Используя платформу открытий, компоненты которой варьируются от дрожжевых клеток до стволовых клеток человека, ученые Института Уайтхеда определили новую лекарственную мишень для лечения болезни Паркинсона и соединение, способное восстанавливать нейроны, полученные от пациентов с болезнью Паркинсона.
Платформа, эффективность которой описана в двух статьях, опубликованных в Интернете на этой неделе в журнале Science, может ускорить открытие лекарств-кандидатов, которые устраняют основную патологию болезни Паркинсона и других нейродегенеративных заболеваний. Сегодня таких препаратов не существует.
Болезнь Паркинсона (БП) и такие нейродегенеративные заболевания, как болезнь Хантингтона и болезнь Альцгеймера, характеризуются неправильным сворачиванием белков, что приводит к токсическому накоплению белков в клетках центральной нервной системы. Клеточное накопление белка альфа-синуклеина, например, долгое время было связано с БП, что делает этот белок, по-видимому, подходящей мишенью для терапевтического вмешательства.
В поисках соединений, которые могут изменить поведение или функцию белка, например, альфа-синуклеина, фармацевтические компании часто полагаются на так называемые целевые скрининги, которые быстро проверяют влияние большого количества соединений на рассматриваемый белок. , автоматическая мода. Хотя такой подход эффективен, он ограничен тем фактом, что он, по сути, происходит в пробирке. На первый взгляд многообещающие соединения, полученные с помощью целевого экрана, могут действовать совершенно иначе, когда они перемещаются из среды in vitro в среду обитания.
Чтобы преодолеть это ограничение, лаборатория члена Уайтхеда Сьюзан Линдквист обратилась к фенотипическому скринингу, на котором соединения-кандидаты изучаются в живой системе. В лаборатории Линдквиста дрожжевые клетки, которые разделяют биологию основных клеток человека, служат живыми пробирками для изучения проблемы неправильного свертывания белков и поиска возможных решений. Клетки дрожжей, генетически модифицированные для избыточного производства альфа-синуклеина, служат надежными моделями токсичности этого белка, лежащего в основе БП.
"Фенотипические скрининги, вероятно, недостаточно используются для выявления мишеней для лекарств и потенциальных соединений," – говорит Дэниел Тардифф, ученый из лаборатории Линдквиста и ведущий автор одной из научных статей. "Здесь мы позволяем дрожжам сказать нам, что является хорошей мишенью. Мы позволяем живой клетке говорить нам, что важно для снижения токсичности альфа-синуклеина."
При скрининге почти 200000 соединений Тардифф и его сотрудники идентифицировали одно химическое соединение, которое не только устраняло токсичность альфа-синуклеина в дрожжевых клетках, но также частично спасало нейроны в модельной нематоде C. elegans и в нейронах крыс. Примечательно, что клеточные патологии, включая нарушение клеточного переноса и усиление окислительного стресса, были уменьшены путем лечения идентифицированным соединением. Благодаря химии, предоставленной Нейтом Джуи в лаборатории Бухвальда в Массачусетском технологическом институте, Тардифф обнаружил, что это соединение работает, восстанавливая функции, опосредованные клеточным белком, важным для транспортировки, который ранее считался "непоколебимый."
Но применимы ли эти результаты к человеческим клеткам?? Чтобы ответить на этот вопрос, команда мужа и жены Чи-Юн Чунг и Викрам Хурана возглавили второе исследование, опубликованное в Science, по изучению нейронов, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых (iPS) клеток, полученных от пациентов с болезнью Паркинсона. Клетки и дифференцированные нейроны (типа, поврежденного болезнью) были получены от пациентов, которые несли мутации альфа-синуклеина и у которых развиваются агрессивные формы заболевания. Чтобы гарантировать, что любая патология, развивающаяся в культивируемых нейронах, может быть связана исключительно с генетическим дефектом, исследователи также извлекли контрольные нейроны из iPS-клеток, в которых мутация была исправлена.
Чанг и Хурана использовали множество данных модели токсичности дрожжевого альфа-синуклеина, чтобы прояснить ключевые клеточные процессы, которые нарушались по мере старения нейронов пациента в блюде. Поразительно, но воздействие соединения, идентифицированного с помощью дрожжевого скрининга в исследовании Тардиффа, полностью изменило повреждение этих нейронов.
"Примечательно, что соединение спасало дрожжевые клетки и нейроны пациентов аналогичным образом и через одну и ту же цель – цель, которую мы не смогли бы идентифицировать без генетики дрожжей, которая бы нам помогала," говорит Хурана, научный сотрудник лаборатории Линдквиста и невролог из Массачусетской больницы общего профиля, которая набирала пациентов для участия в этом исследовании. Хурана считает, что обнаруженные отклонения возникают на ранних стадиях болезни. Если это так, успешное манипулирование указанными здесь целями может помочь замедлить или даже предотвратить прогрессирование заболевания.
Для исследователей эти результаты стали неожиданностью. Поскольку нейродегенеративные расстройства, такие как болезнь Паркинсона, в основном представляют собой болезни старения, моделирование их в культуральной чашке с использованием нейронов, выращенных из iPS-клеток, считается чрезвычайно трудным, если не невозможным.
"Многие, в том числе и мы, скептически относились к тому, что мы можем обнаружить какие-либо важные патологии нейродегенеративного расстройства путем перепрограммирования клеток пациента," говорит Чанг, старший научный сотрудник лаборатории Линдквиста. "Крайне важно, что мы также подтвердили эти патологии на вскрытии головного мозга, поэтому мы вполне уверены, что они имеют отношение к болезни."
Следующие шаги этих ученых включают химическую оптимизацию идентифицированного соединения и его тестирование на моделях животных. Более того, они убеждены, что эта платформа для открытия дрожжевых стволовых клеток человека может быть применена к другим нейродегенеративным заболеваниям, для которых были разработаны модели дрожжей.
"Использование генетики дрожжей для определения соединения и механизма его действия против фундаментальной патологии болезни демонстрирует мощь созданной нами системы," говорит Линдквист, который также является профессором биологии в Массачусетском технологическом институте и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. "Очень важно, чтобы мы продолжали использовать эту силу, потому что по мере того, как мы уменьшаем скорость, с которой люди умирают от рака и болезней сердца, бремя этих ужасных нейродегенеративных заболеваний будет расти. Это неизбежно."