Materijal sa vrlo optimističnim podnaslovom: “Pacijenti mogu dobiti genetski modificirani lijek za sve vrste i stadijume malignih tumora za tri do četiri godine.”
Međutim, svaka osoba koja barem nešto zna o liječenju onkoloških bolesti, u najboljem slučaju će podići obrve iznenađeno, au najgorem biti ogorčena pri pogledu na takvu prognozu. Reći ćemo vam šta nije u redu sa najnovijom "naučnom senzacijom".
Šta se desilo?
Razvoj lijeka, koji je opisan u Izvestiji, provodi se u Državnom istraživačkom institutu za visoko čiste lijekove Federalne medicinsko-biološke agencije (FMBA) Rusije. Zamenik direktora za naučni rad Instituta, dopisni član Ruske akademije nauka i doktor medicinskih nauka, profesor Andrej Simbircev, u ovom materijalu pod naslovom „U Rusiji su stvorili lek za rak i testirali ga u svemiru“, rekao je za Izvestija. dopisnik o "proteinu toplotnog šoka", koji je kristalizovan u nultom stepenu gravitacije na ISS-u, a sada je podvrgnut pretkliničkom testiranju.
Trenutno se istraživanje provodi uz grant Ministarstva obrazovanja i nauke, a naučnici planiraju pronaći 100 miliona rubalja za klinička ispitivanja uz pomoć privatnih investitora i 50% državnog programa sufinansiranja. Kako bi ga privukli, programeri će „pokucati na sva vrata, jer je lijek jedinstven. Na pragu smo otkrivanja potpuno novog liječenja raka. To će pomoći ljudima s neizlječivim tumorima.”
"Već proizvodimo lijek na proizvodnim lokacijama istraživačkog instituta", rekao je nadahnutim novinarima Andrej Simbircev, dodajući da su trenutno u toku ispitivanja na miševima i da će stići do pacijenata za samo tri do četiri godine.
u čemu je kvaka?
Sve ovo zvuči vrlo inspirativno, ali proteini toplotnog šoka su zapravo poznati odavno, ali iz nekog razloga ljudi od njih još uvijek nisu napravili lijek za sve vrste raka. Ovo je prilično velika porodica proteina koji se aktiviraju kao odgovor na stres kada se temperatura poveća (a ponekad i smanji). Pomažu ćeliji u borbi protiv posljedica degradacije strukture drugih proteina. Najpoznatiji primjer takve promjene je koagulacija glavne komponente bjelanjka, albumina, tokom prženja ili ključanja, kada iz bistrog postane bijelo. Dakle, proteini toplotnog šoka eliminišu posledice ovih promena: oni „popravljaju“ ili konačno koriste degradirane strukture. Mnogi proteini toplotnog šoka su takođe pratioci koji pomažu drugim proteinima da se pravilno savijaju.
referenca:
Šaperoni su klasa proteina čija je glavna funkcija obnavljanje tercijarne ili kvartarne strukture proteina, oni su također uključeni u formiranje i disocijaciju proteinskih kompleksa.
Proteini toplotnog šoka nalaze se u svim ćelijama. Međutim, u različitim ćelijama (posebno tumorskim, koje se u različitim vrstama karcinoma uvelike razlikuju i jedna od druge i od normalnih ćelija u telu), ovi proteini se ponašaju različito. Na primjer, kod nekih vrsta raka, ekspresija proteina HSP-70 može biti ili povećana (kod malignog melanoma) ili smanjena (kod raka bubrega).
Da bismo razumeli o kakvoj vrsti proteina je reč i da li se zaista koristi u terapiji raka i može li pomoći kod svih vrsta raka, razgovarali smo sa doktorom bioloških nauka Aleksandrom Sapožnikovim. Ovaj naučnik rukovodilac je laboratorije za ćelijske interakcije na Institutu za bioorgansku hemiju imena M.M. Šemjakin i Yu.A. Ovchinnikov RAS, koji već dugi niz godina radi na jednom od najperspektivnijih proteina toplotnog šoka za razvoj u ovom pravcu. On je komentarisao ovaj članak:
“Neću reći da je to glupost, ali ovo je apsolutno netačna informacija. Autor ideje o korištenju proteina toplotnog šoka molekularne težine 70 kilodaltona (tzv. HSP-70, na engleskom HSP70) je moj prijatelj i kolega Boris Margulis. Radi na Institutu za citologiju u Sankt Peterburgu.
