Έχετε αναρωτηθεί ποτέ πως επιβιώνουν τα ψάρια της Αρκτικής σε συνθήκες υπερβολικού ψύχους; Μάλλον όχι! Ο Δρ Matthew Gibson που είχε αυτή την περιέργεια διαπίστωσε ότι το μυστικό βρίσκεται σε αυτό που παράγουν αυτά τα ψυχρόαιμα πλάσματα, στις αντιψυκτικές πρωτεΐνες.
Ο γεμάτος περιέργεια επιστήμονας που κατέχει Έδρα στα Βιώσιμα Βιοϋλικά στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, στο Ηνωμένο Βασίλειο στη συνέχεια αναρωτήθηκε αν θα μπορούσε να συνθέσει μόρια ή υλικά που να μιμούνται αυτές τις πρωτεΐνες για να βοηθήσει στη σταθεροποίηση ευαίσθητων φαρμάκων, όπως είναι τα βιολογικά. Και το κατάφερε!
Όπως μου λέει, τα Biologics (βιολογικά) είναι θεραπείες που βασίζονται σε πρωτεΐνες (όπως με ινσουλίνη και αντισώματα), οι οποίες χρησιμοποιούνται για την αντιμετώπιση μιας σειράς καταστάσεων, από τον καρκίνο μέχρι τον διαβήτη και πιο πρόσφατα για τη θεραπεία της παχυσαρκίας και διαδραματίζουν ζωτικό ρόλο στη σύγχρονη ιατρική και βιοτεχνολογία. Περιλαμβάνουν επίσης ανθρώπινα κύτταρα που λαμβάνονται από το σώμα ενός ασθενούς, τροποποιούνται και επανεισάγονται για τη θεραπεία καταστάσεων όπως η λευχαιμία.
Φωτό: Δρ Matthew Gibson/ University of Warwick
Ωστόσο, το να διατηρούνται σταθερά και ασφαλή κατά την αποθήκευση και τη μεταφορά τους αυτά τα σκευάσματα αποτελεί πρόκληση. Βασικά, πρέπει να διατηρούνται κρύα για να αποφεύγεται οποιαδήποτε υποβάθμιση, χρησιμοποιώντας έτσι σημαντικές ποσότητες ενέργειας και περιορίζοντας τη δίκαιη κατανομή στις αναπτυσσόμενες χώρες. Αυτά τα σκευάσματα περιλαμβάνουν επίσης συχνά πρόσθετα που ονομάζονται έκδοχα, τα οποία πρέπει να είναι ασφαλή τόσο για το φάρμακο όσο και τους λήπτες του.
Η μακροχρόνια δουλειά στο εργαστήριο του καθηγητή Gibson έχει επικεντρωθεί στη βελτίωση του τρόπου με τον οποίο βιολογικά φάρμακα καταψύχονται και αποθηκεύονται: «Τα Biologics είναι ένας ευρύς όρος, αλλά εγώ περιορίζομαι στην κυτταρική πρωτεΐνη και τα σχετικά βιοδραστικά, τα οποία στηρίζουν τη βιοτεχνολογία, τις προηγμένες θεραπείες και τη θεμελιώδη έρευνα. Πάντα αναρωτιόμασταν εάν μπορούμε να μειώσουμε τις απαιτήσεις για την ψυκτική αλυσίδα, ώστε να επιτρέψουμε την ευκολότερη, τη φθηνότερη και την πιο δίκαιη κοινή χρήση βιολογικών προϊόντων. Κατά τη διάρκεια της έρευνάς μας σχετικά με τις αντιψυκτικές πρωτεΐνες, είδαμε ότι αν μειώσουμε τη συσσωμάτωση/συσσώρευση των πρωτεϊνών (οι πρωτεΐνες συσσωματώνονται όταν παγώνουν) αυτές ανακάμπτουν καλύτερα μετά την απόψυξη. Ο στόχος είναι να μεγιστοποιήσουμε τον αριθμό των ζωντανών κυττάρων που επιβιώνουν όταν τα βγάλουμε από την κατάψυξη. Η κατάψυξη είναι μια περίπλοκη, μερικές φορές απρόβλεπτη διαδικασία, και όταν τα κύτταρα αποψύχονται μερικές φορές μπορούν να «ξυπνήσουν» έχοντας λιγότερη ενέργεια—σαν να νιώθουν τη νωθρότητα του πρωινού της Δευτέρας», σχολιάζει ο καθηγητής στο Dnews.
