Химическая наноинженерия: создание лекарств, контролируемых светом

Группа ученых из нескольких каталонских институтов, возглавляемая Пау Горостица (Pau Gorostiza) из Института Биоинженерии Каталонии (Institute for Bioengineering of Catalonia, IBEC) и Эрнестом Гиральтом (Ernest Giralt) из Исследовательского Института Биомедицины (Institute for Research in Biomedicine, IRB Barcelona) (Испания), совершила прорыв, который вскоре может привести к созданию абсолютно нового класса светорегулируемых лекарственных препаратов.

Ученые планируют создавать особые фоточувствительные белки, изменяющие свою форму под воздействием света, что позволит инициировать или, наоборот, предотвращать специфическое межбелковое взаимодействие в клетке.

На данный момент в лаборатории Дизайна, Синтеза и Структуры Пептидов и Протеинов, возглавляемой доктором Гиральтом, старшим научным сотрудником Университета Барселоны (University of Barcelona, Испания), было синтезировано два фоточувствительных пептида, объединение которых необходимо для эндоцитоза – процесса поглощения клеткой внешнего материала. Итальянский ученый Лаура Невола (Laura Nevola), доцент лаборатории доктора Гиральта, и Андре Мартин-Куирос (Andrés Martín-Quirós), аспирант из лаборатории доктора Горостицы, в течение четырех лет работали над созданием фоточувствительных пептидов.

«Фоточувствительные пептиды действуют подобно светофору: они могут давать красный или зеленый свет клеточному эндоцитозу. Это мощный инструмент для клеточной биологии», - поясняет доктор Гиральт.

«Эти молекулы позволяют использовать фокусируемый свет как волшебную палочку для контроля и исследования биологических процессов», - добавляет Горостица, профессор каталонского Института Исследований и Повышения Квалификации (ICREA, Каталония, Испания) и руководитель лаборатории Нанозондов и Нанопереключателей в Институте Биоинженерии.

Ученые придают большое значение непосредственному использованию этих молекул в научных исследованиях. Например, появится возможность in vitro изучить процесс эндоцитоза в раковых клетках, что даст возможность избирательно ингибировать пролиферацию клеток. Кроме того, фоточувствительные пептиды можно использовать в биологии развития, где клеткам необходим эндоцитоз для изменения их формы и функций – процессов, управляемых с высокой пространственной и временной точностью. В данном контексте фоточувствительные пептиды помогут управлять сложным развитием многоклеточного организма с помощью световых пучков.

«В настоящее время мы работаем над общим способом создания фотоуправляемых ингибиторных пептидов, которые можно будет использовать для управления другими межбелковыми взаимодействиями в клетке с помощью света», - объясняют исследователи.

По мнению Гиральта, прорыв ученых позволит им создать пептиды такого же класса для медико-химического применения.

Именно доктор Горостица был тем человеком, у кого возникла идея управления биологическими и фармакологическими процессами с помощью света, после пяти лет специализации в этой области в Калифорнийском Университете Беркли (University of California in Berkeley, США). «Самым непосредственным терапевтическим применением, которое мы можем ожидать, является использование пептидов для заболеваний, затрагивающих покровные ткани, такие как кожа, сетчатка глаза и большинство наружных слизистых мембран», - говорит Горостица.

Возможность модификации биологических процессов под действием света приведет к развитию передовых инструментов для биологии и медицины и открытию новых исследовательских областей, таких как оптофармакология и оптогенетика. Сочетание лекарственных препаратов с внешними устройствами, контролирующими свет, может внести вклад в развитие персонализированной медицины, когда лечение будет адаптировано под каждого конкретного пациента: ограничивая время воздействия на область, можно будет значительно снизить побочные эффекты.

Для разработки фоточувствительных лекарственных препаратов исследователям необходимо усилить фотохимический ответ компонентов и иметь возможность стимулировать их видимым светом.

«Продолжительное освещение ультрафиолетом токсично для клетки и потому является явным ограничением, равно как и низкая проницаемость ткани», - объясняет Гиральт.

Более того, фотопереключение компонентов и их стабильность в темноте необходимо усовершенствовать, чтобы иметь возможность, по словам Горостица, «при необходимости создавать их такими, чтобы взаимодействие быстро ослаблялось, когда облучение светом прекращается, или, наоборот, чтобы молекулы могли «запоминать» на несколько часов или дней полученный световой стимул».

Работа проведена в сотрудничестве с исследователями из группы Barcelona's Advanced Digital Microscopy Platform при Исследовательском Институте Барселоны, создавшими программу количественной и качественной оценки эффекта пептидов внутри клетки в режиме реального времени. Исследование проведено при поддержке группы из Института Биомедицинских Исследований (Bellvitge Biomedical Research Institute, IDIBELL, Каталония, Испания) под руководством доктора Артура Ллобета (Artur Llobet).

Ученые из Исследовательского Института Биомедицины и Института Биоинженерии Каталонии создали первые пептиды, регулируемые светом, для управления биологическими процессами. (фото: Copyright Laura Nevola)

По материалам Institute for Research in Biomedicine-IRB

Оригинальная статья:
Laura Nevola, Andrés Martín-Quirós, Kay Eckelt, Núria Camarero, Sébastien Tosi, Artur Llobet, Ernest Giralt, Pau Gorostiza. Light-Regulated Stapled Peptides to Inhibit Protein-Protein Interactions Involved in Clathrin-Mediated Endocytosis. Angewandte Chemie International Edition, 2013; DOI: 10.1002/anie.201303324