Død for livet, eller terapeutisk potentiale for "cellulær selvmord"

Død for livet, eller terapeutisk potentiale for “cellulær selvmord”

Boris Zhivotovsky
"Science Firsthand" №1 (73), 2017

Om forfatteren

Boris Davydovich Zhivotovsky – Læge Biologisk Videnskab, Professor i Karolinska Universitetet (Stockholm, Sverige), Leder af Laboratoriet for Studiet af Apoptosemekanismerne i Moskva State University. M. V. Lomonosov. Laureat for USSR-statsprisen (1987) og René Descartes-prisen (Den Europæiske Union, 2007). Forfatter og medforfatter af over 300 videnskabelige artikler.

Skabelse og ødelæggelse er to uadskillelige naturlige processer, to omvendte sider af universet, og menneskekroppen i denne forstand er ingen undtagelse. Den såkaldte "programmerede", dvs. ikke-tilfældig, "aktiv" celledød understøtter ikke kun strukturen og ydeevnen hos en levende organisme, men sikrer også sin meget dannelse i processen med embryonal udvikling. Men "hver pind er omkring to ender", og ubalancer i celleliv og død kan have alvorlige konsekvenser. De enorme fremskridt, der er gjort i de sidste årtier i undersøgelsen af ​​hot spots på dette område af biomedicin, har gjort det muligt ikke kun at præcisere detaljerne i de mekanismer, der ligger til grund for den programmerede celledød,men også at skabe et effektivt våben i kampen mod kræft og andre alvorlige sygdomme.

Blandt alle typer programmeret celledød er den mest berømte apoptose, som følge af hvilken cellen brydes ned i adskilt apoptotiske legemeromgivet af en plasmamembran. Som derefter ødelægges som et resultat fagocytose, et fænomen opdaget af den store russiske videnskabsmand I. Mechnikov, der blev tildelt Nobelprisen for denne opdagelse i 1908. Derfor er apoptose aldrig ledsaget af betændelse. Men denne proces er langt fra den eneste: ifølge nomenklaturen beskrives nu op til 12 sorter af cellulær "selvmord"!

Under apoptose forekommer der en række uoprettelige ændringer i cellemorfologi, hvilket resulterer i dannelsen af ​​apoptotiske legemer, men cellemembranen forbliver intakt. Dette forhindrer udslippet af toksiske og immunogene stoffer i det ekstracellulære rum fra den døde celle på det tidspunkt, hvor den absorberes og fordøjes af specialiserede celler (makrofager). I tilfælde af en alternativ (patologisk) type celledød – nekrose – svulmer cellen, brækker membranen,og indholdet af cellen kommer ud, hvilket fører til betændelse. Ultratynde nedskæringer. Elektronmikroskopi. Billeder af E. Ryabchikova, A. Yunusova (aufagosome) (ICBFM SB RAS, Novosibirsk)

Patogenesen af ​​et antal sygdomme er til en vis grad forbundet med krænkelser af mekanismen for programmeret celledød. Når denne mekanisme er for aktiv, og for mange celler dør, får vi Parkinsons sygdom, Alzheimers sygdom, levercirrhose, hæmatologiske sygdomme … I en alternativ situation kommer kræft af forskellig lokalisering først.

Celledødens rolle i reguleringen af ​​at opretholde vævshomostase er stor, og sygdomme kan være resultatet af både overdreven og utilstrækkelig celledød.

Det er ikke overraskende, at biologernes, kemikernes og lægernes opmærksomhed i dag er rettet mod at studere de destruktive cellulære processer, der forekommer i kroppen og søge efter stoffer, der kan påvirke deres aktivitet. For eksempel er nogle farmaceutiske virksomheder seriøst engageret i at studere mekanismen for pyroptose, som har karakteristika for både apoptose og inflammation.Det viste sig, at ved at aktivere denne proces kan gigt behandles: i Schweiz udvikles et lægemiddel, hvor en injektion kan redde patienten fra foruroligende symptomer i et halvt år.

