Ένα μυστηριώδες μόριο από μύκητες που απασχολούσε τους χημικούς για μισό αιώνα, κατασκευάστηκε τελικά στο εργαστήριο – και μπορεί να ανοίξει νέο δρόμο στη μάχη κατά θανατηφόρων παιδικών καρκίνων του εγκεφάλου.
Οι χημικοί του MIT πέτυχαν για πρώτη φορά τη σύνθεση του verticillin A, ενός πολύπλοκου μυκητιακού ενώσεως που ανακαλύφθηκε το 1970. Η ευαίσθητη δομή του καθυστέρησε τους επιστήμονες για δεκαετίες, παρόλο που διαφέρει από σχετικές ενώσεις μόνο κατά δύο άτομα. Με τη σύνθεση πλέον ολοκληρωμένη, οι ερευνητές δημιούργησαν νέες παραλλαγές που έδειξαν ισχυρή δράση κατά ενός σπάνιου παιδικού καρκίνου του εγκεφάλου. Αυτή η ανακάλυψη μπορεί να ξεκλειδώσει μια ολόκληρη κατηγορία αντικαρκινικών μορίων που μέχρι τώρα ήταν απρόσιτα.
Η Πρώτη Σύνθεση του Verticillin A στο Εργαστήριο
Οι χημικοί του MIT παρήγαγαν για πρώτη φορά το verticillin A στο εργαστήριο. Αυτό το μυκητιακό μόριο εντοπίστηκε πριν από περισσότερα από 50 χρόνια και έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον για τις πιθανές αντικαρκινικές του ιδιότητες.
Το verticillin A είναι διαβόητα δύσκολο να κατασκευαστεί λόγω της περίπλοκης χημικής αρχιτεκτονικής του. Ακόμα και σε σύγκριση με στενά συγγενείς ενώσεις, αποδείχθηκε πολύ πιο δύσκολο να συντεθεί, παρόλο που διαφέρει μόνο κατά δύο άτομα.
«Έχουμε πλέον καλύτερη κατανόηση για το πώς αυτές οι λεπτές δομικές αλλαγές μπορούν να αυξήσουν σημαντικά την πρόκληση της σύνθεσης», λέει ο Mohammad Movassaghi, καθηγητής χημείας στο MIT. «Τώρα διαθέτουμε την τεχνολογία όχι μόνο να τα προσεγγίσουμε για πρώτη φορά, περισσότερα από 50 χρόνια μετά την απομόνωσή τους, αλλά και να δημιουργήσουμε πολλές σχεδιασμένες παραλλαγές, που μπορούν να επιτρέψουν περαιτέρω λεπτομερείς μελέτες».
Σε εργαστηριακές δοκιμές με ανθρώπινα καρκινικά κύτταρα, μια παράγωγη του verticillin A ξεχώρισε κατά του παιδικού καρκίνου του εγκεφάλου γνωστού ως diffuse midline glioma. Οι ερευνητές τονίζουν ότι χρειάζονται επιπλέον δοκιμές για να εκτιμηθεί αν μπορεί τελικά να χρησιμοποιηθεί κλινικά.
Ο Movassaghi και ο Jun Qi, αναπληρωτής καθηγητής ιατρικής στο Dana-Farber Cancer Institute/Κέντρο Καρκίνου και Αιματολογικών Διαταραχών Παιδιών της Βοστώνης και στην Ιατρική Σχολή του Harvard, είναι οι κύριοι συγγραφείς της μελέτης, που δημοσιεύτηκε στο Journal of the American Chemical Society. Ο Walker Knauss PhD ’24 είναι ο κύριος συγγραφέας του άρθρου. Η Xiuqi Wang, χημικός φαρμάκων και χημικός βιολόγος στο Dana-Farber, και η Mariella Filbin, διευθύντρια έρευνας στο Παιδιατρικό Πρόγραμμα Νευρολογίας-Ογκολογίας στο Dana-Farber/Κέντρο Καρκίνου και Αιματολογικών Διαταραχών Παιδιών της Βοστώνης, είναι επίσης συγγραφείς.
