Novi pristopi za boljša biološka zdravila
natisniNaslov projekta:
L7-8269
UP FAMNIT
Javna agencija RS za raziskovalno dejavnost (ARRS)
aplikativni projekt
1.07 - Naravoslovje / Računsko intenzivne metode in aplikacije
1.5.2017 - 30.4.2020
Biološka zdravila se vedno bolj uveljavljajo v medicini kot nadomestek klasičnih sinteznih zdravil. Pod pojmom biološka zdravila razumemo vsa zdravila pridobljena iz bioloških virov (na primer tudi kri in krvne izdelke), v ožjem smislu pa predvsem rekombinantne terapevtske proteine. Najbolj znan primer so monoklonska protitelesa na osnovi imunoglobulina G1 (IgG1), ki se zadnje desetletje vedno več in vedno bolj uspešno uporabljajo tudi za zdravljenje raka. Prednost uporabe monoklonskih protiteles pred klasičnimi citostatiki je v njihovi specifični vezavi na tarčne proteine, ki jih rakave celice izražajo v večji meri kot nerakave.
Aktivacija s protitelesi povzročene celično posredovane citotoksičnosti (angl. »antibody dependent cell mediated cytotoxicity”; ADCC) in s komplementom povzročene citotoksičnosti (angl. »complement dependent cytotoxicity«; CDC) je pogosto zaželena lastnost terapevtskih protiteles, vendar obstajajo primeri protiteles, pri katerih je zaželeno, da do aktivacije te imunske funkcije ne pride. Tipičen primer zdravila, pri katerem udeležba ADCC in CDC ni zaželena, je biološko zdravilo ipilimumab. Ipilimumab je monoklonsko protitelo IgG1, ki se uporablja za zdravljenje melanoma, vrste kožnega raka. Ipilimumab aktivira imunski sistem - citotoksične T limfocite, tako da se veže na protein citotoksični T-limfocitni antigen-4 in prek te vezave izklopi zaviralni mehanizem, kar omogoči T-limfocitom citotoksično delovanje na rakave celice. Ipilimumab prek svoje Fab regije torej deluje kot aktivator citotoksičnih T-limfocitov, ki nato uničijo rakave celice. Udeležba ADCC in CDC, posredovana z Fc regijo, pri tem ni potrebna za funkcijo, in je znan povzročitelj stranskih učinkov tega zdravila. Eden hujših je vnetje hipofize (hipofizitis). Ugotovili so, da je za nastanek hipofizitisa kriva vezava ipilimumaba na del komplementa 1q in levkocitne Fcγ receptorje, zaradi česar pride do aktivacije omenjene vnetne kaskade.
Cilj raziskave bo preprečiti vezavo ipilimumaba na Fcγ receptorje in del komplementa 1q, ki povzročata neželeno citotoksičnost tega biološkega zdravila, z novim računalniškim pristopom. Naš pristop se bo razlikoval od do sedaj uporabljanih metod, na primer uvedbe točkovnih mutacij posameznih aminokislin v tem, da bomo zamenjevali večje elemente proteinske strukture dolžine od nekaj do okoli 10 aminokislin, na primer zanke, ki že obstajajo in so skozi evolucijo preizkušeno stabilne v drugih proteinih. Prednost naše metode bo, da bodo načrtovane mutante pridobile nove lastnosti, hkrati pa bodo ohranile stabilnost in ne bodo imunogene. Načrtovane mutante bomo nato eksperimentalno ovrednotili in vitro ter in vivo.
Cilj raziskave bo tudi nov računalniški pristop za modulacijo funkcije terapevtskih proteinov. Novi pristop bo nadgradnja ProBiS algoritma in ProBiS spletnih strežnikov za napovedovanje vezavnih mest in ligandov proteinov, odkrivanje novih zdravilnih učinkovin in napovedovanje stranskih učinkov zdravil. ProBiS je dobro sprejet v znanstveni skupnosti in je široko uporabljan v raziskovalnih skupinah, ki se ukvarjajo z razvojem novih zdravilnih učinkovin. Naš novi pristop bo omogočal presajanje delov strukture proteina - akceptorja s podobnimi deli strukture iz proteinov donorjev na osnovi ProBiS algoritma, ki omogoča odkrivanje lokalno podobnih strukturnih vzorcev fizikalno-kemijskih lastnosti na površinah proteinov. Donorje bomo izbirali med človeškimi proteini iz Protein Data Bank. Naš cilj je terapevtski protein spremeniti tako, da bo pridobil želene lastnosti donorja, to je, da se na primer ne bo vezal na Fcγ receptorje, hkrati pa bo stabilen in ne bo imunogen. Računalniški pristop bomo razvili in umerili ter prvikrat uporabili na terapevtskem proteinu - ipilimumab – monoklonskem protitelesu na osnovi človeškega IgG1, ki se uporablja za zdravljenje melanoma, pa tudi drugih rakov. Orodja bodo prosto dostopna širši raziskovalni skupnosti in bodo omogočala načrtovanje proteinov z novimi želenimi lastnostmi.