On i njegova supruga Irina Guzhova cijeli život rade na ovom proteinu (i ja radim na njemu već dugi niz godina, ali ne sa istraživanjima vezanim za terapiju raka). Formalno, šef laboratorije je Irina, koja proučava kako su proteini povezani sa neurodegenerativnim bolestima, a Boris je šef odjeljenja. On je prva osoba na svijetu koja je predložila upotrebu "golog" proteina, koji nije pun antigena povezanih s tumorom.
Nisam vjerovao u njegove ideje o ovoj upotrebi ovog proteina (zapravo, još nije dokazano da će biti efikasan). Ako „plešemo sa šporeta“, tu je izvesni hinduista, Pramod Srivastava, koji je rođen u Indiji, ali je studirao, živi i radi u Americi. On je davno napravio ne samo "vakcinu" protiv tumora koristeći HSP-70, već je otvorio kliniku i njome liječi oboljele od raka. Srivastava izoluje ovaj protein direktno iz tumora: uzima biopsije od pacijenata, izoluje ga iz komada tkiva (postoje posebni načini da se dobije veoma visoka frakcija ovog proteina).
Međutim, protein, koji se dobija iz tkiva pacijenata obolelih od raka, u snažnom je kontaktu sa peptidima povezanim sa tumorom – onim obeležjima tumora koje prepoznaje imuni sistem. Stoga, kada se ovaj kompleks daje pacijentima, kod velikog broja pacijenata se razvija imuni odgovor i postiže se pozitivan učinak za pacijenta.
Zapravo, prema statistikama, ovaj učinak ne premašuje učinak kemoterapije. Ali ipak, kemoterapija "truje" tijelo, ali takva "vakcinacija" ne "truje" tijelo. Ovo je veoma duga istorija; ovaj pristup se koristi u klinici dugo vremena.
Alexander Sapozhnikov. Doktor bioloških nauka, prof
Što se tiče Borisa Margulisa, on je (posebno, na osnovu moje laboratorije) pokazao (i objavio rezultate svog rada) da ako se čisti protein, bez ikakvog tumorskog opterećenja, doda tumorskim ćelijama, onda taj egzogeni protein uzrokuje izlaganje tumorskih ćelija isti peptidi povezani sa tumorom koji se normalno nalaze unutar ovih ćelija, u citoplazmi. Tada će ih imunološki sistem prepoznati, a tijelo će samo odbaciti te ćelije i boriti se protiv tumora.
To se pokazalo u kulturi in vitro, odnosno ne u telu, već u epruveti. Osim toga, Boris Margulis je tvrdio samo za leukemiju u djetinjstvu, budući da je povezan s kliničarima u Sankt Peterburgu. Ono što je Simbirtsev rekao u svom intervjuu je proširenje ove metode korištenja golih, čistih proteina.
Mehanizam djelovanja ovog čistog proteina je prisiljavanje tumora da izvuče na površinu (kako ga je sam Margulis nazvao, "istisne") ove peptide svojim endogenim proteinom. Ovaj protein je prisutan u svim ćelijama i ne postoji nijedna ćelija na svetu koja nema ovaj protein. Ovo je vrlo drevni, vrlo konzervativni protein, svi ga imaju (ne govorim sada o virusima).
Sam Margulis ne bi sproveo pretklinička istraživanja, dobio je (prije pet godina) stipendiju zajedno sa Institutom za visoko čiste lijekove. Očigledno, u ovom institutu radi ovaj Simbircev, čuo sam njegovo ime mnogo puta, ali pošto je ovo Federalna medicinsko-biološka agencija, koja uključuje Imunološki institut na Kaširki, gdje sam radio dugi niz godina, onda je najvjerovatnije ovo Institutu visoko čistih lijekova, uz koje je dobio grant za pretklinička istraživanja. Tokom sovjetskih godina to je bila Treća uprava Ministarstva zdravlja. Upravo sa ovim institutom dobijen je grant za pretkliniku od Ministarstva prosvjete u iznosu od 30 miliona za tri godine, koji je okončan prije dvije godine.