Forskellige sygdomme ligger bag forskellige mekanismer; Derfor er forskellige tilgange til deres behandling nødvendige. Et af de vigtigste arbejdsområder, hvor mine laboratorier ved Moscow State University er involveret. MV Universitetet og Karolinska Institutet (et af Europas største medicinske universiteter, grundlagt i 1810) er en undersøgelse modstand (modstand) til behandling af tumorceller associeret med svækkede mekanismer for programmeret celledød.

Laboratoriet for undersøgelsen af ​​apoptosemekanismerne (LIMA) blev oprettet i november 2010 på grundlag af Det Naturvidenskabelige Fakultet for Moskva State University. M. V. Lomonosova

Først og fremmest handler det om en type lungekræft – lungeadenocarcinomsom er ringe modtagelig for traditionel antitumorbehandling. For at finde en måde at øge følsomheden af ​​denne tumor til kemoterapi, blev vores gruppe hjulpet ved at studere dannelsen af ​​embryoen … en almindelig fyr.

De enorme fremskridt inden for forskning i mekanismerne til programmeret celledød bekræftes af tre (!) Nobelpræmier inden for fysiologi eller medicin, der er opnået i de sidste 15 år, hvilket er en unik begivenhed. I 2001 var nobelpristagere T. Hunt, P. Nurse og L. Hartwell for opdagelsen af ​​de genetiske og molekylære mekanismer for cellecyklusregulering; i 2002 – S. Brenner, D. Sulston og R. Horwitz for forskning inden for genetisk regulering af vækst og udvikling af organer og processer med programmeret celledød; i 2016 – Y. Osumi for at opdage mekanismerne for autophagy, hvorigennem cellen anvender sine egne organeller og makromolekyler.

Fra fyr til mand

Når de siger, at nogen har fundet en "kur mod lungekræft" – tror ikke. Faktum er, at "lungekræft" som en enkelt sygdom ikke eksisterer – der er for meget bag dette udtryk. Maligne lungtumorer er opdelt i småcellekræft (ca. en fjerdedel af alle sager) og ikke-småcelle, som igen indbefatter lungadenocarcinom, storcellet carcinom og pladecellecarcinom (skævt carcinom).Alle disse fire sygdomme er helt forskellige i oprindelse og formationsmekanismer, og det eneste, der forener dem, er stedet for lokalisering.

Den særlige egenskab ved småcellet lungekræft er, at tumorcellerne er dispergeret i sundt væv, så det er næsten umuligt at betjene det. Men denne type cancer giver sig godt til kemo og immunterapi, men hvis en gang en tumorcelle forbliver "levende", forekommer et tilbagefald, og patienten dør hurtigt.

Ikke-småcellet lungekræft svarer derimod godt til kirurgisk behandling, hvis den diagnosticeres tidligt, men er relativt resistent over for lægemiddelterapi. Desværre diagnosticeres det som regel i de senere stadier. Derfor er der mange forsøg på at skabe lægemidler til behandling af denne gruppe tumorer, især adenocarcinom som en af ​​de mest almindelige lungecancer (op til en tredjedel af alle tilfælde). Jeg er bekendt med problemet med kræftbehandling førstehånds: min gamle kærlighed var radiobiologi, der omhandler begrundelsen for strålingsbehandling.

Et af projektene fra mitt Stockholm laboratorium var afsat til studiet af programmeret celledød i fyrretoppen,som vi udførte sammen med kolleger fra Sveriges landbrugsakademi. Fyretembryoen består i første omgang af flere celler, men når de udvikler, dør de alle som følge af programmeret celledød, bortset fra en, som giver livet til en ny plante.

Det viste sig, at TSN-protein spiller en vigtig rolle i denne embryonale proces (Tudor Staphylococcal Nuclease) som er evolutionært konservativdet vil sige, det er til stede i alle organismer, fra bakterier til dyr, undtagen gær. Det lykkedes os at finde ud af, at i planter er TSN spaltet af metakaspaz – enzymer, caspasanaloger af dyr Forresten, sådan har vi fundet det første substrat for disse enzymer.