Aktivacija s protitelesi povzročene celično posredovane citotoksičnosti (angl. »antibody dependent cell mediated cytotoxicity”; ADCC) in s komplementom povzročene citotoksičnosti (angl. »complement dependent cytotoxicity«; CDC) je pogosto zaželena lastnost terapevtskih protiteles, vendar obstajajo primeri protiteles, pri katerih je zaželeno, da do aktivacije te imunske funkcije ne pride. Tipičen primer zdravila, pri katerem udeležba ADCC in CDC ni zaželena, je biološko zdravilo ipilimumab. Ipilimumab je monoklonsko protitelo IgG1, ki se uporablja za zdravljenje melanoma, vrste kožnega raka. Ipilimumab aktivira imunski sistem - citotoksične T limfocite, tako da se veže na protein citotoksični T-limfocitni antigen-4 in prek te vezave izklopi zaviralni mehanizem, kar omogoči T-limfocitom citotoksično delovanje na rakave celice. Ipilimumab prek svoje Fab regije torej deluje kot aktivator citotoksičnih T-limfocitov, ki nato uničijo rakave celice. Udeležba ADCC in CDC, posredovana z Fc regijo, pri tem ni potrebna za funkcijo, in je znan povzročitelj stranskih učinkov tega zdravila. Eden hujših je vnetje hipofize (hipofizitis). Ugotovili so, da je za nastanek hipofizitisa kriva vezava ipilimumaba na del komplementa 1q in levkocitne Fcγ receptorje, zaradi česar pride do aktivacije omenjene vnetne kaskade.
Cilj raziskave bo preprečiti vezavo ipilimumaba na Fcγ receptorje in del komplementa 1q, ki povzročata neželeno citotoksičnost tega biološkega zdravila, z novim računalniškim pristopom. Naš pristop se bo razlikoval od do sedaj uporabljanih metod, na primer uvedbe točkovnih mutacij posameznih aminokislin v tem, da bomo zamenjevali večje elemente proteinske strukture dolžine od nekaj do okoli 10 aminokislin, na primer zanke, ki že obstajajo in so skozi evolucijo preizkušeno stabilne v drugih proteinih. Prednost naše metode bo, da bodo načrtovane mutante pridobile nove lastnosti, hkrati pa bodo ohranile stabilnost in ne bodo imunogene. Načrtovane mutante bomo nato eksperimentalno ovrednotili in vitro ter in vivo.
Cilj raziskave bo tudi nov računalniški pristop za modulacijo funkcije terapevtskih proteinov. Novi pristop bo nadgradnja ProBiS algoritma in ProBiS spletnih strežnikov za napovedovanje vezavnih mest in ligandov proteinov, odkrivanje novih zdravilnih učinkovin in napovedovanje stranskih učinkov zdravil. ProBiS je dobro sprejet v znanstveni skupnosti in je široko uporabljan v raziskovalnih skupinah, ki se ukvarjajo z razvojem novih zdravilnih učinkovin. Naš novi pristop bo omogočal presajanje delov strukture proteina - akceptorja s podobnimi deli strukture iz proteinov donorjev na osnovi ProBiS algoritma, ki omogoča odkrivanje lokalno podobnih strukturnih vzorcev fizikalno-kemijskih lastnosti na površinah proteinov. Donorje bomo izbirali med človeškimi proteini iz Protein Data Bank. Naš cilj je terapevtski protein spremeniti tako, da bo pridobil želene lastnosti donorja, to je, da se na primer ne bo vezal na Fcγ receptorje, hkrati pa bo stabilen in ne bo imunogen. Računalniški pristop bomo razvili in umerili ter prvikrat uporabili na terapevtskem proteinu - ipilimumab – monoklonskem protitelesu na osnovi človeškega IgG1, ki se uporablja za zdravljenje melanoma, pa tudi drugih rakov. Orodja bodo prosto dostopna širši raziskovalni skupnosti in bodo omogočala načrtovanje proteinov z novimi želenimi lastnostmi.
Oddelek za aplikativno naravoslovje