Zavod za visokočiste preparate je uradio svu papirologiju, prijavili su im grant, a za sledeću fazu, promociju leka, potreban je i novac. Ovo je prva faza kliničkih ispitivanja. Ovdje se Boris Margulis, koliko sam ja shvatio, već udaljio od razvoja, prepustivši ga Institutu za visokočiste preparate.
Oni prave ovaj protein, napravili su biotehnologiju, imam ga čak i u frižideru, Boris mi ga je dao na testiranje. Prave ga u velikim količinama i čuvaju u liofiliziranom obliku (suhi oblik) u sterilnim ampulama. Zapravo, ovaj lijek bi se trebao koristiti, možda s nekim aditivima, u kliničkim ispitivanjima. Ali za ovo je potreban novac.
Pošto sam slučajno ugledao vest sa Simbircevovim intervjuom, pročitao sam je, poslao Margulisu i pitao da li ju je pročitao. Boris mi je odgovorio da je Andrej (koga dobro poznaje) uradio neku glupost, nije se ni osvrnuo na autore. Autor ove ideje (da se čisti protein koristi kao antitumorski lijek u onkologiji), ponavljam, je Boris Margulis. Ali, koliko sam čuo od njega u poslednje vreme, on se udaljio od ovog pitanja.
Radim na ovom proteinu, ali kao imunomodulator, poput moje laboratorije. Malo smo radili sa antitumorskim svojstvima, na modelima miševa. Tamo su bili zaista dobri rezultati. Mislim na "goli" protein, on jednostavno ima imunostimulirajuća svojstva. Inače, veliko je pitanje šta je razlog njegovih imunostimulirajućih svojstava: sam protein ili neke sitne nečistoće, na primjer lipopolisaharidi. Ovaj protein se dobija u bakterijskoj kulturi (in E.coli), ovo je najčešća tehnika za proizvodnju rekombinantnih proteina. Lipopolisaharidi (LPS) su sastavni dio ćelijskog zida bakterije i vrlo je teško potpuno očistiti kulturu od ove nečistoće. Naravno, oni ga čiste, ali neke male koncentracije ostaju. Ove nečistoće LPS-a također imaju imunostimulirajuća svojstva jednostavno zato što je imunološki sistem evoluirao da razvije vlastitu odbranu protiv bakterija. Čim se u tijelu pojavi „miris“ bakterija, aktivira se imuni sistem. Stoga mnogi autori danas vjeruju da imunostimulirajuća svojstva ovog proteina, koja također moduliraju antitumorski odgovor, nisu uzrokovana HSP-om kao takvim, već njegovom primjesom. Ali ovo pitanje je naučno, diskutabilno i nema nikakve veze sa praksom.
Sada, ponavljam, Boris Margulis se udaljava od ove teme, od onkologije, i radi na malim molekulima koji mogu regulisati proizvodnju ovog proteina. Kontaktirao je hemičare koji znaju kako da naprave inhibitore - takve specifične kinaze, neke enzime unutar ćelija koji zaustavljaju njihov rad. Inhibitori mogu nekom enzimu reći: "Ne, nemaš pravo da radiš."
To se radi vrlo jednostavno: svi enzimi imaju centar za vezivanje supstrata, i ako uzmete neki mali molekul koji je ugrađen u ovaj centar za vezivanje supstrata, on više neće moći obraditi ovaj supstrat. Boris sada radi na molekulima koji inhibiraju intracelularnu sintezu ovog HSP-70. I zaista, takvi su molekuli vrlo relevantni, i to ne samo za fundamentalnu biologiju, već i za praksu i kliničku medicinu.”
Pacijenti mogu dobiti genetski modifikovan lijek za sve vrste i stadijume malignih tumora za tri do četiri godine
U Državnom istraživačkom institutu za visoko čiste lijekove Federalne medicinsko-biološke agencije (FMBA) Rusije završavaju se pretklinička ispitivanja proteina toplotnog šoka, lijeka koji bi mogao revolucionirati onkologiju. Ovo je fundamentalno novi lijek za liječenje malignih tumora, dobijen biotehnologijom. Naučnici sugeriraju da će pomoći ljudima s tumorima koji su trenutno neizlječivi. Uspjeh u stvaranju lijeka postignut je uz pomoć svemirskog eksperimenta. Zamjenik direktora Instituta za naučni rad, dopisni član Ruske akademije nauka, doktor medicinskih nauka, profesor Andrej Simbircev rekao je o tome dopisniku Izvestija Valeriji Nodelman.