Το επιστημονικό επίτευγμα της χρονιάς
Για να γίνουν τα κύτταρα πιο σταθερά ενεργά μετά την απόψυξη και να βελτιωθεί η αποτελεσματικότητά τους ως θεραπεία είναι απαραίτητο να ελεγχθεί ο σχηματισμός πάγου.
Ένας τρόπος για να αποθηκεύσει κάποιος τις πρωτεΐνες χωρίς να τις καταψύξει είναι να τις «πακετάρει» σε ένα τζελ, το οποίο επίσης μπλοκάρει και της συσσωμάτωσή τους. Για παράδειγμα, η ινσουλίνη είναι ευαίσθητη στον τρόπο χειρισμού της. Εάν ανακινηθεί πολύ έντονα, οι πρωτεΐνες μπορούν να συσσωματωθούν, κάτι που είναι προβληματικό επειδή η συσσωμάτωση μπορεί να μειώσει την αποτελεσματικότητά τους ή ακόμα και να τις κάνει τοξικές. Αλλά η αποθήκευση πρωτεϊνών σε ένα τζελ δημιουργεί ένα άλλο ερώτημα: πώς να απελευθερωθεί η πρωτεΐνη για να μπορέσει να χορηγηθεί στους ασθενείς;
«Συνεργαστήκαμε με τον καθηγητή Dave Adams στο Πανεπιστήμιο της Γλασκόβης, ο οποίος είναι ο πλέον ειδικός στις υδρογέλες παγκοσμίως, ο οποίος ανέπτυξε ένα τζελ που μπορεί να αποθηκευτεί μέσα σε μια τυπική σύριγγα εκτός ψυγείου. Η σύριγγα έχει σχεδιαστεί έχοντας ένα φίλτρο που επιτρέπει την έγχυση μόνο του ενεργού φαρμάκου, αφήνοντας πίσω το τζελ. Και αυτή είναι και η καινοτομία της. Όταν πιέζουμε το έμβολο, η πρωτεΐνη ανακτάται και η γέλη παραμένει στη σύριγγα, έτσι ώστε επί της ουσίας να λαμβάνουμε την καθαρή πρωτεΐνη χωρίς άλλα πρόσθετα. Τα τζελ του Adams θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να σταματήσουν τη συσσωμάτωση πρωτεϊνών ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου. Είμαστε πραγματικά ενθουσιασμένοι με αυτήν την τεχνολογία και την προχωράμε», προσθέτει ο καθηγητής Gibson.
Αυτή η υδρογέλη που σταθεροποιεί τις πρωτεΐνες, προστατεύοντας τις ιδιότητες και τη λειτουργικότητά τους σε θερμοκρασίες έως και 50°C, την οποία σχεδίασαν οι ερευνητές, από τα Πανεπιστήμια του Μάντσεστερ, της Γλασκόβης και του Warwick, και δημοσίευσαν στο Nature, συμπεριλήφθηκε στα επιτεύγματα της χρονιάς (Science breakthrough of the year 2024). Η τεχνολογία διατηρεί τις πρωτεΐνες τόσο σταθερές που μπορούν ακόμη και να αποσταλούν μέσω ταχυδρομείου χωρίς απώλεια αποτελεσματικότητας, ανοίγοντας νέες δυνατότητες για πιο προσιτές τιμές και λιγότερο ενεργοβόρες μεθόδους εντατικής συντήρησης ζωτικών θεραπειών για τους ασθενείς.