Γιατί Αυτό το Μυκητιακό Μόριο Ήταν Τόσο Δύσκολο να Κατασκευαστεί
Οι ερευνητές ανέφεραν για πρώτη φορά την απομόνωση του verticillin A από μύκητες το 1970. Οι μύκητες χρησιμοποιούν την ένωση για να αμυνθούν από παθογόνα. Το verticillin A και παρόμοια μυκητιακά μόρια έχουν εξεταστεί για πιθανή αντικαρκινική και αντιμικροβιακή δράση, αλλά η πολυπλοκότητά τους τα καθιστούσε δύσκολα στη σύνθεση.
Το 2009, το εργαστήριο του Movassaghi ανέφερε τη σύνθεση του (+)-11,11’-dideoxyverticillin A, μιας ένωσης στενά συγγενικής με το verticillin A. Αυτό το μόριο περιέχει 10 δακτυλίους και οκτώ στερεογενή κέντρα, δηλαδή άτομα άνθρακα που συνδέονται με τέσσερις διαφορετικές χημικές ομάδες. Αυτές οι ομάδες πρέπει να τοποθετηθούν με τη σωστή προσανατολισμό, ή στερεοχημεία, σε σχέση με το υπόλοιπο μόριο.
Ακόμα και μετά από αυτή την προηγούμενη επιτυχία, το ίδιο το verticillin A παρέμενε απρόσιτο. Η κύρια διαφορά μεταξύ του verticillin A και του (+)-11,11’-dideoxyverticillin A είναι δύο άτομα οξυγόνου, αλλά αυτές οι προσθήκες έκαναν μεγάλη διαφορά στη συμπεριφορά του μορίου κατά τη σύνθεση.
«Αυτά τα δύο οξυγόνα περιορίζουν σε μεγάλο βαθμό το παράθυρο ευκαιρίας που έχετε για χημικές μετατροπές», λέει ο Movassaghi. «Κάνουν την ένωση πολύ πιο εύθραυστη, πολύ πιο ευαίσθητη, ώστε παρόλο που είχαμε χρόνια μεθοδολογικών προόδων, η ένωση συνέχιζε να αποτελεί πρόκληση για εμάς».
Επανασχεδιασμός της Χημείας Βήμα προς Βήμα
Και οι δύο εκδόσεις του μορίου verticillin κατασκευάζονται από δύο ίδια μισά που πρέπει να συνδεθούν σε μια δομή που ονομάζεται δίμερο. Στην προηγούμενη σύνθεση του (+)-11,11’-dideoxyverticillin A, η ομάδα πραγματοποίησε τη διμεροποίηση κοντά στο τέλος της διαδικασίας και στη συνέχεια σχημάτισε τέσσερις κρίσιμους δεσμούς άνθρακα-θείου.
Όταν προσπάθησαν να εφαρμόσουν την ίδια αλληλουχία στο verticillin A, δεν λειτούργησε. Η προσθήκη των δεσμών άνθρακα-θείου αργά στη διαδικασία απέτυχε να δώσει τη σωστή στερεοχημεία, αναγκάζοντας την ομάδα να επανασχεδιάσει ολόκληρη τη σειρά βημάτων.
«Αυτό που μάθαμε ήταν ότι ο χρονισμός των γεγονότων είναι απολύτως κρίσιμος. Έπρεπε να αλλάξουμε σημαντικά τη σειρά των γεγονότων σχηματισμού δεσμών», λέει ο Movassaghi.
Η νέα σύνθεση ξεκινά από ένα παράγωγο αμινοξέος που ονομάζεται beta-hydroxytryptophan. Από εκεί, οι ερευνητές χτίζουν τη δομή σε στάδια, προσθέτοντας χημικές λειτουργικές ομάδες, συμπεριλαμβανομένων αλκοολών, κετονών και αμιδίων, ενώ ελέγχουν προσεκτικά τη στερεοχημεία σε κάθε βήμα.
Για να καθοδηγήσουν αυτόν τον έλεγχο, η ομάδα εισήγαγε μια ομάδα που περιέχει δύο δεσμούς άνθρακα-θείου και έναν δεσμό δισουλφιδίου νωρίς στη διαδικασία. Επειδή οι δισουλφίδιοι είναι ευαίσθητοι, έπρεπε να «μασκαρευτούν» μετατρέποντάς τους σε ένα προστατευμένο ζεύγος σουλφιδίων ώστε η δομή να μην καταστραφεί κατά τις μεταγενέστερες αντιδράσεις. Μετά τη διμεροποίηση, οι ομάδες που περιείχαν δισουλφίδιο αποκαταστάθηκαν.