- Koji je glavni aktivni sastojak novog lijeka za maligne tumore?
Naš lijek ima radni naziv "Protein toplotnog šoka" - baziran na glavnom aktivnom sastojku. Ovo je molekul koji sintetizira bilo koja stanica ljudskog tijela kao odgovor na različite stresore. Naučnici su odavno znali za njegovo postojanje. U početku se pretpostavljalo da protein može samo zaštititi ćeliju od oštećenja. Kasnije se ispostavilo da osim toga ima i jedinstveno svojstvo - pomaže ćeliji da pokaže svoje tumorske antigene imunološkom sistemu i time pojačava antitumorski imuni odgovor.
- Ako tijelo proizvodi takve molekule, zašto ne može samo da se nosi sa rakom?
Zato što je količina ovog proteina u tijelu minimalna. Nije dovoljno da se postigne terapeutski efekat. Također je nemoguće jednostavno uzeti ove molekule iz zdravih stanica i uvesti ih u bolesne. Stoga je razvijena posebna biotehnologija za sintetizaciju proteina u količini potrebnoj za stvaranje lijeka. Izolirali smo gen ljudske ćelije koji je odgovoran za proizvodnju proteina i klonirali ga. Tada je stvoren soj proizvođača i bakterijska ćelija je bila prisiljena da sintetizira ljudski protein. Takve ćelije se dobro razmnožavaju, što nam je omogućilo da dobijemo neograničenu količinu proteina.
- Vaš izum je da kreirate tehnologiju za proizvodnju “proteina toplotnog šoka”?
Ne samo. Također smo uspjeli proučiti njegovu strukturu i dešifrirati mehanizam antitumorskog djelovanja na molekularnom nivou. FMBA ima jedinstvenu priliku da sprovodi medicinska istraživanja koristeći svemirske programe. Činjenica je da je za analizu djelovanja proteina rendgenskom difrakcijom potrebno od njega formirati ultra čisti kristal. Međutim, nemoguće ga je dobiti u uvjetima gravitacije - proteinski kristali rastu neravnomjerno. Rodila se ideja da se kristali uzgajaju u svemiru. Takav eksperiment izveden je 2015. Upakovali smo ultra-čisti protein u kapilarne epruvete i poslali ih na ISS. Tokom šest mjeseci leta, savršeni kristali su se formirali u cijevima. Spušteni su na zemlju i analizirani u Rusiji i Japanu (imaju tešku opremu za rendgensku analizu).
- Da li je efikasnost leka već dokazana?
Proveli smo eksperimente na miševima i štakorima koji su razvili melanome i sarkome. Tok primjene lijeka je u većini slučajeva doveo do potpunog izlječenja čak iu kasnijim fazama. Odnosno, već sada možemo sa sigurnošću reći da protein ima biološku aktivnost potrebnu za liječenje raka.
Zašto mislite da će protein toplotnog šoka pomoći ne samo kod sarkoma, već i kod drugih vrsta malignih tumora?
Novi lijek je baziran na molekuli koju sintetiziraju sve vrste stanica. Ona nema specifičnosti. Lijek će djelovati na druge vrste tumora zbog ove svestranosti.
- Hoće li biti potrebno svaki put poslati protein u svemir za stvaranje lijeka?
br. Stvaranje kristala u nultoj gravitaciji bilo je potrebno samo za naučnu fazu razvoja lijeka. Svemirski eksperiment je samo potvrdio da smo na dobrom putu. A proizvodnja će biti isključivo zemaljska. U stvari, mi već proizvodimo lijek na proizvodnim mjestima istraživačkog instituta. To je proteinski rastvor koji se može davati pacijentima. Ubrizgavamo ga intravenozno miševima. Ali možda ćemo tokom kliničkih ispitivanja pronaći efikasnije pristupe – na primjer, ciljana isporuka proteina tumoru može se pokazati kao optimalna.
- Da li novi lijek ima nuspojave?