Για να επιταχύνει τη διαδικασία, ο Gibson στράφηκε στη μηχανική μάθηση και μαζί με τον επιστήμονα υπολογιστών Gabriele Sosso στο Πανεπιστήμιο του Warwick εκπαιδεύουν λογισμικό με μεγάλα σύνολα δεδομένων για να βρίσκουν μοτίβα που μπορεί να τους διαφύγουν. Ο στόχος είναι να διδάξουν το σύστημα να αναλύει τόσο επιτυχημένα όσο και αποτυχημένα πειράματα και να προβλέπει ποια μόρια θα μπορούσαν να λειτουργήσουν καλύτερα. Οι δυο επιστήμονες εστιάζουν σε ενώσεις που έχουν ήδη ελεγχθεί ως προς τη σύνθεση και την τοξικότητα και επομένως, γνωρίζουν εκ των προτέρων την ασφάλεια και τις ιδιότητές τους, γεγονός που εξοικονομεί χρόνο.
Το μοντέλο έχει επισημάνει αρκετές ενώσεις που λειτουργούν εξαιρετικά καλά, ακόμη και αν δεν έμοιαζαν σε τίποτα με τις παραδοσιακές αντιψυκτικές πρωτεΐνες. Αυτά τα μόρια προσκολλώνται σε κρυστάλλους πάγου και τους εμποδίζουν να αναπτυχθούν. Σε πειραματικές δοκιμές, η προσθήκη αυτών των ενώσεων στο αίμα επέτρεψε τη μείωση της απαιτούμενης ποσότητας αντιψυκτικού, υποδεικνύοντας μεγάλες δυνατότητες για τη βελτίωση της κρυοσυντήρησης.
«Το μοντέλο έχει επιταχύνει δραματικά την πρόοδό μας. Από το 2010, έχουμε ανακαλύψει περίπου 5-10 χρήσιμα μόρια. Χρησιμοποιώντας το μοντέλο μηχανικής μάθησης εντοπίσαμε 10-12 υποσχόμενους υποψηφίους μέσα σε μία μόνο μέρα!», σημειώνει ο καθηγητής.
«Η κρυοσυντήρηση είναι μια μεγάλη περιοχή για εμάς. Είχαμε μεγάλη επιτυχία σε αυτό, ιδιαίτερα με συνθετικά πολυμερή που μπορούν να επηρεάσουν την ανάπτυξη του πάγου. Όπως έχει αυτό το πεδίο εξελιχθεί, αναζητήσαμε πολυμερή που όχι μόνο μπορούν να δεσμεύσουν τον πάγο, αλλά και να προστατεύσουν τα κύτταρα κατά τη διαδικασία κατάψυξης/απόψυξης. Έχουμε σημειώσει μεγάλη πρόοδο στην αποθήκευση κυττάρων σε αναστολή, αλλά οι πρόσφατες προσπάθειές μας έχουν προχωρήσει σε πιο σύνθετα τρισδιάστατα μοντέλα που είναι πολύ πιο δύσκολο να αποθηκευτούν. Για παράδειγμα, τα σφαιροειδή και τα οργανοειδή είναι τρισδιάστατα συγκροτήματα κυττάρων που μπορούν να μιμηθούν περισσότερο την ανθρώπινη φυσιολογία και βρίσκουν χρήση π.χ. στις δοκιμές φαρμάκων αντικαθιστώντας τις δοκιμές σε ζώα. Εμείς έχουμε νέες μεθόδους για να τα αποθηκεύσουμε, ώστε να μπορέσουν να χρησιμοποιηθούν ευρύτερα. Η μετάβαση στο επόμενο βήμα, της αποθήκευσης ιστών ή οργάνων είναι πολύ πιο δύσκολη, αλλά υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για αυτό. Για την αποθήκευση οργάνων, υπήρξαν εξελίξεις σχετικά με τη μη κατάψυξη, αλλά μάλλον με την ψύξη του οργάνου και το μπλοκάρισμα σχηματισμού πάγου, για να αυξηθεί ο χρόνος αποθήκευσης και μεταφορά τους», εξηγεί ο Δρ Gibson.
