARS-CoV-2 w takim stopniu, że maksymalnie 50 mikromoli wystarcza, by zahamować co najmniej o połowę aktywność wirusa. Te 83 związki były badane również pod kątem tego, czy są w stanie hamować ludzką metylotransferazę, bo człowiek ma podobny enzym, który pełni podobną funkcję.
Tego chcielibyśmy uniknąć.
Idealne inhibitory hamują działanie enzymu z patogenu, a nie hamują naszych. Sytuacja idealna to taka, w której patogen ma białko, które nie występuje u ludzi. Przykładem może być penicylina, hamująca budowę ściany komórkowej bakterii. W ludzkich komórkach tej ściany nie ma, zatem możemy selektywnie hamować antybiotykami rozwój bakterii, nie szkodząc znacząco człowiekowi.
W przypadku SARS-CoV-2 sytuacja jest bardziej złożona. W ludzkim organizmie występują enzymy pełniące podobną funkcję, co enzymy wirusowe. Musimy więc znaleźć takie inhibitory, które działają zdecydowanie silniej na enzym wirusa. Najsilniejsze ze znalezionych przez nas zostały już przebadane w Belgii, w jednym z najważniejszych laboratoriów screeningowych na świecie, gdzie weryfikowane jest działanie substancji, które mogą stać się lekami. Przebadaliśmy tam ponad 20 najbardziej obiecujących związków pod kątem faktycznego hamowania działania wirusa i okazało się, że trzy z nich były skuteczne.
Czyli znaleźliście 83 związki, które hamowały rozwój wirusa, z czego 23 nie wpływały istotnie na działanie naszych enzymów, a ostatecznie trzy okazały się skuteczne.
Tak. Opublikowaliśmy nasze wyniki, ale nie opatentowaliśmy ich, bo w tamtym momencie nikt nie miał jeszcze skutecznego leku na SARS-CoV-2. Wiedzieliśmy, że gdybyśmy opatentowali nasze odkrycie i sami je rozwijali, nie osiągnęlibyśmy wiele, bo wystarczająco szybko nie bylibyśmy w stanie doprowadzić do badań klinicznych. Udostępniliśmy więc wyniki, by inni mogli iść w nasze ślady.
Na ile specyficzne są inhibitory tego konkretnego wirusa, a w jakim stopniu mogą znaleźć zastosowanie dla innych koronawirusów, jak SARS-1 czy MERS?
Metylotransferazy wprowadzające grupę metylową nie tylko do RNA, ale też do różnych innych biocząsteczek, które są niezbędne organizmowi do prawidłowego funkcjonowania. Są jednak strukturalnie często do siebie podobne, więc znalezienie selektywnego inhibitora dla jednej tylko metylotransferazy jest dużym wyzwaniem. Sądzę jednak, że hamowanie metylotransferaz może mieć potencjał terapeutyczny znacznie wykraczający poza SARS-CoV-2. Zawsze jednak będzie potrzeba weryfikacji, czy inhibitory są selektywne, w jakim stopniu są selektywne i czy nie wywołują skutków ubocznych.
Metodologia poszukiwania inhibitorów może być jednak uniwersalnie stosowana dla różnych metylotransferaz. Możemy wziąć dowolną metylotransferazę patogenu i szybko stwierdzić, czy w bibliotece 7 tys. związków, czy w nawet jeszcze większej, znajdują się takie, które mają potencjał, by stać się lekami przeciwko konkretnym chorobom.
W tej bazie znajdują się wykorzystywane już leki. Czy jeśli któryś z nich okaże się skuteczny, skróci to fazę badań klinicznych?
Tego etapu nie da się pominąć, bo mowa o zastosowaniu leku do innej choroby, ale to pozwoli zaoszczędzić trochę czasu.
Jesteście pionierami terapeutycznych badań RNA. Wydaje się, że to przyszłość medycyny.
Pamiętam czasy, kiedy mówiłem o mRNA i nikt mnie nie rozumiał. Teraz mamy mnóstwo specjalistów i czasem znają się na tej dziedzinie lepiej ode mnie.
Tylko czy to rzeczywiście taka srebrna kula, którą dostaliśmy do medycznego arsenału?
Od 21 lat zajmuję się mRNA. Kiedyś skupialiśmy się tylko na „czapeczce”, teraz szukamy modyfikacji w innych elementach RNA po to, by mRNA mogło stać się terapeutykiem. Jeszcze kilkanaście lat temu tylko nieliczni uważali, że kiedykolwiek to będzie możliwe.
Dziś już wiemy, że w zastosowaniach terapeutycznych i innych mRNA znalazło, znajduje i będzie znajdowało zastosowanie. Chodzi jednak o to, by z jak najmniejszej ilości mRNA wytworzyć jak największą ilość białka, które będzie terapeutykiem. Po pierwsze dlatego, że takie terapeutyczne mRNA może być drogie, a po drugie i w tym przypadku, jak i wszystkich innych terapeutyków sprawdza się zasada, że im mniejsza dawka, tym mniejsza szansa na wystąpienie niepożądanych skutków ubocznych.
Nawet gdy mowa o czymś tak swoistym dla organizmu, jak mRNA, i tak lepiej nie przedobrzyć.
Tak samo, jak wirusy przygotowują swoje RNA, tak i RNA dostarczane przez nas musi zawierać elementy, dzięki którym organizm potraktuje je jak własne i wyprodukuje na tej bazie białko, które następnie będzie brało udział w procesie terapeutycznym.
Przenieśmy się o 10 lat w przyszłość. Gdzie możemy się wtedy znaleźć dzięki takim badaniom?
Żeby odpowiedzieć na to pytanie, najpierw przenieśmy się… o 15 lat w przeszłość. To był czas, kiedy rozpoczęliśmy współpracę z Uğurem Şahinem, CEO BioNTechu, która jako pierwsza opracowała wraz z Pfizerem szczepionkę na SARS-CoV-2. Şahin cały czas wierzył, że mRNA da się wykorzystać jako terapeutyk, choć czasem wydawało się, że ta misja to science fiction. Regularnie pytałem go: „kiedy powstanie pierwszy terapeutyk mRNA?” i zawsze padała odpowiedź: „mniej więcej w ciągu dwóch lat”. I tak było aż do grudnia 2019 r., kiedy olbrzymia potrzeba stworzenia skutecznej szczepionki przeciwko koronawirusowi spowodowała, iż cały potencjał naukowy i cały potencjał przemysłu farmaceutycznego zostały skupione na jednym celu. W ten sposób powstała pierwsza szczepionka mRNA. To przełom dla tej technologii i wydaje mi się, że powstanie szczepionek przeciwko innym chorobom infekcyjnym, czyli przeciwko wirusom, będzie stosunkowo prostą historią.
Kolejny etap to są szczepionki przeciwnowotworowe, od których to wszystko się zaczęło. Nowotwory są jednak trudniejszym przeciwnikiem. Trudne będzie znalezienie antygenu, którym w przypadku koronawirusa było białko „spike”, niemające odpowiednika w organizmie ludzkim. W przypadku nowotworów musimy szukać bardzo subtelnych różnic między komórką zdrową a nowotworową. Jeśli to się uda, musimy aktywować układ immunologiczny, szczególnie w otoczeniu nowotworu, a tam ten układ jest szczególnie usypiany przez chorobę – nowotwór powstaje w danym miejscu właśnie dlatego, że tam układ immunologiczny nie zadziałał.
Gdybym spytał ludzi z BioNTechu, Moderny czy innych wiodących firm prowadzących w tej dziedzinie prace o to, kiedy taka szczepionka powstanie, pewnie powiedzieliby, że… za dwa lata. Wydaje mi się jednak, że ta perspektywa jest bardzo realna, bo wiele elementów układanki niezbędnej do realizacji tego celu jest już gotowych. Na tym polega piękno mRNA, że w wielu aspektach jest terapeutykiem uniwersalnym. Zmieniamy tylko kodowane białko, a wszystkie inne elementy możemy wykorzystywać wielokrotnie.
Więcej o najnowszych wynikach badań z polskich laboratoriów w publikacji pt. „Nauka w czasach przemian. Jak badania finansowane z Funduszy Europejskich pomagają chronić nas przed globalnymi zagrożeniami i wykorzystywać historyczne szanse”: www.fnp.org.pl.
***
Prof. dr hab. Jacek Jemielity jest kierownikiem Laboratorium Chemii Biologicznej w Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego i prezesem spółki ExploRNA Therapeutics. Specjalizuje się w chemii organicznej, bioorganicznej oraz w biochemii. Jest autorem ponad 140 publikacji naukowych w recenzowanych czasopismach naukowych oraz współautorem ośmiu patentów.
***
Badania prof. Jacka Jemielitego są współfinansowane z programu TEAM realizowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków UE pochodzących z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój, oś IV: Zwiększenie potencjału naukowo-badawczego, Działanie 4.4 Zwiększanie potencjału kadrowego sektora B+R.