Do sada nisu identifikovani nikakvi problemi. Tokom testiranja, protein toplotnog šoka nije pokazao toksičnost. No, zaključak o potpunoj sigurnosti lijeka konačno ćemo moći izvući tek nakon završetka pretkliničkih studija. Ovo će trajati još godinu dana.
- I onda možete započeti klinička ispitivanja?
U potpunosti zavisi od toga da li možemo naći izvor finansiranja za njih. Za pretkliničku fazu dobili smo grant od Ministarstva prosvjete i nauke. Klinička ispitivanja su veoma skupa - oko 100 miliona rubalja. Obično se sprovode pod uslovima sufinansiranja: postoji privatni investitor koji ulaže sredstva, a država vraća 50% u slučaju uspešnog završetka. Računamo na podršku Ministarstva industrije i trgovine ili Ministarstva zdravlja.
-Da li je već pronađen privatni investitor?
br. Pred nama je puno posla da ga pronađemo. Bilo bi moguće pozvati Japance da budu investitori, ali ja bih da počnem od Rusije, jer je to domaći razvoj. Pokucaćemo na sva vrata, jer je lek jedinstven. Na pragu smo otkrivanja potpuno novog liječenja raka. Pomoći će ljudima sa neizlječivim tumorima.
- Da li se slična dešavanja provode u inostranstvu?
Čuli smo o pokušajima nabavke lijeka "Heat Shock Protein" u različitim zemljama. Takav rad se obavlja, na primjer, u SAD-u i Japanu. Ali do sada niko nije objavio njihove rezultate. Nadam se da smo po ovom pitanju sada ispred naših stranih kolega. Glavna stvar je ne stati na ovom putu. A to se može dogoditi samo iz jednog razloga – zbog nedostatka sredstava.
- Kada će realno, pod svim povoljnim okolnostima, čovečanstvo moći da dobije lek za rak?
Potpuna klinička ispitivanja obično traju dvije do tri godine. Nažalost, neće biti brže - ovo je ozbiljna studija. Odnosno, uzimajući u obzir završnu fazu pretkliničkih studija, pacijenti će dobiti novi lijek za tri do četiri godine.
10.11.2018
Strukturne i funkcionalne promjene pod utjecajem visokih temperatura. Visokotemperaturni efekti prvenstveno utiču na fluidnost membrana, što rezultira povećanjem njihove permeabilnosti i oslobađanjem supstanci rastvorljivih u vodi iz ćelije. Kao rezultat, dolazi do dezorganizacije mnogih ćelijskih funkcija, posebno do njihove podjele. Dakle, ako na temperaturi od 20 °C sve ćelije prolaze kroz proces mitotičke diobe, na 38 °C - svaka sedma ćelija, a na 42 °C - samo svaka petstota ćelija.
Povećana fluidnost membranskih lipida, uzrokovana promjenama u sastavu i strukturi membrane tokom pregrijavanja, dovodi do gubitka aktivnosti enzima vezanih za membranu i poremećaja ETC aktivnosti. Od glavnih procesa proizvodnje energije - fotosinteze i disanja, ETC fotosinteze je najosetljiviji, posebno fotosistem II (PS II). Što se tiče enzima fotosinteze, glavni enzim fotosinteznog ciklusa C3, RuBP karboksilaza, prilično je otporan na pregrijavanje.
Pregrijavanje ima primjetan učinak na vodni režim biljke, brzo i značajno povećavajući brzinu transpiracije. Kao rezultat toga, biljka doživljava nedostatak vode. Kombinacija suše sa toplotom i velikom sunčevom insolacijom ima najveći negativan uticaj na useve, remeteći, uz fotosintezu, disanje i vodni režim, i apsorpciju mineralnih elemenata ishrane.
