Zaawansowana technologia obrazowania molekularnego zmapowała obecnie strukturę leku szeroko stosowanego w leczeniu infekcji grzybiczych, ale którego działanie zadziwiało badaczy i lekarzy od prawie 70 lat.

W nowym badaniu naukowcy z University of Illinois Urbana-Champaign, University of Wisconsin, Madison i National Institutes of Health opisali szczegółowo strukturę leku, amfoterycyny B, silnego, ale toksycznego środka przeciwgrzybiczego.

Obserwacja struktury dostarcza wiedzy w dążeniu naukowców do sformułowania mniej toksycznych pochodnych AmB, powiedział dr Martin D. Burke, profesor chemii w Illinois i członek Carle Illinois College of Medicine, a także lekarz medycyny. Burke współprowadził badanie z Chadem Rienstrą, profesorem biochemii z Wisconsin i Tarasem Pogorelovem, profesorem chemii z Illinois. Naukowcy przedstawili swoje odkrycia w czasopiśmie Nature Structural & Molecular Biology.

„To tak, jakbyśmy jechali w ciemności w nocy i nagle byliśmy w stanie włączyć światła. Dzięki przejrzystości tej struktury możemy zobaczyć, dokąd musimy się udać, aby osiągnąć nasz cel, jakim jest mniej toksyczny lek przeciwgrzybiczy – powiedział Burke.

Wcześniej naukowcy i lekarze uważali, że AmB zabija komórki grzybów, tworząc kanały w błonie komórkowej, zewnętrznej powłoce, która otacza komórkę. Jednak w 2014 roku, podczas gdy Rienstra była profesorem w Illinois, grupa Burke'a i Rienstry odkryła, że amfoterycyna zabija komórki przede wszystkim poprzez okradanie błony cząsteczek sterolu – cholesterolu w komórkach ludzkich i ergosterolu w komórkach grzybów. Poszczególne cząsteczki amfoterycyny agregowały się w większą strukturę, która absorbowała cząsteczki sterolu z błon komórkowych jak gąbka, powodując śmierć komórek.

„Kanał jonowy jest działaniem wtórnym do aktywności przeciwgrzybiczej. To pozwala nam odłączyć funkcję tworzenia kanału jonowego od aktywności grzybobójczej amfoterycyny” – powiedział Burke. Jego grupa zastosowała zdolności AmB do tworzenia kanałów jako metodę „protetyki molekularnej” w leczeniu mukowiscydozy, jednak lepsze zrozumienie grzybobójczej gąbki sterolowej pozostało nieuchwytne.

„Mieliśmy kilka obrazów, ale żadnych szczegółów” – powiedziała Agnieszka Lewandowska, starszy naukowiec w Illinois i pierwsza autorka nowego badania. „Teraz możemy naprawdę zobaczyć część struktury, która naszym zdaniem jest odpowiedzialna za interakcję z cholesterolem, czego nie chcemy. Więc moglibyśmy to zmodyfikować i upewnić się, że wchodzi w interakcje tylko z ergosterolem, czego chcemy”.

Ponieważ AmB tworzy duży agregat, trudno jest zastosować zwykłe techniki obrazowania molekularnego, takie jak magnetyczny rezonans jądrowy. W nowym badaniu naukowcy opracowali nowe protokoły przygotowania próbek i zastosowali zaawansowaną technikę obrazowania molekularnego zwaną NMR z wirowaniem pod magicznym kątem w stanie stałym. Wykorzystali również zaawansowane metody modelowania obliczeniowego do wizualizacji struktur reprezentowanych przez dane NMR.

W rezultacie uzyskano szczegółowy obraz tego, jak małe molekuły AmB dopasowują się do siebie w konfiguracji głowa-ogon, schodkowo tworząc dużą siatkę, pozostawiając pustkę o kształcie i rozmiarze odpowiednim dla molekuł steroli. Wystąpiła również pewna elastyczność w agregacie, potencjalnie pozwalająca mu nieco uginać się, aby pomieścić cholesterol, który jest nieco większy niż ergosterol.

„Chcieliśmy wiedzieć, jak gąbka AmB dopasowuje się do siebie, aby pomieścić ergosterol” – powiedział Rienstra. „Podobnie jak gąbki, które wchłaniają wodę, jeśli jest wysuszona i chrupiąca, nie porusza się dobrze i nie będzie dobrze wchłaniać steroli. Kiedy jest trochę miękka, lepiej wchłania, ponieważ wtedy jest elastyczna."

Szczegółowa struktura potwierdza wcześniejsze prace, a także zapewnia mapę drogową syntezy pochodnych - twierdzą naukowcy.

„Jesteśmy już w trakcie badania struktur kompleksów AmB zarówno z cholesterolem, jak i ergosterolem. To otwiera drzwi do ostatecznego zbudowania lub znalezienia nietoksycznych pochodnych tego ważnego leku i pomocy wielu ludziom bez okropnych skutków ubocznych, które ma AmB teraz” – powiedziała Lewandowska.

Następnie naukowcy planują kontynuować współpracę nad syntezą pochodnych, a później zbadać ich struktury atomowe, aby zobaczyć, w jaki sposób agregują i wchodzą w interakcje zarówno z cholesterolem, jak i ergosterolem, a także zbadać potencjał innych małych cząsteczek.

„Amfoterycyna działa inaczej niż jakikolwiek inny lek, o którym wiemy. Nie wiąże się z białkiem; samoorganizuje się w ten interesujący agregat” – powiedział Burke. „Widzieliśmy ten zupełnie nowy obszar interakcji małych cząsteczek. Ta technika obrazowania daje nam nowe narzędzia do zrozumienia interakcji małych cząsteczek i sposobu, w jaki mogą one wykonywać funkcje podobne do białek wyższego rzędu. W końcu jesteśmy w pozycji, w której możemy racjonalnie wykorzystać ogromny potencjał funkcjonalny AmB, zarówno w leczeniu przeciwgrzybiczym, jak i protetyce molekularnej.”

Źródło: sciencedaily.com