Ved at sende en artikel med disse resultater til et videnskabeligt tidsskrift modtog vi et spørgsmål fra en anmelder om, hvor godt det ville være at finde ud af, hvad dette protein gør i pattedyrsceller. Så vi skiftede "fra fyr til mand", fortsætter med at arbejde sammen med lægerne, der leverer os med klinisk materiale.

I levende organismer er der en unik mekanisme for selvdestruktion af celler, der allerede har opfyldt deres funktion og skal "forlade scenen" og give plads til nye celler.En aktiv dødsproces kan også medtages som et resultat af cellulær skade som et alternativ til ukontrolleret henfald. Som følge heraf taber en voksen titusinder af sine celler hver dag – hudceller, slimhinden, der foder fordøjelsessystemet og luftvejene, og kredsløbssystemet, som er genopfyldt med nye.

Kort glide

Ved at studere adfærd af TSN-protein i humane lunge adenocarcinomcellekulturer fandt vi, at i tilfælde af deres apoptose splittes det også, og det sker ved hjælp af enzymet caspase-3. Analyse af klinisk materiale modtaget fra vores kolleger fra det russiske kræftforskningscenter. NN Blokhin viste at i alle patienter med lungeadenocarcinom var TSN-ekspression i tumorceller højere end hos normale. Og dømme efter sygdommens historie var alle disse patienter resistente overfor kemoterapi.

Det næste skridt var at blokere produktionen af ​​TSN i dyrkningen af ​​tumorceller ved hjælp af gentekniske teknikker. Som følge heraf opnåede vi celler, der er følsomme over for agenser, der beskadiger DNA – primærlægemidler til behandling af lungeadenocarcinom.Der er dog en vigtig "men": det er umuligt at fuldstændigt blokere produktionen af ​​selve TSN-proteinet i menneskekroppen, da det udfører mange funktioner, herunder at deltage i biogenese microRNA'erregulering af generernes aktivitet. Og sådan behandling vil have for mange negative bivirkninger. Derfor gik vi "nede": Vi begyndte at søge efter et "downstream" -link af denne molekylære mekanisme, der kunne blokeres relativt smertefrit.

Genetisk blokering af TSN har vist, at den er involveret i reguleringen af ​​aktiviteten på ca. 200 gener, primært genet kodende for proteinet S100A11. Fantastiske tilfældighed: omkring et halvt år før sammen med kollegaer fra proteomaboratoriet viste vi, at dette protein er medlem af en stor familie, og selv om det selv ikke har nogen katalytisk aktivitet, men parret med protein p53 involveret i processen med apoptose. S100A11-lås havde samme virkning som TSN, men var også usikre for kroppen. Derfor gik vi endda "nedenfor."

Bioinformatisk analyse afslørede en række proteiner, der interagerer med S100A11, herunder dem der hæmmer aktivitet phospholipase A2 – phospholipidhydrolyserende enzymPhospholipase A2 er et link i den såkaldte arakidonisk kaskade (Komplekse biokemiske reaktioner omdanne arachidonsyre fedtsyrer), som er involveret i tumor-metabolisme regulering. I cancerceller ved at blokere produktionen af ​​phospholipase først kemisk og derefter genetisk, vi fik den ønskede effekt – øget følsomhed af tumoren på terapi med DNA-beskadigende midler, på en mindre skala.

Lås TSN giver resultatet i 100% af tilfældene, S100A11 – 85%, og phospholipase A2 – 65%. Den lavere effektivitet af sidstnævnte blev opvejet af et fald i toksiske virkninger på sunde celler, hvilket er meget vigtigt for behandlingen. På nuværende tidspunkt Moscow State University kemikere syntetiseret flere lavmolekylære kemikalier, som hæmmer udviklingen af ​​phospholipasen, foretaget undersøgelser af deres effektivitet. Selvfølgelig er dette er et kompromis, men det uundgåelige: uanset hvor du prøver, kan ikke undgås indvirkningen på sunde celler.