Molekularni aspekti oštećenja toplotnog šoka. Toplota prvenstveno oštećuje proteine u ćeliji, posebno enzime, remeteći proces de novo biosinteze proteina, inhibirajući aktivnost enzima i izazivajući degradaciju postojećih proteina. Kao rezultat toga, skupovi enzima koji su važni za funkcionisanje ćelija i tokom perioda stresa i naknadne popravke mogu nestati. Većina ključnih biljnih enzima je termolabilna, uključujući Rubisco, katalazu i SOD. Rubisco inhibicija je glavni razlog za smanjenje IF na visokoj temperaturi. Toplota takođe inhibira sposobnost pretvaranja saharoze u skrob u ječmu, pšenici i krompiru, što ukazuje da je jedan ili više enzima u lancu konverzije snažno inhibirano toplotom. Direktan uticaj toplote na aktivnost rastvorljive skrob sintaze u endospermu pšenice, kako in vitro tako i in vivo, izaziva supresiju akumulacije skroba.
Visoke temperature inhibiraju aktivnost katalaze kod nekoliko biljnih vrsta, dok aktivnost ostalih antioksidativnih enzima nije inhibirana. Kod raži su promjene aktivnosti katalaze bile reverzibilne i nisu ostavljale vidljiva oštećenja nakon prestanka topline, dok je kod krastavca oporavak aktivnosti katalaze bio usporen (inhibiran) i praćen promjenom boje hlorofila, što ukazuje na značajnije oksidativno oštećenje. Kod sadnica kukuruza uzgojenih na povišenim temperaturama (35°C), aktivnost SOD je bila niža nego na relativno niskim temperaturama (10°C).
Toplota je poremetila integritet membrana, što je dovelo do njihove povećane propusnosti za jone i rastvore. Istovremeno je poremećena aktivnost membranskih enzima fotosinteze, disanja i transporta asimilata. Toplota je povećala stepen zasićenosti masnih kiselina u membranskim fosfolipidima ER. U uslovima ekstremne vrućine, njegove membrane su selektivno oštećene, uzrokujući degradaciju mRNK (3-amilaze. Istovremeno, toplotno indukovano curenje supstanci kroz membrane utiče na redoks potencijal glavnih ćelijskih kompartmana, koji zauzvrat, remeti tok metaboličkih procesa sve do smrti ćelije.
Oksidativni stres je nedavno prepoznat kao jedan od najvažnijih negativnih učinaka topline na biljke. Toplina uzrokuje neravnotežu između količine sunčevog zračenja koje apsorbiraju pigmenti i transporta elektrona kroz citokrome, proces koji se naziva fotoinhibicija. Višak energije može se prenijeti na kisik, što dovodi do stvaranja ROS. Glavna područja oksidativnog oštećenja u stanicama su mitohondriji i hloroplasti, gdje je poremećen transport elektrona. U hloroplastima stres visoke temperature uzrokuje fotoinhibiciju fotosinteze i inaktivaciju katalaze, što dovodi do nakupljanja ROS-a i izbjeljivanja klorofila. Fotosistem II je prepoznat kao najosetljiviji na toplotu, što dovodi do raspada funkcionalnih komponenti kompleksa PS II i, shodno tome, poremećaja transporta elektrona između PS I i PS II, povećanja protoka elektrona do molekularnog kiseonika i formiranje ROS-a. Kao rezultat toga, FI se smanjuje, što je glavni uzrok gubitka usjeva zbog topline.
Proteini toplotnog šoka. Sinteza proteina toplotnog šoka (HSP) kao odgovor na povišenu temperaturu otkrivena je 1974. godine. Karakteristična je za sve vrste živih organizama, uključujući više i niže biljke. HSP u svim organizmima je predstavljen velikim skupom polipeptida, koji se obično nazivaju prema njihovoj molekularnoj težini, izraženoj u kilodaltonima (kDa). Na primjer, HSP sa molekulskom težinom od 70 kDa naziva se HSP 70. Na značajnu ulogu HSP u životu ćelija ukazuje visoka očuvanost njihove evolucije. Dakle, pojedinačne regije u evoluciji HSP 70 zadržavaju preko 90% homologije kod bakterija i ljudi. Biljni HSP su predstavljeni grupom proteina visoke molekularne težine (110-60 kDa) i niske molekularne težine (35-15 kDa). Posebne karakteristike biljaka su mnoštvo HSP niske molekularne težine i visok intenzitet njihove sinteze tokom toplotnog šoka (HS).