«Αυτή η συγκεκριμένη διμεροποίηση ξεχωρίζει πραγματικά όσον αφορά την πολυπλοκότητα των υποστρωμάτων που φέρνουμε μαζί, τα οποία έχουν τόσο πυκνή σειρά λειτουργικών ομάδων και στερεοχημείας», λέει ο Movassaghi.
Συνολικά, η διαδρομή απαιτεί 16 βήματα από το αρχικό υλικό beta-hydroxytryptophan για να φτάσει στο verticillin A.
Πρώτες Δοκιμές Κατά του Diffuse Midline Glioma
Με το verticillin A πλέον προσβάσιμο, οι ερευνητές μπόρεσαν επίσης να προσαρμόσουν την προσέγγιση για να δημιουργήσουν παραγώγους. Μια ομάδα του Dana-Farber δοκίμασε αυτά τα μόρια κατά διαφόρων τύπων diffuse midline glioma (DMG), ενός σπάνιου όγκου εγκεφάλου με περιορισμένες θεραπευτικές επιλογές.
Τα ισχυρότερα αποτελέσματα εμφανίστηκαν σε κυτταρικές σειρές DMG που παράγουν υψηλά επίπεδα μιας πρωτεΐνης που ονομάζεται EZHIP. Η EZHIP επηρεάζει τη μεθυλίωση του DNA και έχει προηγουμένως χαρακτηριστεί ως πιθανός φαρμακευτικός στόχος για το DMG.
«Η αναγνώριση των πιθανών στόχων αυτών των ενώσεων θα παίξει κρίσιμο ρόλο στην περαιτέρω κατανόηση του μηχανισμού δράσης τους, και το πιο σημαντικό, θα βοηθήσει στη βελτιστοποίηση των ενώσεων από το εργαστήριο Movassaghi ώστε να είναι πιο ειδικές για στόχο για την ανάπτυξη νέων θεραπειών», λέει ο Qi.
Οι παράγωγες του verticillin φαίνεται να επηρεάζουν την EZHIP με τρόπο που αυξάνει τη μεθυλίωση του DNA, ωθώντας τα καρκινικά κύτταρα σε προγραμματισμένο κυτταρικό θάνατο. Οι πιο αποτελεσματικές ενώσεις σε αυτά τα πειράματα ήταν το N-σουλφονυλιωμένο (+)-11,11’-dideoxyverticillin A και το N-σουλφονυλιωμένο verticillin A. Η N-σουλφονυλίωση – η προσθήκη μιας λειτουργικής ομάδας που περιέχει θείο και οξυγόνο – βελτιώνει τη μοριακή σταθερότητα.
«Το ίδιο το φυσικό προϊόν δεν είναι το πιο ισχυρό, αλλά είναι η σύνθεση του φυσικού προϊόντος που μας έφερε σε σημείο όπου μπορούμε να φτιάξουμε αυτές τις παραγώγους και να τις μελετήσουμε», λέει ο Movassaghi.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές του Dana-Farber σχεδιάζουν να επιβεβαιώσουν περαιτέρω πώς λειτουργούν οι παράγωγες του verticillin, και ελπίζουν να δοκιμάσουν τις ενώσεις σε ζωικά μοντέλα παιδικών καρκίνων εγκεφάλου.
«Οι φυσικές ενώσεις έχουν αποδειχθεί πολύτιμες πηγές για την ανακάλυψη φαρμάκων, και θα αξιολογήσουμε πλήρως το θεραπευτικό δυναμικό αυτών των μορίων ενσωματώνοντας την εμπειρία μας στη χημεία, τη χημική βιολογία, τη βιολογία του καρκίνου και τη φροντίδα ασθενών. Έχουμε επίσης προφίλ τις κύριες ενώσεις μας σε περισσότερες από 800 κυτταρικές σειρές καρκίνου, και θα μπορέσουμε να κατανοήσουμε τις λειτουργίες τους ευρύτερα σε άλλους καρκίνους», λέει ο Qi.
Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Εθνικό Ινστιτούτο Γενικών Ιατρικών Επιστημών, το Ίδρυμα Έρευνας Ependymoma και το Ίδρυμα Curing Kids Cancer. επιστή
