Utilizzare le strutture proteiche in 3D per la scoperta di farmaci

La struttura delle proteine gioca un ruolo fondamentale nella loro funzione. Le proteine sono composte da catene di amminoacidi che si piegano in forme specifiche, creando forme tridimensionali (3D) uniche. Queste forme determinano come le proteine interagiscono con altre molecole, compresi i farmaci. Tuttavia, studiare queste strutture 3D può essere complicato e costoso, soprattutto quando si cerca di capire come diverse proteine interagiscono tra loro. Molti ricercatori studiano le strutture proteiche solo dopo avere prove che suggeriscano che queste strutture siano importanti per le funzioni biologiche.

#Progettazione di farmaci basata sulla struttura

Progettare farmaci basati sulle strutture delle proteine è diventato un approccio comune. I ricercatori prima raccolgono prove sul ruolo di una proteina in una malattia, spesso attraverso la sua sequenza di amminoacidi. Una volta identificata una proteina che potrebbe essere un obiettivo per un farmaco, ne studiano la struttura. Tuttavia, la maggior parte degli approcci parte prima dalle funzioni note e poi guarda alle strutture. C'è meno enfasi nel partire dalla struttura 3D per identificare nuove funzioni.

Per affrontare questa lacuna, i ricercatori hanno iniziato a esaminare le strutture proteiche 3D come fonte di informazioni per la scoperta di farmaci. Il processo di scoperta di farmaci coinvolge tipicamente due approcci principali: Scoperta di farmaci mirati (TDD) e Scoperta di Farmaci Basata sul Fenotipo (PDD). Il TDD si concentra sulla ricerca di farmaci che si legano a un obiettivo proteico specifico, mentre la PDD guarda a come i cambiamenti nel fenotipo possano aiutare a identificare obiettivi rilevanti.

Mentre il TDD inizia con una comprensione della proteina e della sua struttura, questo metodo può rivelarsi insufficiente quando si tratta di malattie complesse. D'altro canto, la PDD può essere impegnativa poiché richiede di capire quali obiettivi siano i più significativi all'interno di sistemi biologici complessi.

#Sfide nello sviluppo di farmaci

La scoperta di farmaci è importante ma presenta delle sfide. Più del 96% dei potenziali farmaci non riescono ad ottenere l'approvazione dalla FDA dopo la scoperta iniziale in laboratorio. Inoltre, più del 90% dei farmaci che entrano negli studi clinici non riescono a raggiungere il mercato. Il costo medio per portare un nuovo farmaco sul mercato è di circa 2 miliardi di dollari, e il processo può richiedere più di dieci anni. Questi dati evidenziano la necessità di nuove strategie nella scoperta di farmaci.

#Esplorazione delle strutture proteiche 3D

Per testare l'idea che le strutture proteiche 3D possano essere cruciali nella scoperta di farmaci, i ricercatori hanno condotto una serie di test. Hanno creato una libreria di strutture cristalline proteiche e sviluppato un insieme di analisi per studiarle utilizzando un supercomputer. L'obiettivo era identificare strutture proteiche che non erano state completamente caratterizzate ma che potessero legarsi a composti simili a farmaci. Hanno poi cercato composti previsti per interagire con queste strutture.

Un composto identificato in questa ricerca, chiamato Dxr2-017, è risultato inibire la crescita delle cellule di melanoma umano a basse concentrazioni mostrando poca tossicità per le cellule staminali del midollo osseo umano. Questo composto ha anche indotto un tipo di morte cellulare chiamato anoichis, che potrebbe essere importante per sviluppare trattamenti efficaci.

#Identificazione delle strutture proteiche utili

I ricercatori miravano a confermare che la struttura proteica stessa potesse fornire preziose informazioni per sviluppare nuovi farmaci. Avevano bisogno di accesso a informazioni ben documentate sulle strutture proteiche e a un modo per analizzarle in dettaglio. Collaborando con diverse organizzazioni, hanno costruito una libreria di strutture proteiche ad alta risoluzione. Questa libreria includeva informazioni accessibili al pubblico tramite un database proteico.

Si sono concentrati su proteine specifiche note per essere importanti in varie malattie, in particolare quelle legate a infezioni batteriche. I ricercatori hanno esaminato i siti di legame sulle proteine per trovare potenziali obiettivi per piccole molecole che potessero fungere da terapeutici.