I dette vores "indgående" undersøgelse ikke ende der: i listen af ​​proteiner, hvis ekspression ændres ved at låse TSN, var en anden meget interessant protein, også medlem af en stor familie, og nu er det er engageret i en detaljeret undersøgelse af mit laboratorium Moskva.

Der er to måder at initiere apoptose – internt eller mitokondrielt og eksternt – gennem aktivering af de såkaldte "dødsreceptorer". I begge tilfælde er nøglepunktet dannelsen af ​​specifikke initiatorapoptotiske komplekser (apoptosomer og henholdsvis DISC-komplekset) og aktiveringen af ​​initiator caspaser (caspaser-9 og caspaser-8). Initiator caspaser aktiverer effektor caspaser, som igen aktiverer et antal proteiner involveret i selvdestruktionsprogrammet. Af: (Lavrik, 2013). Ultratynde nedskæringer. Elektronmikroskopi. Foto af E. Ryabchikova (ICBFM SB RAS, Novosibirsk)

Russisk historie

Vores laboratorium til at studere apoptosemekanismerne på Det Naturvidenskabelige Fakultet ved Moscow State University blev oprettet med midler modtaget fra den første konkurrence af videnskabelige megagrants fra regeringen i Den Russiske Føderation. Vi startede bogstaveligt fra bunden: vi blev kun tildelt tomme værelser, så vi var nødt til at lave reparationer og købe alt, hvad vi havde brug for, fra bordene. Heldigvis støttede dekanen, akademikeren V. A. Tkachuk os og gav os mulighed for at bruge alt det udstyr, der var til rådighed på fakultetet. Mens der var en reparation, sendte jeg to af mine tre unge medarbejdere til udlandet for at studere.

"Hvordan valgte jeg mine medarbejdere? Meget simpelt: han gav en meddelelse, som begyndte at komme kandidatstuderende og for nylig "beskyttede" videnskabelige kandidater. De tog nogle gode fyre, hvem (ikke alle) derefter blev kandidatstuderende. I dag er kun en person forblevet fra første hold, og de brød fredeligt op med resten. Alle nyligt accepterede er meget ambitiøse, motiverede og arbejder med stor fornøjelse. I 6 års arbejde har vi kun offentliggjort i udenlandske tidsskrifter med en gennemsnitlig effektfaktor i området på næsten 40 artikler.

Mine unge medarbejdere modtager små udenlandske tilskud og rejser til Schweiz, Tyskland, Sverige, hvor der ikke kun gør noget af arbejdet om vores emne, men også kender til tilrettelæggelsen af ​​arbejdet i andre laboratorier. Ungdommen skal udvikle sig. For nylig har vi arbejdet på to tilskud fra RNF, som sluttede i 2016. Hvad vil der ske næste – mens jeg ikke kan sige. "

De første to år blev brugt til oprettelsen af ​​et rigtigt fungerende laboratorium med molekylær og cellebiologisk forskning. Naturligvis kunne der ikke være tale om at få nogen "fremragende" resultater i en sådan periode. På dette tidspunkt var tilskuddet forbi, og på trods af at projektet var fuldt implementeret med hensyn til alle indikatorer, blev vi ikke forlænget.Afvisningen blev ledsaget af den bemærkning, at manglende Moskva State University, som simpelthen velkendte videnskabsmænd blev inviteret, og ikke nobelpristagere.

Så begyndte en ny fase af vores liv. Til trods for manglende finansiering forlod ingen af ​​personalet laboratoriet. Vi begyndte at søge finansiering til andre organisationer. Igen, det er ikke uden sine særheder: i en anonym undersøgelse af den russiske Foundation for Basic Research tydeligt, at analysen af ​​mit CV og publikationsliste ikke giver tillid til mine evner til at håndtere sådanne projekter. Interessant nok var det lige på dette tidspunkt i Sverige, at jeg var leder af et europæisk tilskud til at studere apoptosystemisk biologi, for hvilket jeg blev tildelt "kun" 11 millioner euro. Til sammenligning: RFBR-tilskuddet udgjorde 600 tusind rubler, dvs. på det tidspunkt ca. 20 tusind dollars! Jeg kontaktede fondschefen og beskrev situationen, som han beskrev som en "skændsel". Men vi fik aldrig navnet på en "ekspert" eller penge.

