KLUB ŠKUC, torek 4.12.2001 ob 20:30:
prof.dr. Matjaž Zorko: Kako spraviti zdravilo v celice - sovražniki postanejo prijatelji
Vse, kar skušamo prenesti v celico iz njene okolice, mora preiti celično membrano, ki predstavlja resno oviro za prehod večine snovi. Membrana je sestavljena iz dvojne plasti amfipatičnih maščob (lipidov), v katero so vložene najrazličnejše beljakovine (proteini). Prehod preko membrane lahko poteka na več načinov. Skoraj neovirano lahko prehajajo v celico le "ravno prav" hidrofobne snovi, ki se v lipidni plasti membrane topijo (npr. lipidotopni hormoni, kot so spolni hormoni), in tiste, ki so dovolj majhne, da se lahko izmuznejo skozi majhne prostorčke med lipidnimi molekulami v membrani (npr. molekule plinov O2, N2, CO2). Poleg teh je v naravi mnogo hidrofilnih snovi, npr. hranil, ki jim celica mora omogočiti prehod preko membrane, da lahko normalno deluje. Zato so se v evoluciji razvili mehanizmi, ki omogočajo prenos takih molekul v celico in iz nje, npr. endo- in eksocitoza, prehod preko kanalčkov in prenos s pomočjo beljakovinskih prenašalcev. Vsi ti načini so praviloma namenjeni prenosu snovi, ki jih celica želi prenašati in jih torej "pozna".
Kadar želimo vnesti v celico snov, ki je celica ne pozna in ki ni niti dovolj majhna niti topna v maščobah, moramo za prenos preko celične membrane uporabiti posebne postopke. To velja tudi za celo vrsto učinkovin, ki delujejo kot zdravila ali pa jih želimo prenesti v celico iz raziskovalnih razlogov. Danes se v ta namen uporabljajo predvsem trije načini: elektroporacija, prenos s pomočjo liposomov in prenos s prenašalnimi peptidi. Na kratko bom osvetlil prva dva postopka, več pa bom govoril o možnostih, ki jih za vnašanje različnih snovi v celice ponuja uporaba prenašalnih peptidov.
Pri elektroporaciji izkoriščajo pojav, da se v celični membrani v utripajočem električnem polju prehodno naredijo majhne pore. Nekatere snovi (še posebno pa nabite molekule) lahko skoznje vstopijo v celico. Elektroporacija je posebno obetavna za selektiven vnos zaviralcev rasti tumorjev v tumorsko tkivo, ki je na površini telesa in zato laže dosegljivo za pritrditev elektrod. Postopek je že toliko preizkušen, da se približuje njegova rutinska uporaba za zaviranje rasti nekaterih vrst tumorjev.
Prenos snovi s pomočjo liposomov poteka tako, da snov, ki jo želijo vnesti v celico, najprej zaprejo v mehurček (liposom), ki je omejen s podobno membrano, kot je celična membrana. Nato liposome vnesejo v telo, kjer se v ustreznih razmerah membrana liposoma zlije s celično membrano, pri čemer se liposom odpre proti notranjosti celice, v njem prisotne snovi pa vstopijo v celico. Liposomi so že nekaj časa v uporabi v kozmetiki, kjer jih predvsem izkoriščajo za učinkovitejši vnos kozmetičnih preparatov v globlje plasti kože. Posamezni liposomski sistemi za vnos zdravil so tudi že na tržišču in prehajajo v klinično prakso, še več pa jih je v zaključni fazi kliničnih preizkusov. Ker je zelo težko doseči, da bi učinkovine prenesli predvsem v tiste vrste celic, kjer so potrebne, izognili pa bi se celicam (tkivom), kjer niso zaželene ali pa so tam celo škodljive, razvijajo liposome, ki bi po injiciranju v kri selektivno predali učinkovine le v določena tarčna tkiva – npr. tumorska, kar bi pomenilo veliko pridobitev za zdravljenje raka.
Vnašanje snovi v celico s pomočjo prenašalnih peptidov (mednarodno priznanana kratica za te peptide je CPP – Cell Penetrating Peptides) je najnovejša izmed opisanih metod. Elektroporacijo in liposome razvijajo že okrog 20 let, prvi CPP pa so odkrili šele pred približno sedmimi leti. Danes poznamo štiri družine CPP, ki jih ob glavnih predstavnikih (penetratin, transportan, Tat in MAP) sestavljajo še njihovi številni analogi. Ker sem sam sodeloval pri razvoju in karakterizaciji transportana in nekaterih njegovih analogov, se bom omejil predvsem na to družino. Vse se je začelo tako, da so raziskovalci v skupini prof. Langla v Stockholmu želeli izboljšati vezavo peptidnega hormona galanina na receptor in so njegov najmanjši še aktivni del združili z majhnim naravnim peptidom mastoparanom, ki je toksična komponenta osjega strupa. Dobljeni sestavljeni peptid, ki so ga poimenovali galparan, sicer ni izpolnil njihovih pričakovanj glede izboljšanja vezave na galaninski receptor, ob dodatku v tkiva ter v celične kulture pa je izzval vrsto učinkov, ki jih je bilo mogoče razložiti le s prehajanjem galparana preko celičnih membran, kar je za peptid zelo nenavadna lastnost. Galparan so spremenili tako, da so lahko nanj navezali različne spojine in so preizkusili njihov transport v celico. Izkazalo se je, da novi peptid zelo učinkovito prehaja preko celičnih membran in pri tem lahko v celico prenese tudi najrazličnejše druge molekule – zato so ga imenovali transportan (TP).
V naslednji stopnji raziskav smo natančno proučili sposobnost prehoda TP preko celičnih membran, njegovo sposobnost za prenos različnih snovi in njegove morebitne nezaželene stranske učinke. Rezultati teh raziskav, ki jih bom v predavanju podrobno razložil, so v kratkem ti-le:
Z raziskavami nadaljujemo. Tako nam je že uspelo pripraviti različico TP, ki se v prenos signala v celico ne vpleta, kar močno povečuje možnosti za uporabo TP kot prenašalca zdravil. Mehanizma prenosa preko membrane še nismo razjasnili, vendar smo mu vse bliže. Upamo, da nam bo njegovo poznavanje omogočilo izdelati snovi, ki bodo delovale kot zdravilne učinkovine in bodo tudi same sposobne prehajati v celice – torej TP za te učinkovine sploh ne bomo več potrebovali. Ob vsem tem ni nepomembno poudariti, da pri zgoraj opisanih raziskavah s švedskimi znanstveniki tesno sodelujejo že tri slovenske raziskovalne skupine.
Na koncu se vrnimo k naslovu predavanja. Kot je menda rekel že Atila, je takrat, ko sovražnika ne moreš premagati najbolje, da ga spremeniš v prijatelja. Že zgoraj sem omenil, da je en del transportana mastoparan, ki je za celico toksičen – torej sovražnik (to dobro občutimo ob osjem piku). Ko pa ga spojimo s fragmentom galanina, se sovražnik spremeni v prijatelja, ki bo v bodočnosti, upajmo, omogočil prenos zdravilnih snovi v celice in tkiva.