Lægemiddelopdagelse kan være en lang og kompleks proces. Medicin til neurodegenerative sygdomme som Alzheimers sygdom er blandt de dyreste at udvikle, da dyremodelresultater ikke har vist sig at være forudsigelige for effektivitet hos mennesker. Forskere er normalt nødt til at screene mange biologiske mål, før de identificerer et enkelt potentielt nyt lægemiddel.
Forskere ved Carnegie Mellon University udvikler en platform for at muliggøre screening med høj kapacitet. Deres arbejde er en del af bestræbelserne på at optimere hvert stykke af lægemiddelopdagelsesprocessen med reelle påvirkninger i løbet om at behandle patienter.
Anne Skaja Robinson undersøger G-protein-koblede receptorer (GPCR’er), proteiner, der bor på cellens overflade. De er målet for mange små molekyle medikamenter, herunder terapier for diabetes, allergier og kræft. Robinson Lab er fokuseret på rollen af disse transmembrane proteiner og deres nedstrøms cellulære responser. Den ene side af en GPCR vender ind i cellen, hvor den er forbundet med et G-protein. Den anden side af en GPCR ligger uden for cellen, hvor et lægemiddel kan binde; Således tjener de som sensorer for en celles miljø.
“Der er meget uudnyttet terapeutisk potentiale,” siger Sarah Sonbati. Der er 800 kendte GPCR’er, men alligevel er de nuværende lægemidler målrettet mod mindre end 15% af dem.
Kløften i sygdomsbehandlinger findes, fordi forskere endnu ikke ved, hvad der binder til nogle GPCR’er. Identificering af små molekyler for at aktivere disse forældreløse GPCR’er (OGPCR’er) er en sti til mulige nye lægemidler.
Alzheimers sygdom er af særlig interesse, fordi forskere ved, at der er en opregulering eller en stigning af specifikke GPCR’er hos mennesker med sygdommen. Der er heller ingen kur endnu. “Hvad hvis vi begynder at se på den grundlæggende årsag til Alzheimers sygdom, og vi prøver at målrette det?” spørger Sonbati, en kemiteknisk ph.d. studerende. “Svaret kan være i GPCR’er og forstå, hvordan en GPCR aktiveres.”
Når et lægemiddel kombineres med GPCR på ydersiden af cellemembranen, dissocierer G-proteinet inde i cellen. Sonbati udnyttede denne ændring i tilknytning til at skabe en biosensor, der bruger bioluminescens til at detektere koblingen af GPCR’er og G-protein.
“Vores platform muliggør mere specifik detektion af selve proteinaktiveringen og i en cellulær sammenhæng,” siger Robinson, administrator af professor i kemiteknik. Robinson og Sonbati udviklede deres cellebaserede assay fra et eksisterende system, der bruger et enzym specifikt designet til at tilvejebringe kortvarig luminescens, baseret på det lys, der udsendes af ildfluer. Enzymet luciferase er opdelt i en lille smule og en stor bit, der hver er fastgjort til et protein. Når de to proteiner interagerer, er luciferase -bitene tæt nok til at rekonstituere funktionen og gløde.
Sonbati optimerede fremgangsmåden ved hjælp af en GPCR, som Robinson Lab har arbejdet med i vid udstrækning, adenosin A2a receptor. “Vi var nødt til at forstå, hvordan dataene så ud i et godt karakteriseret system, forstå, hvad de fortæller os om interaktionerne i cellen, inden vi går ind i det ukendte rum for forældreløse GPCR’er,” siger Sonbati.
De stoffer, der aktiverer en2a er kendt. Sonbati kiggede på to klasser af medikamenter: agonister, som opregulerer receptoraktivitet; og omvendte agonister, der nedregulerer receptoraktivitet. Oprindeligt a2a er allerede bundet eller “præ-koblet” med G-proteinet, hvilket skaber bioluminescens, selv i en hviletilstand i cellen. Når en agonist tilsættes, skal GPCR og G-proteinet adskille sig, og sensoren skal ikke længere vise luminescens. Sonbatis resultater bekræftede denne opførsel fra kontrolproteinet.
Når en invers agonist tilsættes, rekrutteres G-proteinet tilbage til GPCR, og luminescens øges igen. “Disse resultater hjalp os med at forstå, at vi ikke altid forventer at se et fald i luminescens. Vi leder efter ændringer sammenlignet med den oprindelige tilstand, som vil give os mere information om vores sensor,” siger Sonbati.
Efter optimering af celletype, densitet og transfektionsmetoder anvendte Sonbati med succes platformen til to forældreløse GPCR’er, der er opreguleret i Alzheimers sygdom. ”Ingen har været i stand til at se på dem før på denne måde,” siger hun.
Sensoren bekræftede også, at begge af de forældreløse GPCR’er er forudkoblet til G-proteinet, som en2a er. De kræver ikke et andet molekyle for at interagere eller aktivere funktioner i cellen. “Det betyder alt, hvad vi lærte om luminescens med en2a Kan anvendes i dette rum, “siger Sonbati.
Robinson Lab tester nu et 700-lægemiddelbibliotek fra National Institutes of Health (NIH) for at se, om nogen aktiverer de forældreløse GPCR’er, de arbejder med. Sonbati har også designet konstruktioner til at skifte platform fra pattedyrceller til gær. Gær vokser hurtigere og er mere robust, hvilket muliggør flere eksperimenter og hurtigere resultater.
Robinson og Sonbatis platform er et kraftfuldt værktøj til at teste og forstå GPCR -aktivering. Det er hurtigere og billigere end traditionelle metoder.
“Vores vision er at anvende dette mere generelt til narkotikascreening med høj kapacitet,” siger Sonbati. “Forestil dig en brøndplade med vores sensor i hver lille brønd. Du tilføjer et andet potentielt lægemiddel til hver brønd. Alle brønde begynder at glødende, hvilket betyder, at proteinerne interagerer, bortset fra et. Lægemidlet i den brønd er det, du vil se på yderligere.”
Ved at kombinere disse værktøjer med nye maskinlæringsteknologier håber Robinson og Sonbati at åbne nye muligheder for medikamentmål for Alzheimers sygdom og andre sygdomme, der har været mindre kan trackerable til behandling.