Men løsningen blev fundet: mit personale lykkedes at få ungdomsbidrag fra det russiske fundament for grundforskning, og så begyndte vi at samarbejde med det nyåbnede russiske videnskabsstiftelse.Til dette blev der tilføjet stipendier fra præsidenten for Den Russiske Føderation til videnskabelig ungdom, Dynasty Foundation, statsstøtte fra førende videnskabelige skoler … Alt dette gav mine unge medarbejdere mulighed for at arbejde fuldt ud, hvilket resulterede i fire præmier modtaget af dem på forskellige konkurrencer og konferencer.

En vigtig retning for laboratoriets arbejde er undersøgelsen af ​​aktiveringsmekanismerne hos det mest mystiske medlem af caspasefamilien: Caspase-2. Åbnet en af ​​de første, dette enzym er stadig den mindst studerede. For mere end 10 år siden blev det konstateret, at aktiveringen af ​​caspase-2 forekommer inden for komplekset PIDDosome af tre proteiner. Vi viste først at caspase-2 kan aktiveres uden for dette kompleks, og disse resultater blev bekræftet på knockout (med "off" genet) mus i laboratorierne i Østrig og USA. Der udføres en detaljeret beskrivelse af det nye kompleks; der er allerede indgivet en patentansøgning. Denne teoretiske undersøgelse har vigtig medicinsk betydning: foreløbige data peger på en specifik caspase-2-funktion i udviklingen af ​​tumorer, især gynækologiske.I samarbejde med klinikere studeres forholdet mellem ekspressionsniveauet af caspase-2 og responsen af ​​disse tumorer til kemoterapi i detaljer.

Med undersøgelse af apoptosemekanismerne undersøger laboratoriet mekanismerne for apoptose ved Moskva State University. MV Lomonosov skiftede gradvist til studiet af interaktionen mellem forskellige typer programmeret celledød. Hvis cellerne af adenocarcinom i lungen under undertrykkelsen af ​​autofagens proces (når de cellulære komponenter begynder at "fordøjes"), bliver de mere tilbøjelige til apoptose, og så sker der i koloncancerceller alt andet omvendt. Laboratoriens interesser er fokuseret på samspillet mellem autofag og apoptose, nekroptose og apoptose samt mitotisk katastrofe og tumorernes reaktion på kemoterapi. Undersøgelsen af ​​"hot spots" i celledødens mekanismer gør det muligt at opdage terapeutiske mål for at søge efter forbindelser, der specifikt påvirker dem af forskellig art (lavmolekylvægt, antistoffer, peptider osv.).

Hvad kan jeg sige, det er svært at arbejde i Rusland, men at forlade er at holde op med unge, der allerede er vant til at arbejde i henhold til visse standarder.Jeg vil ikke afsløre sandheden, hvis jeg siger, at i Rusland, desværre lever videnskaben ofte "af forestillinger" – man behøver ikke at gå langt for eksempler. Og selvom det er sådan, venter succes ikke: her, som overhovedet, må vi leve ved lov og retfærdighed.

Nobelforsamlingen inviterede i 2001 mig og den svenske professor S. Orrenius, som på et tidspunkt inviterede mig til Stockholm, til at arrangere en konference Cellecyklus død i sygdom ("Cellecyklussens rolle og celledød i forekomsten af ​​sygdommen"). På sådanne tematiske konferencer taler kun inviterede højttalere, og mindst en tredjedel af rapporten skal afsættes til nye, endnu ikke offentliggjorte resultater. Derfor afholdes sådanne møder normalt ikke oftere end en gang om 20 år. Men til vores overraskelse og glæde blev den anden konference under samme navn, dedikeret til Karolinska Instituttets 200-årsdag, indkaldt ti år senere. Og i 2015 modtog jeg igen en invitation til at deltage i organisationen af ​​den tredje konference, som blev afholdt i juni 2016.

