Rákkutatás és a szignál-transzdukciós terápia

Írta: Zsákai Lilian (2003)

Az utóbbi években áttörés következett be a daganatos megbetegedések kialakulásának értelmezésében. Megismertük a rák kialakulásának molekuláris alapjait, és a folyamat megértése új megközelítésre ösztönözte a kutatókat a rák gyógyításában: megszületett a szignál-transzdukciós terápia elmélete és most válik valóra a gyakorlata. A megértéshez kérdéseket kell feltennünk és megválaszolnunk.

Mi a szignál-transzdukció?

1. ábra: Felvételek egy apoptotizáló sejtrõl

A szó a sejtek közötti és sejten belüli kommunikáció folyamatainak összefoglaló neve. A sejt az õt ért kémiai jelzések szerint cselekszik: osztódik, specializálódik egy feladatra, fenntartja állapotát, fokozza vagy csökkenti anyagcseréjének mértékét.  Ha fogunk egy sejtet és olyan környezetbe tesszük, ahol elviekben megvan minden, ami szem-szájnak ingere: glükóz, 36-37 Celsius fokos hõmérséklet, megfelelõ koncentráció, a sejt a többi sejttõl és a felsõbb szabályozó rendszerektõl jövõ molekula-jelek hiányában elpusztul. Tehát mindenek felett szüksége van ingerekre. A sejttársadalom abszolúte és rendkívül finoman szabályozott. Ebben a kommunisztikus rendben egy sejt mûködésének totális zavara végzetes lehet az egész szervezetre nézve.

A sejt szervezetért való feltétel nélküli önfeláldozását mutatja az, hogy ha elöregszik vagy valamilyen károsodás következtében (pl. a genetikai állományának súlyos sérülésekor) már nem tudja ellátni a feladatát, öngyilkos lesz. Szépen leállítja mûködését, steril halálához szükséges enzimeket, proteázokat termel és annak rendje és módja szerint megemészti magát. Ez a programozott sejthalál, más néven az apoptózis mechanizmusa.

A jelátvitel általában úgy történik, hogy a sejtmembránhoz érve a szabályozómolekula egy receptorfehérjéhez  kötõdik, annak erre megváltozik a térbeli elrendezõdése, konformációja és a membránon belüli fele más fehérjék konformációs változásait idézi elõ, azok ismét másokét, mígnem az információ eljut a sejtmagba, hogy ott megváltoztassa a génaktivitást, tehát azt, hogy milyen fehérjéket szintetizáljon a sejt - azaz hogyan viselkedjen. Így vezet a jel ún. jelátviteli kaszkádokon keresztül a sejtválasz kialakításához, legtöbbször foszforilációs-defoszforilációs kaszkádokon keresztül (egy foszfátcsoportot adogatva egymásnak). A kaszkád szó többek közt vízesést jelent, ami a jelátvitel azon tulajdonságára hívja fel a figyelmet, hogy egy jel, ahogy haladunk a sejtmag felé, egyre több fehérje aktivációjához vezet, amelyek a legkülönbözõbb sejtválaszokat alakíthatják ki. Ebbõl logikusan következik, hogy bizonyos jelek együttállása szükséges egy specifikus sejtválasz kialakításához, mint például az osztódás. A különbözõ jelek egy reakció elérése szempontjából erõsíthetik és gyengíthetik egymást. Mivel tulajdonképpen majdnem minden jelátviteli út kapcsolatban van egymással, a sejten belül ún. network jeltovábbítási rendszerrõl beszélünk.

Hogyan alakul ki a ráksejt?

Az elsõ lépés a sejt genetikai anyagának megváltozása, transzformációja pl. rákkeltõ kémiai anyagok, radioaktív és ultraibolya sugárzás hatására. Más génekrõl szintetizálódnak majd fehérjék, konkrétan mutált, eddig csendesen megbújó onkogének aktiválódására, valamint tumor szupresszor gének és a DNS-repair rendszer génjeinek inaktivációjára kerül sor. Ez annyit jelent, hogy egyrészt a sejtosztódáshoz szükséges fehérjék tömegével jelennek meg, másrészt pedig gátlás alá kerülnek azok a fehérjék, amik az osztódás, a sejtciklus szabályozását végzik (ezek a tumor szupresszorok) és gátlás alá kerülnek a DNS-másolás során keletkezõ mutációk javításáról és a mutáns DNS szintézisének leállításáról gondoskodó DNS-repair fehérjék (p53, Rb) is. A tumor kialakulásakor tehát a szaporodást szabályozó folyamatok szétkapcsolódnak.

