Nalaganje ...
Projekti / Programi vir: ARIS

Strukturno podprta optimizacija na nitroksolinu osnovanih zaviralcev katepsina B kot potencialnih zdravil za zdravljenje raka

Raziskovalna dejavnost

Koda Veda Področje Podpodročje
1.09.00  Naravoslovje  Farmacija   

Koda Veda Področje
B740  Biomedicinske vede  Farmakološke vede, farmakognozija, farmacija, toksikologija 

Koda Veda Področje
3.01  Medicinske in zdravstvene vede  Temeljna medicina 
Ključne besede
razvoj zdravil, protitumorske učinkovine, katepsin B, nitroksolin, strukturno podprto načrtovanje, inovativnost, reverzibilni kovalentni zaviralci
Vrednotenje (pravilnik)
vir: COBISS
Raziskovalci (1)
št. Evidenčna št. Ime in priimek Razisk. področje Vloga Obdobje Štev. publikacijŠtev. publikacij
1.  30816  dr. Izidor Sosič  Farmacija  Vodja  2016 - 2017  260 
Organizacije (1)
št. Evidenčna št. Razisk. organizacija Kraj Matična številka Štev. publikacijŠtev. publikacij
1.  0787  Univerza v Ljubljani, Fakulteta za farmacijo  Ljubljana  1626973  17.413 
Povzetek
Katepsin B je lizosomska cisteinska proteaza, ki je vpletena v številne fiziološke funkcije, kot je npr. znotrajcelična razgradnja proteinov. Zaradi 21 aminokislin dolge zaporne zanke, ki se nahaja nad aktivnim mestom, lahko katepsin B deluje kot endopeptidaza ali eksopeptidaza. Napake v regulaciji aktivnosti katepsina B so povezane s številnimi patološkimi stanji, izmed katerih je najbolj preučena vloga pri rakavih obolenjih. Ugotovljeno je bilo namreč, da je katepsin B ključen pri proteolitičnih procesih, ki vodijo v tumorsko invazijo in metastaziranje. Slednje še dandanes predstavlja največji problem pri razvoju učinkovitih terapij in pristopov za zdravljenje rakavih obolenj. Ker je katepsin B farmakološko pomembna tarča, so raziskave in odkrivanje nizkomolekularnih spojin, ki bi se lahko v aktivno mesto vezale reverzibilno in selektivno ter tako zavrle prekomerno delovanje encima, nujne. Kljub temu pa noben izmed doslej odkritih zaviralcev katepsina B ni uspel priti do klinične uporabe. Razlogi za to ležijo v kemijski naravi teh spojin, saj gre namreč za spojine s peptidno osnovo, ki poleg tega v strukturi vsebujejo zelo reaktiven elektrofilen fragment. Slednji reagira s katalitičnim cisteinom v aktivnem mestu in tako spojina ireverzibilno zavre delovanje encima. Nedavno smo ugotovili, da je nitroksolin (5-nitro-8-hidroksikinolin) nekovalenten, reverzibilen iz selektiven zaviralec katepsina B. Uporabnost nitroksolina za potencialen razvoj nove protitumorske učinkovine je bila dodatno pokazana tako v celičnih testih kakor tudi v in vivo živalskih modelih. Nov mehanizem zaviranja cisteinske proteaze ter razrešena kristalna struktura kompleksa nitroksolin-katepsin B predstavljata temelje za racionalno strukturno podprto načrtovanje močnejših zaviralcev katepsina B. Znano je namreč, da imajo učinkovine z večjo jakostjo delovanja in vitro več možnosti za uspešen razvoj do kliničnih kandidatov ter nadalje do zdravilnih učinkovin, ki terapevtske učinke dosežejo pri ustrezno nižjih odmerkih. Glavni cilji prijavljenega projekta so (i) načrtovanje in sinteza derivatov nitroksolina z optimiziranimi farmakodinamskimi lastnostmi, (ii) optimizacija farmakokinetičnih (ADME) lastnosti novih zaviralcev ter (iii) eksperimentalno določiti vpliv zaviranja katepsina B na zmanjšanje procesov tumorske progresije v in vitro pogojih ter v in vivo modelnemu sistemu. Za dosego teh ciljev bo vodja predlaganega projekta na začetku uporabil in silico strukturno podprto načrtovanje. S tem pristopom bo predvidel, kateri strukturni elementi (ustrezne stranske verige ter