Det er vigtigt at bemærke, at hvis man på den første konference kun drøftede de mulige mekanismer i de fænomener, der blev undersøgt, så var der allerede ved anden om specifikke sygdomme relateret til dem.På sidste møde sluttede hver rapport med en historie om rigtige kandidater til terapeutiske stoffer eller om allerede oprettede stoffer.

Flere lægemidler, hvis handlingsprincip er baseret på fænomenet programmeret celledød, gennemgår allerede kliniske forsøg, og nogle af dem er blevet godkendt af US Food and Drug Administration (FDA). Disse omfatter dem udviklet af virksomheden. Genentec lægemiddel med et foreløbigt navn anti-PD1 til behandling af en række tumorsygdomme; stoffer ABT-199 og ABT-293 fra virksomheden Abbvieder hæmmer aktiviteten af ​​anti-apoptotiske proteiner fra familien Bcl-2 og er effektive i akut og kronisk lymfocytisk og akut myeloid leukæmi.

"Det er absolut nødvendigt at deltage i uddannelse. Sammen med mine kolleger, I. Lavrik og V. Gogvadze, lærte jeg ved Moscow State University kurset "Programmerbar celledød i biologi og medicin" på engelsk, som blev overværet af over 100 unge medarbejdere fra Moskva State University og andre universiteter og videnskabelige organisationer i Moskva, Vladimir og Rostov. I 2015 organiserede han et helt nyt kursus, toksikologi inden for medicin, dedikeret til de generelle mekanismer for toksikologi og patologi hos visse organer med vægt på de kliniske forsøg på nye lægemidler.Og i foråret 2016 gav jeg som gæsteprofessor 16 forelæsninger ved universitetet i Rom, Tor Vergata, en af ​​de ældste universiteter i den italienske hovedstad. "

Og selvfølgelig snakker vi nu mere og mere om personlig medicin. Endnu engang er der ingen universel kur mod kræft. Et eksempel er kemoterapi-lægemidlet IRESA fra et schweizisk selskab Novartis til behandling af lungeadenocarcinom. I kliniske forsøg med dette lægemiddel i Japan, hvor forekomsten er konsekvent høj, svarede ca. 30% af patienterne positivt på behandlingen – det er utroligt gode resultater for denne behandling. For amerikanske patienter var dette tal imidlertid ikke større end 2%. Det tog flere år at finde ud af, at resultatet var afhængigt af patienten med en specifik mutation i genet for det epidermale vækstfaktorreceptor-EGF-protein. Denne mutation er almindelig i Sydøstasien, men forekommer næsten aldrig i Europa og USA.

I dag er der en meget høj sandsynlighed for, at et nyt og potentielt stærkt effektivt lægemiddel kun vil virke under visse betingelser, så udvælgelsen af ​​behandling skal være individuel.Et stort og dyrt program til udvikling af personlig medicin, en af ​​hvalerne, som fremtidens sundhedspleje skal baseres på, arbejder i øjeblikket i EU.

litteratur
1. Kopeina G.S., Senichkin V.V., Zhivotovsky B. Caloric restriktion – en lovende anti-kræft tilgang: Biochim Biophys Acta. 2017. V. 1867, s. 29-41.
2. Zamaraev A. V., Kopeina G.S., Zhivotovsky B. et al. Celledødskontrol og terapeutisk potentiale Cell. Mol. Life Sci. 2015. V. 72. P. 505-517.
3. Zamaraev A. V., Kopeina G.S., Prokhorova E. A. et al. Post-translationelle caspaser på den anden side af apoptose regulatio // Trends Cell Biol. 2017 (i tryk).


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: