Νέα τεχνική απεικόνισης αποκαλύπτει πού δρουν τα φάρμακα σε κυτταρικό επίπεδο

Όταν παίρνουμε ένα φάρμακο, πού ακριβώς πηγαίνει στο σώμα μας; Για τα περισσότερα φάρμακα, οι επιστήμονες μπορούν να κάνουν μόνο υποθέσεις σχετικά με την απάντηση σε αυτή την ερώτηση. Οι παραδοσιακές μέθοδοι μπορούν να μετρήσουν τη συγκέντρωση ενός φαρμάκου σε ένα όργανο, όπως το ήπαρ, αλλά δεν μπορούν να προσδιορίσουν ακριβώς σε ποιες κυτταρικές δομές το φάρμακο δεσμεύεται ή να αποκαλύψουν απροσδόκητες περιοχές δράσης.

Μια επαναστατική μέθοδος

«Συνήθως, δεν έχουμε σχεδόν καμία ιδέα για το πώς αλληλεπιδρά ένα φάρμακο με τον στόχο του αφού εισέλθει στο σώμα», δηλώνει ο καθηγητής Λι Γιέ, κάτοχος της έδρας N. Paul Whittier στο Scripps Research και ερευνητής του Howard Hughes Medical Institute. «Ήταν μια μαύρη κουτί μέχρι τώρα». Ο Γιέ και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν μια καινοτόμο τεχνική απεικόνισης που φωτίζει τα μεμονωμένα κύτταρα όπου τα φάρμακα δεσμεύονται σε ολόκληρο το σώμα ενός ποντικού. Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε σήμερα στο περιοδικό Cell, χρησιμοποίησαν τη μέθοδο τους, που ονομάζεται vCATCH, για να χαρτογραφήσουν δύο ευρέως συνταγογραφούμενα αντικαρκινικά φάρμακα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ένα από τα φάρμακα δεσμεύεται απροσδόκητα στην καρδιά και στα αιμοφόρα αγγεία, κάτι που μπορεί να εξηγήσει τους καρδιοαγγειακούς κινδύνους του.

Η σημασία της έρευνας

Οι κλινικές δοκιμές δείχνουν αν ένα φάρμακο είναι αποτελεσματικό στη θεραπεία μιας ασθένειας και προσδιορίζουν τυχόν κοινές παρενέργειες, αλλά το τι ακριβώς κάνει το φάρμακο σε κάθε κύτταρο του σώματος παραμένει απρόσιτο. Οι προηγούμενες μέθοδοι παρακολούθησης φαρμάκων βασίζονταν είτε στη θρυμματισμένη ανάλυση ιστών είτε σε χαμηλής ανάλυσης τεχνικές, όπως η ραδιοαπεικόνιση. Σε αυτές τις περιπτώσεις, οι ερευνητές μπορούσαν μόνο να αποκτήσουν μια γενική εικόνα για το ποια όργανα μετανάστευε ένα φάρμακο, αλλά όχι ακριβώς ποια κύτταρα.

Το 2022, το εργαστήριο του Γιέ παρουσίασε τη μέθοδο CATCH, η οποία φωτίζει τα ακριβή κύτταρα όπου τα φάρμακα δεσμεύονται στην επιφάνεια οργάνων όπως ο εγκέφαλος. Στη νέα εργασία, επεκτάθηκαν αυτή την προσέγγιση ώστε να λειτουργεί παντού, συμπεριλαμβανομένων και των βαθύτερων οργάνων όπως ο εγκέφαλος, η καρδιά και οι πνεύμονες.

Η διαδικασία vCATCH

Η μέθοδος CATCH λειτουργεί με τα κοβάλτια φάρμακα, που είναι φάρμακα που σχηματίζουν μόνιμους δεσμούς με τους στόχους τους. Οι επιστήμονες προσθέτουν μια μικρή χημική λαβή σε αυτά τα φάρμακα πριν τα εγχύσουν σε ποντικούς. Τα φάρμακα δεσμεύονται όπως συνήθως και, αφού συλλεχθούν οι ιστοί, οι ερευνητές τους υποβάλλουν σε επεξεργασία με μια φθορίζουσα ετικέτα και ένα μόριο χαλκού που επιτρέπει μια γρήγορη χημική αντίδραση, προσθέτοντας την ετικέτα στη λαβή του φαρμάκου, αποκαλύπτοντας πού κατέληξε κάθε μόριο φαρμάκου. Αυτή η εξαιρετικά επιλεκτική αντίδραση «click chemistry», που συνδέει χημικά στοιχεία όπως τα LEGO, αναπτύχθηκε στο Scripps Research από τον K. Barry Sharpless, ο οποίος κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Χημείας το 2022 για την εφεύρεση της.

Για να επεκτείνουν τη μέθοδο vCATCH σε περισσότερα συστήματα οργάνων, ο Γιέ και οι συνεργάτες του έπρεπε να ξεπεράσουν ένα σημαντικό εμπόδιο: οι πρωτεΐνες στους ιστούς απορροφούσαν το χαλκό που χρειαζόταν για τη χημική αντίδραση, εμποδίζοντας την διείσδυση του στα βαθύτερα όργανα. Μόνο οι θέσεις δέσμευσης φαρμάκων στις επιφάνειες των οργάνων εμφανίζονταν φθορίζουσες.

Η ομάδα άρχισε να προετοιμάζει τους ιστούς με πλεονάζοντα χαλκό για να μπλοκάρει αυτές τις θέσεις δέσμευσης και στη συνέχεια εκτέλεσε έως και οκτώ κύκλους βύθισης των ιστών τόσο σε χαλκό όσο και σε φθορίζουσες ετικέτες. Στις περισσότερες μεθόδους απεικόνισης, αυτή η επαναλαμβανόμενη θεραπεία θα δημιουργούσε θόρυβο υποβάθρου, καθώς οι παράγοντες απεικόνισης θα άρχιζαν να συσσωρεύονται σε μέρη εκτός από τις συγκεκριμένες θέσεις δέσμευσης τους. Στην vCATCH, αυτό λειτουργεί επειδή οι χημικές αντιδράσεις είναι εξαιρετικά επιλεκτικές.

«Η click chemistry είναι εγγενώς πολύ συγκεκριμένη και αποτελεσματική», εξηγεί ο Γιέ. «Αυτό μας επιτρέπει να κορεστούμε πλήρως το σύστημα χωρίς να προκαλούμε εκτός στόχου επιδράσεις». Δεδομένου ότι η απεικόνιση παράγει πολλαπλά terabytes δεδομένων για κάθε ποντικό, η ομάδα συνεργάστηκε με μηχανικούς για να αναπτύξει AI-based αναλυτικά συστήματα που μπορούν αυτόματα να αναγνωρίζουν τα κύτταρα που έχουν δεσμευτεί με φάρμακα σε όλο τον εγκέφαλο και το σώμα.

Για να δοκιμάσουν τη νέα προσέγγιση, το εργαστήριο του Γιέ χαρτογράφησε τη δέσμευση δύο στοχευμένων αντικαρκινικών φαρμάκων: το ibrutinib (Imbruvica), που χρησιμοποιείται για τη θεραπεία αιματολογικών καρκίνων, και το afatinib (Gilotrif), που συνταγογραφείται για καρκίνο του πνεύμονα μη μικρού κυττάρου.