funkcionalne skupine) so potrebni za izboljšanje zaviralnega delovanja novih derivatov na katepsinu B. Posebna pozornost bo posvečena ustrezno nameščeni funkcionalni skupini, ki bo lahko tvorila kovalentno, vendar reverzibilno interakcijo s katalitičnim cisteinom v aktivnem mestu katepsina B, kar bo močno ojačalo jakost delovanja. Tekom načrtovanja novih spojin bo vodja predlaganega projekta sproti spremljal njihove fizikalno-kemijske lastnosti, saj je znano, da so ADME parametri (absorpcija, distribucija, metabolizem, izločanje oz. ekskrecija) pri optimizaciji spojin vodnic enako pomembni kot jakost delovanja na ustrezni tarči. Po pridobitvi vseh strukturnih informacij bodo ti optimizirani derivati nitroksolina tudi sintetizirani v ustreznih količinah. Selektivni zaviralci katepsina B, razviti tekom projekta, bodo optimizirani tako v smislu famakodinamskih kakor tudi farmakokinetičnih lastnosti. Z njihovo pomočjo bomo nazadnje z obsežnim farmakološkim vrednotenjem preverili vpliv zaviranja katepsina B na in vitro in in vivo protitumorsko delovanje. Na ta način bomo lahko dodatno potrdili terapevtski potencial zaviranja katepsina B kot enega izmed pristopov pri zdravljenju raka. Napredne spojine vodnice oziroma klinični kandidati bodo izjemnega znanstvenega, ekonomskega in zdravstvenega pomena, saj bodo služili kot dragocen prispevek v neprestanem boju proti raku.
Pomen za razvoj znanosti
Encim katepsin B še vedno predstavlja izjemno zanimivo farmakološko tarčo, ki jo je vredno izkoristiti v boju proti raku. Zaradi pomanjkanja selektivnih in nepeptidnih molekul, ki bi lahko modulirale delovanje katepsina B, ostaja ta encim zaenkrat premalo izkoriščen. Klinično relevantnih zaviralcev katepsina B ni, saj so vsi do sedaj znani zaviralci peptidne narave, hkrati pa imajo te spojine v strukturi prisotno močno reaktivno (elektrofilno) funkcionalno skupino. Zaradi tega imajo te molekule nizko biološko uporabnost in veliko stranskih učinkov, ki so posledica nespecifičnih interakcij z netarčnimi proteini. Z raziskovalnimi razultati tekom projekta smo še dodatno potrdili vlogo katepsina B v progresiji tumorjev. S tem je bil narejen pomemben doprinos k identifikaciji novih protitumorskih učinkovin, ki izkoriščajo zapostavljene mehanizme delovanja. Z delom na projektu smo se namreč osredotočili na reverzibilno delujoče in nepeptidne molekule, kar je na področju zaviralcev cisteinskih proteaz (ne le pri katepsinu B) bolj zahteven pristop; vendar pa lahko z molekulami tovrstnega (tj. nepeptidnega) tipa dosežemo precej izboljšane farmakokinetične lastnosti, hkrati pa se izognemo omejitvam, ki jih imajo trenutno znani peptidni zaviralci. Za derivate nitroksolina smo naprej dokazali, da lahko s strukturno podprto optimizacijo dosežemo izboljšano delovanje na encimu v primerjavi z nitroksolinom, ki ima nepeptidni skelet in je predstavljal naše izhodišče. Tovrsten potek raziskav je bistvenega pomena pri optimizaciji spojine zadetka (nitroksolin) do spojine vodnice. Tudi poglobljeni biokemijski testi (celični nivo, in vivo testiranja) so pokazali zelo obetavne rezultate, kar je dokaz da gremo z raziskavami zaviralcev katepsina B v pravo smer. Storjen je bil torej pomemben korak k širitvi nabora učinkovin z novimi mehanizmi protitumorskega delovanja in s tem tudi inovativni pristop v boju z rakom. To pa je zelo pomembmo za razvoj znanosti na področju razvoja zaviralcev cisteinskih proteaz, kamor sodi katepsin B. Raziskave v okviru predlaganega projekta so vključevale sodobne znanstvene trende na področju načrtovanja novih encimskih zaviralcev. Vsi pristopi, katerih smo se poslužili