Το ξέρετε ότι οι πρωτεΐνες μας «τσαλακώνονται» και μας δημιουργούν ένα σωρό προβλήματα; Ένα πλήθος παθογόνων καταστάσεων όπως η νόσος Alzheimer, η νόσος Parkinson, ο διαβήτης τύπου 2, η πλάγια μυατροφική σκλήρυνση, η κυστική ίνωση, η συστημική αμυλοείδωση κ.ά., σχετίζονται με αυτό το «τσαλάκωμα» (προβληματική αναδίπλωση) των πρωτεϊνών.
Η αποτυχία των πρωτεϊνών να διπλωθούν φυσικά στον χώρο επιφέρει και το «πακετάρισμά» (συσσωμάτωση) τους, το οποίο συνεισφέρει και στην παθολογία της νόσου Parkinson. Το πρόβλημα της προβληματικής αναδίπλωσης και συσσωμάτωσης πρωτεϊνών βρίσκεται αυτή τη στιγμή στον πυρήνα της σύγχρονης βιολογίας, για αυτό επιστήμονες σε όλο τον κόσμο επιδίδονται τώρα στο κυνήγι θεραπευτικών λύσεων για ασθένειες συσσωμάτωσης. Ανάμεσα σε αυτούς συμπεριλαμβάνονται Έλληνες και ξένοι ερευνητές, από το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, οι οποίοι χρησιμοποιούν μεθόδους υπολογιστικής χημείας και τεχνητής νοημοσύνης για να εντοπίσουν ενώσεις που εμποδίζουν τη συσσώρευση ή τη συσσωμάτωση της α-συνουκλεΐνη-της πρωτεΐνης της οποίας η δυσλειτουργία χαρακτηρίζει τη νόσο Πάρκινσον.
credits: unsplash
Η α-συνουκλεΐνη είναι μια πρωτεΐνη που, στον άνθρωπο, αποτελείται από 140 αμινοξέα και κωδικοποιείται από το γονίδιο SNCA. Η α-συνουκλεΐνη ανήκει στην οικογένεια των συνουκλεϊνών, η οποία περιλαμβάνει ακόμη τη β- και γ-συνουκλεΐνη, εκφράζεται κυρίως σε νευρώνες και συγκεντρώνεται στα συναπτικά άκρα.
Η νόσος Πάρκινσον (PD) είναι μια από τις πιο κοινές νευροεκφυλιστικές διαταραχές, που επηρεάζει το 2-3% του πληθυσμού άνω των 65 ετών, περίπου 6 εκατομμύρια ανθρώπους στον κόσμο, αριθμός που αναμένεται να τριπλασιαστεί έως το 2040, και είναι η ταχύτερα αναπτυσσόμενη νευρολογική πάθηση παγκοσμίως.
«Η συσσώμάτωση της α-συνουκλεΐνης έχει συσχετιστεί με τις αρχικές νευροεκφυλιστικές διεργασίες που κρύβονται πίσω από αυτήν την ασθένεια, στις οποίες η παθολογική συσσώρευση πρωτεϊνικών συσσωματωμάτων οδηγεί σε νευρωνική τοξικότητα», λέει ο επιστημονικός υπεύθυνος, καθηγητής Michele Vendruscolo από το Centre for Misfolding Diseases, Yusuf Hamied Department of Chemistry, στο πανεπιστήμιο του Cambridge, ο οποίος ηγήθηκε μιας σχετικής έρευνας που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Nature Chemical Biology.
Σύμφωνα με εκτιμήσεις, στο Ηνωμένο Βασίλειο, 1 στα 37 άτομα θα διαγνωστεί με Πάρκινσον κατά τη διάρκεια της ζωής του. Εκτός από τα κινητικά συμπτώματα, η νόσος μπορεί να επηρεάσει επίσης αρνητικά, το γαστρεντερικό σύστημα, τον ύπνο, τη διάθεση και τη γνωστική λειτουργία, αλλά και την ποιότητα ζωής προκαλώντας σημαντική αναπηρία.
Το «ψάξιμο» ουσιών σε χημικές βιβλιοθήκες κοστίζει σε χρόνο και χρήμα
Στους ανθρώπους που υποφέρουν από Πάρκινσον, οι πρωτεΐνες αναδιπλώνονται με προβληματικό τρόπο και δημιουργούν πρωτεϊνικά συσσωματώματα που ονομάζονται σώματα Lewy, τα οποία συσσωρεύονται μέσα στα εγκεφαλικά κύτταρα εμποδίζοντάς τα να λειτουργούν σωστά.