Διερευνώντας τα πάντα…
Οι ερευνητές στο εργαστήριο του Gibson διερευνούν τα πάντα που μπορούν να εφαρμοστούν στην έρευνά τους και στρέφονται φυσικά στη φύση. Μέσω μιας συνεργασίας με τους Βασιλικούς Βοτανικούς Κήπους Kew στο Λονδίνο και τον Thomas Whale στο Πανεπιστήμιο του Λιντς, ο Gibson διερευνά μεθόδους που διασφαλίζουν σταθερό σχηματισμό πάγου σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες. Για παράδειγμα, εντόπισε συστατικά από τη γύρη φυτών που όταν πλένονται και εξάγονται προωθούν τον σχηματισμό πάγου. Επιπλέον, ορισμένα βακτήρια παράγουν πάγο και ο καθηγητής διερευνά τη δυνατότητα ενσωμάτωσης αυτών των συστατικών στην έρευνά του, επειδή μπορεί να είναι ευεργετικά.
Εκτός από τις βιοϊατρικές εφαρμογές, ο Gibson πιστεύει ότι αυτή η έρευνα μπορεί να έχει ευρύτερες επιπτώσεις στη μηχανική και τις υποδομές και για να την εμπορευματοποιήσει ίδρυσε την spin-off εταιρεία με την επωνυμία CryoLogyx : «Η Cryologyx συνιδρύθηκε από εμένα και τον Δρα Tom Congdon (ο οποίος ήταν πρώην διδακτορικός φοιτητής μου) το 2021 για να εμπορευματοποιήσει και να προωθήσει τις τεχνολογίες κρυοπροστασίας μας. Η Cryologyx στοχεύει στην ανάπτυξη μακρομοριακών κρυοπροστατευτικών σε διάφορους τομείς. Αρχικά, φτιάχνουμε κύτταρα έτοιμα προς χρήση. Αυτά είναι κύτταρα που αποθηκεύονται σε έναν καταψύκτη, και το μόνο που έχει να κάνει ο χρήστης είναι να ανοίξει τον καταψύκτη και να τα ξεπαγώσει. Αυτό γλιτώνει έναν ερευνητή από εβδομάδες διαχείρισης των κυττάρων σε κανονικές συνθήκες. Τα επαναστατικά κρυοπροστατευτικά μας μάς επιτρέπουν να το κάνουμε αυτό, κάτι που απλά δεν το κάνουν τα μικρά κρυοπροστατευτικά μόρια. Έχουμε πελάτες από όλο τον κόσμο που τα χρησιμοποιούν τώρα. Αναπτύσσουμε επίσης νέα κρυοπροστατευτικά με μια τεχνολογία που ονομάζουμε «Cryoshield(TM)», τα οποία παρέχουμε στους χρήστες για να αποθηκεύουν τα δικά τους κύτταρα. Τέλος, η Cryologyx διαθέτει πρόγραμμα αποθήκευσης αίματος για καταστάσεις έκτακτης ανάγκης».
Ο καθηγητής Gibson, παρά το νεαρό της ηλικίας του έχει αποσπάσει πολλές διακρίσεις και βραβεία με τελευταίο την υψηλού κύρους χρηματοδότηση από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας ERC Consolidator Grant, ύψους 2 εκατομμυρίων ευρώ, για το οποίο είναι πολύ χαρούμενος: «Είναι πάντα ωραίο να αναγνωρίζεται η δουλειά μας! Η δουλειά που κάνουμε με την ομάδα μου καλύπτει αρκετά ερευνητικά πεδία, καθώς χρησιμοποιούμε χημεία υδατανθράκων και πολυμερών για να απαντήσουμε σε ερωτήματα που καλύπτουν τομείς από την ασφαλή παράδοση βιολογικών φαρμάκων έως τη διάγνωση και πολλά άλλα. Το 2022 η Βασιλική Εταιρεία Χημείας απένειμε «Βραβείο Horizon» σε ολόκληρη της ομάδα μας, για το οποίο είμαι πολύ περήφανος!»
Η ομάδα διερευνά τώρα εμπορικές ευκαιρίες για την τεχνολογία της, ενώ αποδεικνύει παράλληλα τη δυνατότητα εφαρμογής της περαιτέρω. Θα μπορούσε για παράδειγμα, να προστατεύσει τα φτερά του αεροπλάνου και τις ανεμογεννήτριες από ζημιές εξαιτίας του πάγου, να κάνει το παγωτό πιο απαλό ή πιο ασφαλέστερη την κατάψυξη ανθρώπινου ιστού για μεταμόσχευση. Ίδομεν! Ο χρόνος πάντως είναι με το μέρος της.