pri optimizaciji nitroksolina, ter pridobljeni rezultati, so dostopni celotni znanstveni skupnosti v obliki več znanstvenih člankov. Prepričan sem, da smo z opravljenim delom dodatno spodbudili kreativno raziskovalno delo na področju zdravljenja rakavih obolenj z novimi molekularnimi mehanizmi. Bistvenega pomena za nadaljnje korake in razvoj znanosti so tudi nova znanstvena sodelovanja, ki so se začela tekom podoktorskega projekta. Sodelovati smo začeli namreč z Oddelkom za biotehnologijo na Inštitutu Jožef Stefan ter Oddelkom za genetsko toksikologijo in biologijo raka na Nacionalnem inštitutu za biologijo. Poleg že obstoječih povezav znotraj Slovenije in v tujini je to zelo pomembno za nadaljnje delo na področju vrednotenja zaviralcev katepsina B.
Pomen za razvoj Slovenije
Farmacevtska industrija v Sloveniji ima izjemno velik družbeno-ekonomski pomen, zato je znanstveno-raziskovalno delo na področju novih klinično relevantnih spojin (spojin vodnic in kliničnih kandidatov) eden od načinov, ki lahko domači farmacevtski industriji v sodelovanju s strateškimi partnerji omogoči trajnostni razvoj. Z rezultati v okviru tega projekta smo poglobili obstoječa znanja in ustvarili še trše temelje za nadaljevanje dela na področju optimizacije zaviralcev farmakološko zanimivih tarč, kot je katepsin B. Z ustvarjanjem in širjenjem inovativnega znanja, ki je bilo uspešno predstavljeno v mednarodno priznani znanstveni sferi z objavami v revijah s faktorjem vpliva ter v obliki predstavitev na nacionalnih in mednarodnih konferencah, sem posredno skrbel za to, da slovenska znanstvena sfera drži korak s svetovnim razvojem in raziskavami na področju razvoja zaviralcev cisteinskih proteaz. Tekom projekta pridobljeno znanje sem laični javnosti posredoval v obliki prispevkov v poljudnih revijah in časopisih, televizijskih in radijskih oddajah. S tem sem skrbel za promocijo in spodbujanje znanosti znotraj države, kar ima na dolgi rok zagotovo pozitivne učinke. Kot vodja projekta sem bil v nenehnem stiku tudi z dodiplomskimi študenti, s čimer sem s prenašanjem znanja skrbel za razvoj kakovostnih človeških virov in izboljšanje učnega procesa na Fakulteti za farmacijo. Skozi delo na projektu sem okrepil obstoječo nacionalno in mednarodno mrežo sodelovanj ter hkrati vzpostavil nova medinstitucionalna in interdisciplinarna sodelovanja. Tesno sodelovanje in raziskovanje ter komuniciranje med različnimi raziskovalnimi skupinami omogoča prenos obstoječega in na novo pridobljenega znanja v vse smeri, kar na dolgi rok zagotovo krepi znanstveni ugled Slovenije v svetu. Na tem mestu bi izpostavil, da je projektna skupina, v kateri sodelujem, v obdobju od začetka trajanja projekta uspela pridobiti in zaključiti dva manjša gospodarska projetka s podjetjem Lek d.d.; v sklopu teh projektov, ki so bili povsem sintezno-kemijske narave, so lahko člani projektne skupine svoje kemijsko znanje uporabili za zanesljivo realizacijo projektnih ciljev. Prav tako je projektna skupina začela sodelovanje tudi s Krko d.d, pri čemer je rdeča nit preverjanje nove sintezne poti za pripravo ene izmed zdravilnih učinkovin ter priprava različnih polimorfov te molekule. Vsi ti projekti so pokazatelj, da lahko reševanje sinteznih problemov, s katerimi se srečujemo v sklopu bazičnih raziskovalnih projektov (kot je na primer ta podoktorski projekt), uspešno preslikamo tudi v aplikativne projekte, ki jih vodi slovenska farmacevtska industrija.
Najpomembnejši znanstveni rezultati Vmesno poročilo, zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati Vmesno poročilo, zaključno poročilo
Zgodovina ogledov
Priljubljeno