Δυστυχώς, επί του παρόντος, δεν υπάρχουν διαθέσιμες θεραπείες για την τροποποίηση της νόσου και τη διακοπή της νευροεκφυλιστικής διαδικασίας, ουσίες δηλαδή, που να βοηθούν να μη χάνονται νευρώνες ή να χάνονται με μειωμένο ρυθμό, ώστε είτε να επιβραδύνεται η νόσος ή να «παγώνει» η εξέλιξή της. Και ενώ βρίσκονται σε εξέλιξη κλινικές δοκιμές για τη νόσο Πάρκινσον, κανένα φάρμακο δεν έχει εγκριθεί, γεγονός που αντικατοπτρίζει την αδυναμία άμεσης στόχευσης των μορίων που την προκαλούν.
credits: unsplash
Το «ψάξιμο» υποψήφιων φαρμακευτικών ουσιών μέσα σε μεγάλες χημικές βιβλιοθήκες– το οποίο πρέπει να πραγματοποιηθεί πολύ πριν δοκιμαστούν πιθανές θεραπείες σε ασθενείς – είναι εξαιρετικά χρονοβόρο και δαπανηρό και συχνά ανεπιτυχές.
«Η αναζήτηση και ο εντοπισμός μικρών μορίων που μπορούν να αναστείλουν τη συσσώρευση της α-συνουκλεΐνης, της πρωτεΐνης που συνδέεται στενά με τη νόσο, είναι ένας δρόμος προς την κατεύθυνση της θεραπείας. Αλλά αυτή είναι μια εξαιρετικά χρονοβόρα διαδικασία. Ο εντοπισμός ενός κύριου υποψηφίου φαρμάκου για περαιτέρω δοκιμές μπορεί να διαρκέσει μήνες ή και χρόνια», προσθέτει ο καθηγητής Vendruscolo.
Μέχρι τώρα η έλλειψη μεθόδων για τον εντοπισμό των σωστών μοριακών στόχων και την φαρμακευτική στόχευσή τους έχει εμποδίσει σοβαρά την ανάπτυξη αποτελεσματικών θεραπειών.
Σύμφωνα με τη μελέτη, η ομάδα του Κέιμπριτζ χρησιμοποίησε τεχνικές μηχανικής μάθησης για να «περάσει» γρήγορα μια χημική βιβλιοθήκη που περιέχει εκατομμύρια καταχωρήσεις και εντόπισε 4 εξαιρετικά ισχυρές ενώσεις που χρήζουν περαιτέρω έρευνας. «Οι προκλήσεις εν προκειμένω, αφορούσαν την ανάπτυξη αποτελεσματικών μεθόδων τεχνητής νοημοσύνης για τη βελτιστοποίηση άλλων παραμέτρων που απαιτούνται από τα υποψήφια φάρμακα, συμπεριλαμβανομένης της χαμηλής τοξικότητας, της φαρμακοκινητικής και της φαρμακοδυναμικής», σχολιάζει ο διδακτορικός ερευνητής Rob Horne που συμμετείχε στη μελέτη.
Με τη χρήση μηχανικής μάθησης, οι ερευνητές μπόρεσαν να επιταχύνουν τη διαδικασία αρχικού ελέγχου κατά δέκα φορές και να μειώσουν το κόστος κατά χιλιάδες, πράγμα που σημαίνει ότι οι πιθανές θεραπείες για τη νόσο Πάρκινσον θα μπορούσαν να φτάσουν στους ασθενείς πολύ πιο γρήγορα.
«Για να μειωθεί το κόστος της φαρμακευτικής ανακάλυψης σε χρόνο και σε πόρους, χρησιμοποιήσαμε για τη διαλογή, μια μεγάλη χημική βιβλιοθήκη μοριακών προσομοιώσεων έναντι ινιδίων α-συνουκλεΐνης, που βασίζονται στην υπολογιστική χημεία, όπως το molecular docking, ώστε να προταθούν μικρά μόρια πρώτης γενιάς που δοκιμάζονται in vitro και που βελτιστοποιούνται στη συνέχεια με χρήση μεθόδων τεχνητής νοημοσύνης», εξηγεί ο μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Ερευνητικό Κέντρο Βιοαϊτρικών Επιστημών «Αλέξανδρος Φλέμινγκ» και νωρίτερα στο Centre for Misfolding Diseases, Yusuf Hamied Department of Chemistry, στο πανεπιστήμιο του Cambridge, Ζ. Φαίδων Μπροτζάκης που συμμετείχε στη μελέτη. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο δρ Μπροτζάκης αποτελεί μια ακόμη περίπτωση brain regain, καθώς επέστρεψε στην Ελλάδα από το Κέιμπριτζ για να ενισχύσει την ερευνητική ομάδα του δρα Γεωργίου Σκρέτα στο Φλέμινγκ, στο έργο Boost4Bio.
credits: unsplash
Υπολογιστικός αντί πειραματικός έλεγχος
Πιο συγκεκριμένα, η ομάδα του Cambridge ανέπτυξε μια μέθοδο μηχανικής μάθησης για να ελέγξει γρήγορα χημικές βιβλιοθήκες, και ανάμεσα σε 2 εκατομμύρια ενώσεις εντόπισε αρχικά 100.000, τις οποίες μείωσε στις 10.000 για να καταλήξει σε μικρά μόρια που συνδέονται με τα συσσωματώματα αμυλοειδούς και εμποδίζουν τον πολλαπλασιασμό τους. Στη συνέχεια, ένας μικρός αριθμός ενώσεων, συγκεκριμένα 68, δοκιμάστηκαν πειραματικά για να επιλεγούν οι 4 πιο ισχυροί αναστολείς της συσσωμάτωσης. Οι πληροφορίες που προέκυψαν από αυτές τις πειραματικές αναλύσεις επανατροφοδότησαν το μοντέλο μηχανικής μάθησης ξανά και ξανά, έτσι ώστε μετά από μερικές επαναλήψεις, εντοπίστηκαν οι εξαιρετικά ισχυρές ενώσεις.