A normál sejt csak külsõ jel, növekedési faktor hatására osztódik, ezzel szemben a tumorsejt az onkogének aktiválódása során utánozza ezeket a külsõ jeleket az osztódás jelátviteli fehérjéinek elõállításával, hamis osztódási jelet generál önmaga számára. Az ilyen szélsõségesen invidualista sejtek, akik nem hajlandók hallgatni a felsõbb szabályozó rendszer jeleire, rendellenes viselkedésük folytán igencsak ellenséges mikrokörnyezetbe kerülnek, hisz számos hormon, gátló faktor, citokin, immunogén szabályozó hat rájuk, valamint a mellettük levõ sejtek a köztük lévõ kapcsolatokon, az ún. gap junction-ökön keresztül próbálják a transzformálódott sejtet jobb belátásra téríteni. Akkor alakul ki daganat, mikor ezen hatások ellenére a sejt fülét befogva folytatja az osztódást, közben újabb genominális változások következnek be, és ekkor a szervezet szempontjából negatív evolúciós folyamat eredményeként egyre életképesebb sejtvariánsok keletkeznek. Ezek akár már arra is képesek, hogy felismerhetetlenné tegyék magukat az immunrendszer számára.

Hogyan viselkednek a tumorsejtek?

1. Folyamatosan osztódnak.
2. Lezárják az õket a többi sejttel összekötõ gap junction-öket, ezzel teljesen megszüntetve a környezetükkel való kommunikációt.
3. Antiapoptotikus hatású anyagokat termelnek, fenntartják a „túlélési jelet”, gátolják az apoptózisért felelõ enzimek szintézisét és mûködését.
4. Aktiválják a telomeráz nevû enzimet. Ez azért jelent gondot, mert alapvetõ tumorellenes mechanizmusa a sejtnek, hogy minden osztódáskor a kromoszómák végébõl levágódik egy darab, és így kb. 60 osztódás után egy kritikus ponthoz érve a sejt programozott sejthalállal elpusztul, hiszen az idõ elõrehaladtával a sejt is öregedik, így nõ a genominális transzformáció, ezáltal a tumor kialakulásának veszélye. A telomeráz mindig újraépíti a kromoszómák végét, a sorsfonalat.
5. Elkezdenek olyan faktorokat termelni, amik a továbbszaporodást segítik, példának okáért a fokozott anyagcseréjû daganat saját érrendszert épít ki magánk, ez az angiogenezis folyamata, vagy éppenséggel egy kritikus méret elérésekor  a daganat sejtvándorlást elõidézõ faktor termelésébe kezd.

Mindezen kóros folyamatok eredményeképpen a ráksejt elveszti identitását (nem lesz õ már többé vese-, hám- vagy májsejt), önzõ módon a szervezetével szemben a saját továbbélését akarja, és ami a legfontosabb, örökifjú marad.

Mindezek után nem meglepõ, hogy az onkogének legtöbbje az osztódási jelet a sejtmag felé továbbító tirozin kinázokat  kódol. A ráksejt által termelt tirozin kinázok foszforilációs-defoszforilációs kaszkádokon keresztül olyan osztódási jelet közvetítenek a sejtmagba, amely nem kívülrõl jött. A ráksejtekben a tirozin kinázok expressziója, kifejezõdése fokozott. Ez többféleképpen bizonyítható. Egyrészt effektíve a fehérje mennyiségének növekedésével, másrészt a tumorsejt DNS-expressziós profiljának meghatározásával történik (DNS-chip technika). A tirozin kinázok lehetnek sejten belüli közvetítõk és receptorok is. (Ilyenek a jelenleg az érdeklõdés középpontjában álló Epidermális Growth Factor Receptor Tirozin Kináz (EGF-RTK ), a Platelet Derived GF-RTK (PDGF-RTK), a Vascoendotheliális GF-RTK (VEGF-RTK), Fibroblast-GF-RTK (FGF-RTK) és az src-TK.)

Ha ezen fehérjék mûködését erre alkalmas molekulákkal gátoljuk, megakadályozzuk a mimikált osztódási jel, az önmagának ismételgetett hazugság sejtmagba való terjedését és indukáljuk az apoptózist, elpusztítjuk a tumorsejtet. Ez a szignál-transzdukciós terápia elmélete, és most jön a gyakorlat.

Az ésszerû hatóanyagtervezés menete

Az elsõ lépés a tumorsejt jelátviteli folyamatait gátló szerek fejlesztésében a célmolekula azonosítása. Tehát olyan fehérjét, a mi esetünkben sejten belüli vagy receptor tirozin kinázt kell beazonosítani, amely bizonyítottan szerepet játszik a transzformált sejt által generált osztódási jel továbbításában. Az ún. DNS-chip technikával meghatározható a tumorsejtek génaktivitása, konkrétan az, hogy melyik onkogénrõl melyik tirozin kináz szintetizálódik nagymértékben, illetve, hogy mely fehérjék elõfordulása csökken a citoplazmában. A génexpressziós profilt a citoplazmában található mRNS-ek mennyiségébõl tudhatjuk meg, és tudjuk azt is, mely gének aktivációját jelzik ezek.