La loro metodologia ha consentito un’analisi approfondita delle superfici proteiche, portando all'identificazione di strutture che erano probabilmente in grado di fungere da target efficaci per farmaci. Hanno prioritizzato le cavità delle proteine che erano biologicamente importanti, strutturalmente conservate e non già mirate da altri farmaci.

#Ricerca di ligandi a piccole molecole

Dopo aver identificato le cavità sulle proteine, i ricercatori hanno cercato piccole molecole che potessero potenzialmente legarsi a questi siti. Hanno esaminato una libreria di milioni di composti, concentrandosi su quelli con caratteristiche specifiche che potrebbero essere farmaci efficaci. Hanno utilizzato metodi computazionali per prevedere quanto bene questi composti si sarebbero legati alle cavità proteiche identificate.

Dallo screening iniziale, hanno ristretto la lista a un numero minore di composti, che sono stati poi rivisti da esperti per il loro potenziale terapeutico. Hanno considerato fattori come disponibilità, proprietà chimiche e potenziali effetti tossici su cellule normali.

#Test dei composti per efficacia

Dopo aver selezionato diversi composti promettenti, i ricercatori hanno testato la loro capacità di inibire la crescita delle cellule tumorali. Hanno condotto esperimenti con diverse linee cellulari tumorali, comprese quelle del seno, dei polmoni, del colon e della prostata. Hanno anche osservato gli effetti di questi composti sulle cellule staminali del midollo osseo umano, poiché queste cellule sono particolarmente sensibili alla tossicità dei farmaci.

Hanno misurato l'inibizione della crescita delle cellule tumorali e l'hanno confrontata con gli effetti sulle cellule staminali del midollo osseo per determinare la selettività. Questo approccio ha permesso loro di identificare composti che potevano efficacemente mirare alle cellule tumorali senza danneggiare significativamente le cellule normali.

#Analisi dei risultati

I risultati dei loro esperimenti hanno mostrato che, mentre alcuni composti inibivano la crescita delle cellule tumorali, la maggior parte aveva effetti minimi sulle cellule staminali del midollo osseo. Questo aspetto è cruciale poiché una delle principali preoccupazioni nel trattamento del cancro è minimizzare il danno ai tessuti normali.

Tra i composti testati, Dxr2-017 si è distinto. Ha dimostrato un'ottima selettività e potenza, specialmente contro le linee cellulari di melanoma. I ricercatori hanno osservato che mentre Dxr2-017 inibiva la crescita delle cellule tumorali a basse concentrazioni, aveva poco o nessun impatto sulla funzione normale delle cellule staminali del midollo osseo. Questa differenza significativa suggerisce una finestra terapeutica elevata, indicando che questo composto potrebbe essere un candidato promettente per ulteriori sviluppi.

#Meccanismo d'azione

È stato anche esplorato il meccanismo con cui Dxr2-017 inibiva la crescita delle cellule tumorali. Le indagini iniziali hanno escluso l'apoptosi standard, un processo in cui le cellule subiscono una morte programmata in modo tipico. Invece, i ricercatori hanno trovato prove che Dxr2-017 stava inducendo anoichis, un processo di morte cellulare che si verifica quando le cellule si staccano dall'ambiente circostante.

Questi risultati sono significativi poiché indurre anoichis nelle cellule tumorali può essere una strategia utile nel trattamento del cancro, soprattutto poiché molte cellule tumorali spesso sfuggono alla morte quando sono staccate.

#Conclusione e direzioni future

Questa ricerca supporta l'idea che la struttura proteica 3D possa servire come un punto di accesso prezioso per la scoperta di farmaci. Il successo iniziale nel trovare Dxr2-017, un composto che inibisce efficacemente la crescita delle cellule tumorali minimizzando gli effetti sulle cellule normali, dimostra il potenziale di questo approccio.

Con il progredire della tecnologia, ci si aspetta che librerie più grandi e strumenti analitici potenziati migliorino ulteriormente il processo di scoperta di farmaci. I risultati incoraggiano ulteriori esplorazioni di strutture proteiche uniche come fonti di informazioni per sviluppare nuovi terapeutici.

In sintesi, questo studio fornisce una prova di concetto che valutare le strutture proteiche può essere un passo critico per identificare nuovi farmaci. Le implicazioni di questa ricerca vanno oltre il cancro, influenzando potenzialmente varie aree della medicina mentre i ricercatori cercano di capire come queste strutture influenzino i processi biologici e le applicazioni terapeutiche.