Sinteza HSP je stresni program koji se pokreće toplotnim šokom i događa se kada temperatura poraste 8-10 °C iznad normalne. Tako se u listovima ječma maksimalna sinteza HSP-a postiže na 40 °C, a u listovima pirinča - na 45 °C. Prebacivanje normalnog života ćelije na stresni program uključuje reprogramiranje genoma povezano sa inhibicijom ekspresije gena čija je aktivnost karakteristična za život u normalnim uslovima i aktivacijom TS gena. U biljnim ćelijama, mRNA koja kodira HSP se otkriva 5 minuta nakon početka stresa. Osim toga, dolazi do raspada polisoma koji sintetiziraju proteine tipične za normalna stanja i formiranja polisoma koji sintetiziraju HSP. Brza aktivacija sinteze HSP-a na nivou ne samo transkripcije (sinteza RNK na DNK), već i translacije (sinteza proteina na mRNA) postiže se kao rezultat koordinacije mnogih događaja. Toplotni šok uzrokuje promjene u mRNA sintetiziranoj u ćeliji prije šoka, povezane s modifikacijom faktora translacije proteina i ribosomskih proteina. Osim toga, HSP mRNA se razlikuju od mRNA običnih proteina. Kao rezultat HS, sinteza konvencionalnih proteina je oslabljena, a zatim zaustavljena i aparat za sintezu proteina prelazi na sintezu HSP-a, koji se detektiraju u ćeliji već 15 minuta nakon početka HS. Maksimalna sinteza se opaža nakon 2-4 sata, a zatim se smanjuje.
Sinteza različitih HSP-a odvija se na različitim temperaturama. U hloroplastima, sinteza HSP visoke molekularne težine aktivirana je u rasponu od 34-42 °C, oslabljena na 44 °C, a naglo smanjena na 46 °C. Indukcija sinteze HSP niske molekularne mase bila je posebno uočljiva na 40-42 °C. Značajna inhibicija Rubisco sinteze dogodila se samo na temperaturama iznad 44 °C. Gotovo svi otkriveni HSP-ovi hloroplasta su kodirani u jezgru, sintetizirani u citoplazmi, a zatim transportirani u hloroplast, gdje obavljaju zaštitnu funkciju tokom HS. Nakon završetka toplotnog šoka, sinteza HSP se zaustavlja i nastavlja se sinteza proteina karakterističnih za ćeliju u normalnim temperaturnim uvjetima. U ovom slučaju, HSP mRNA se brzo uništava u stanicama na normalnim temperaturama, dok sami proteini mogu opstati mnogo duže, očito osiguravajući povećanje otpornosti stanice na toplinu. Produžena izloženost ćelija HSP uslovima obično takođe dovodi do slabljenja i prestanka sinteze HSP. U ovom slučaju, mehanizmi regulacije ekspresije HSP gena se aktiviraju prema principu povratne sprege. Akumulacija HSP-a u ćelijama smanjuje aktivnost njihovih gena. Možda na taj način ćelija održava količinu HSP-a na potrebnom nivou, sprečavajući njihovu prekomernu proizvodnju.
U pravilu, kao odgovor na povećanje temperature, sintetiziraju se odgovarajući proteini, što pomaže u povećanju toplinske otpornosti tijela. Zaštitna uloga HSP-a opisana je modelom molekularnog pratioca (u prijevodu s engleskog - vodič, mentor mladoj osobi). U ekstremnim uslovima, HSP „čuvaju“ funkcionisanje specifičnih makromolekula i ćelijskih struktura, oslobađajući ćelije od oštećenih komponenti, što omogućava održavanje ćelijske homeostaze. Interakcija HSP 70 sa drugim proteinima zavisi od odnosa ATP/ADP. Vjeruje se da HSP 70, u kompleksu sa ADP, zadržava netkani protein, a zamjena ADP sa ATP dovodi do oslobađanja ovog proteina iz kompleksa sa HSP 70.
U skladu sa ovim modelom, HSP povećavaju termičku stabilnost ćelija, obezbeđujući sledeće procese: energetski zavisnu stabilizaciju prirodne strukture proteina; pravilno sklapanje oligomernih struktura u uslovima hipertermije; transport tvari kroz membrane organela; dezagregacija neispravno sastavljenih makromolekularnih kompleksa; oslobađanje ćelije od denaturiranih makromolekula i recikliranje monomera koji su u njima uključeni uz pomoć ubikvitina. Ubikvitini su proteini toplotnog šoka niske molekularne težine, čije vezivanje za polipeptid čini ga metom za proteaze. Ovo je neka vrsta "smrtnog traga" za proteine. Uz njihovu pomoć odstranjuju se i uklanjaju proteini koji su oštećeni i nedovršeni kao rezultat djelovanja HS.