Az adott fehérje azonosítása után jellemzést kell róla készíteni, meg kell határozni helyzetét a sejtben és szerepét a jelátviteli folyamatban. Ehhez szekvenálni kell, azaz megismerni az aminosavsorrendjét, meghatározni a konformációját, megismerni fizikai-kémiai tulajdonságait (ilyenek a diffúzióállandó, a célmolekula viselkedése különbözõ rendszerekben). A vizsgálatok alapján fel kell térképezni a kötõhelyeit (gondolok itt az aktív centrumára és az ATP-kötõ helyére). Ez történik röntgendiffrakciós és mágneses-magrezonancia (NMR)-spektroszkópiával, amivel térszerkezetét határozhatjuk meg, különbözõ kromatográfiás módszerekkel, pl. gélelektroforézis, amivel fizikai viselkedésérõl, méretérõl, töltésviszonyairól szerezhetünk fontos információkat. Ezek alapján pontos számítógépes modell alkotható.

Azon molekula, amely képes a célfehérjénket megkötni és ezáltal inaktívvá tenni, ezen modell alapján alkotható meg. A mi esetünkben olyan molekulát keresünk, amely elég kicsi ahhoz, hogy áthatoljon a sejtmembránon, képes a lehetõ legnagyobb affinitással kötni a tirozin kinázhoz, specifikus a tumorsejtekre, és a nemkötõ része a szervezetre semleges.

A számítógépes modellen az eddig felépített molekula-könyvtárat tesztelik, és kiválasztják azokat az analógokat, amelyek ígéretesnek bizonyulnak. A nagy gyógyszercégek majd az összes hozzáférhetõ vegyületet végigvizsgálták a növényi és állati drogokkal egyetemben, és ezekbõl molekula-könyvtárakat építettek. Ez a tesztelési folyamat a gyógyszertervezés egyik legfontosabb eszköze, az ún. High Troughput Screening (HTS). Az erre megalkotott szoftverek – bármily meglepõ - nem a csillagok állásából jósolnak. A Neurális Hálózat alapú QSAR programcsomag például képes a szerkezet-hatás összefüggések kvantitatív vizsgálatára, ami annyit jelent, hogy képes kiválasztani a hatásért felelõs fizikai, kémiai paramétereket és szerkezeti tényezõket, ez alapján pedig azokat a molekulákat, amelyek a legnagyobb affinitással kötõdnek a célmolekulához. Ezek az ún. vezetõ molekulák.

A késõbbi kísérletekben ezeket a vezetõ molekulákat kell finomítani, karakterizálni a jobb hatás, és a magasabb szintû szelektivitás érdekében, tehát elõ kell õket állítani, apró változtatásokat tenni rajtuk, majd tesztelni õket in vitro és in vivo esszékben. Az in vitro nem élõ, az in vivo élõ rendszert jelent, tehát megfigyelik, hogy melyik molekula-analóg milyen hatékonysággal lép reakcióba a tisztított, izolált célfehérjével (in vitro esszé), illetve milyen hatása van tumor sejtvonalakon (in vivo). Az esszékben legeredményesebben szereplõ vegyületeknek gratulálnak, majd újabb vezetõ molekulákat választanak ki közülük, ezeket tovább variálják, újabb tesztelésnek vetik alá, majd az újabb hatástani adatok ismeretében ciklusokban finomítják, karakterizálják, mígnem eljutnak ahhoz az analóghoz, amely az adott tumor kifejlõdését nemcsak hogy szelektíven gátolja, de el is pusztítja azt.

A vizsgálatokban szereplõ molekulákból könyvtárat készítenek, amelyek az eddigi random könyvtárakkal szemben hatás szempontjából válogatott, célzott.

Másik megközelítés a daganat elpusztítására a tumor saját véredényrendszerének kiépítését, a már említett angiogenezist gátolni, ugyanis ha a tumorsejt nem kap elég táplálékot és légzési gázt, valamint nem adhatja le bomlástermékeit, elpusztul. Ezért az egyik célmolekula a Vascoendotheliális  Növekedési Faktor (VEGF), amely szintén tirozin kináz. Gátlásával megakadályozható lehet az angiogenezis folyamata.

2. ábra: A tumor-angiogenezis folyamata

Ezen elmélet és gyakorlat alapján született meg például a TT232 jelû szomatosztatin analóg, amelyet dr. Kéri György és kutatócsoportja fejlesztett ki és pillanatnyilag a klinikai fejlesztés 2. és 3. fázisa között jár. Tavaly májusban jelent meg a leukémia egy fajtájában megjelenõ fehérje (BCR-ABL kiméra kináz) gátlószere.  Ez a Glyvec nevû szer nyitotta meg a sort, ez került elõször piacra. Jelenleg több mint ötven ilyen szignál-transzdukciót gátló molekula van a klinikai fejlesztés különbözõ fázisaiban.

Az új technikák, mint a magmágneses-rezonancia-spektroszkópia, a DNS-chip technika, a szerkezet-hatás összefüggéseket meghatározó szoftverek elképesztõ lehetõségekhez juttattak minket. Ezt legjobb tudásunk szerint ki kell használnunk és továbbra is törekednünk kell mindennek a lehetõ legmélyebb megértésére. Azt hiszem, erre a rákkutatás és a szignál-transzdukciós terápia tökéletes példa. Ez már nem álom, hanem valóság, amiért hihetetlenül sokan dolgoztak és dolgoznak ma is.