«Αντί να κάνουμε πειραματικό, κάναμε υπολογιστικό έλεγχο», εξηγεί ο Καθ. Vendruscolo, «Χρησιμοποιώντας τη γνώση που αποκτήσαμε από την αρχική διαλογή με το μοντέλο μηχανικής μάθησης, μπορέσαμε να το εκπαιδεύσουμε ώστε να προσδιορίζει τις συγκεκριμένες περιοχές σε αυτά τα μικρά μόρια που είναι υπεύθυνα για τη δέσμευση και, στη συνέχεια, να ελέγξουμε ξανά και να βρούμε πιο ισχυρά μόρια».
Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, η ομάδα του Cambridge ανέπτυξε ενώσεις για τη στόχευση θυλάκων στις επιφάνειες των συσσωματωμάτων, οι οποίες είναι υπεύθυνες για τον εκθετικό πολλαπλασιασμό των ίδιων των συσσωματωμάτων. Αυτές οι νέες ενώσεις είναι εκατοντάδες φορές πιο ισχυρές και πολύ φθηνότερες στην ανάπτυξη, από προηγούμενες.
«Η μηχανική μάθηση έχει πραγματικό αντίκτυπο στην ανακάλυψη φαρμάκων – επιταχύνει την όλη διαδικασία εντοπισμού των πιο υποσχόμενων υποψήφιων ουσιών», δήλωσε ο Vendruscolo. «Για εμάς, αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να εργαζόμαστε ταυτόχρονα σε πολλαπλά προγράμματα ανακάλυψης φαρμάκων, αντί μόνο σε ένα, μειώνοντας τόσο τον χρόνο, όσο και το κόστος».
Η συγκεκριμένη έρευνα διεξήχθη στο Chemistry of Health Laboratory στο Cambridge, το οποίο ιδρύθηκε με την υποστήριξη του UK Research Partnership Investment Fund (UKRPIF) για την προώθηση της μετάφρασης της ακαδημαϊκής έρευνας σε κλινικά προγράμματα.
Εμβληματικό ερευνητικό έργο στην Ελλάδα
Ο καθηγητής Vendruscolo που ηγείται του Centre for Misfolding Diseases του Πανεπιστημίου Κέιμπριτζ στη Μεγάλη Βρετανία (του μοναδικού εξειδικευμένου στις μελέτες προβληματικής αναδίπλωσης πρωτεϊνών ερευνητικού κέντρου στην Ευρώπη) αποτελεί μέλος της διεθνούς ερευνητικής κοινοπραξίας που «τρέχει» το εμβληματικό ευρωπαϊκό έργο “Twin4Promis” στο Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών (ΕΙΕ).
Το έργο με τη συμμετοχή Ελλήνων και ξένων ερευνητών διεθνούς κύρους, απορροφά 1,5 εκατομμύρια ευρώ του προγράμματος Horizon Europe της Ευρωπαϊκής Ένωσης για να διερευνήσει το πρωτεϊνικό “τσαλάκωμα” και να δώσει θεραπευτικές λύσεις για σοβαρές νόσους του παγκόσμιου πληθυσμού οι οποίες οφείλονται σε “τσαλακωμένες” και συσσωματωμένες πρωτεΐνες.
Αξίζει να σημειωθεί ότι οι συνεργάτες των ερευνητών του ΕΙΕ, καθώς και του δρα Γεωργίου Σκρέτα και της ομάδας του, στο έργο είναι πραγματικά ηγέτες στο πεδίο έρευνας της προβληματικής πρωτεϊνικής αναδίπλωσης. Εκτός από τον καθηγητή Vendruscolo, συμμετέχει ερευνητική ομάδα από το Κέντρο για την Έρευνα των Νόσων του Εγκεφάλου του VIB-KU Leuven στο Βέλγιο με υπευθύνους τους Καθηγητές Joost Schymkowitz και Frederic Rousseau, και το Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης στη Δανία με τον διακεκριμένο Έλληνα βιοχημικό μηχανικό Σωτήρη Καμπράνη. Το «Twin4Promis» στοχεύει να τοποθετήσει τη χώρα μας στον πυρήνα της έρευνας στο συγκεκριμένο πεδίο μέσω της δημιουργίας ενός κόμβου αριστείας στην έρευνα, στην εκπαίδευση νέων ερευνητών και στην καινοτομία σε επιστημονικά πεδία που σχετίζονται με ασθένειες προβληματικής αναδίπλωσης πρωτεϊνών