Brojne činjenice podržavaju zaštitnu funkciju HSP u HS. Posebno se pokazalo da isključivanje sinteze proteina sa specifičnim inhibitorima tokom HS, kada dođe do sinteze HSP, dovodi do smrti ćelije. Ćelije se mogu očvrsnuti, povećavajući njihovu termičku stabilnost prethodnim kratkotrajnim izlaganjem povišenim temperaturama. Uslovi za takvo stvrdnjavanje poklapaju se sa uslovima za indukciju sinteze HSP. Zanimljivo je da sintezu HSP-a u biljkama induciraju ne samo HSP-ovi, već i, na primjer, kadmijuve soli i arsenit, tretman kojim se povećava otpornost stanica na toplinu. Također je važno naglasiti da promjene u strukturi gena (mutacije) koje remete sintezu HSP dovode do gubitka otpornosti ćelije na zagrijavanje. Dalja istraživanja specifične funkcije svakog HSP-a pod stresom će omogućiti da se razjasne molekularni mehanizmi formiranja i funkcionisanja zaštitnih svojstava tokom HSP-a.
Većina HS proteina ima srodne proteine u ćelijama, koji se sintetiziraju na normalnim temperaturama stalno ili tokom određenih faza ontogeneze. Ispostavilo se da se ovi proteini, posebno HSP 70, vežu za druge proteine, uzrokujući njihovo odvijanje i sprečavajući njihovu agregaciju. Ovo posljednje može spriječiti protein da stekne nativnu konformaciju neophodnu za njegovu funkcionalnu aktivnost. Razmatranje proteina pomoću HSP-a neophodno je za njihovo prodiranje kroz membranu hloroplasta, mitohondrija i ER. Budući da se agregacija proteina naglo povećava s povećanjem temperature, aktivacija sinteze HSP 70 u ovim uvjetima treba zaštititi proteine od nepovratnih oštećenja. HSP su prisutni u svim ćelijskim odjeljcima, posebno u jezgru i nukleolima, gdje se akumuliraju tokom HS. HSP 70 podstiče prolaz prekursora hloroplasta i mitohondrijalnih proteina sintetizovanih u citoplazmi kroz membranu, igrajući ulogu u biogenezi ovih organela. HSP 60, koji se takođe odnosi na šaperone, takođe se naziva šaperonini. Ovi proteini osiguravaju ispravan sklop kvartarne strukture ćelijskih proteina, kao što je ključni fotosintetski enzim Rubisco, koji se sastoji od osam velikih i osam malih podjedinica. U grupu šaperona spada i HSP 90, koji igra važnu ulogu u formiranju kompleksa steroidnih hormona sa njihovim receptorima. Osim toga, HSP 90 formira komplekse s nekim protein kinazama, kontrolirajući njihovu aktivnost. Poznato je da protein kinaze fosforiliraju različite ćelijske proteine, regulišući njihovu aktivnost.
Više od 30 HSP niske molekularne težine (15-35 kDa) pronađeno je u biljkama, lokalizovanih uglavnom u citoplazmatskim granulama toplotnog šoka koje se pojavljuju tokom HS i nestaju nakon njega. Njihova glavna funkcija je zaštita mRNA prije šoka, što im omogućava da se koriste za sintezu proteina nakon završetka šoka. HSP niske molekularne težine se također nalaze u drugim dijelovima, posebno u hloroplastima. Vjeruje se da štite tilakoidne membrane, gdje su lokalizirani procesi svjetlosne faze fotosinteze, od HS.
U nekim biljkama otkrivena je konstitutivna (neindukovana) sinteza HSP-a tokom formiranja, posebno polena. Moguće je da HSP pred šokom osiguravaju njegovu termičku stabilnost tokom HS. Osim HSP-a, toplina inducira ekspresiju drugih klasa proteina, posebno kalmodulina.
Metabolizam u uslovima toplotnog šoka. Vrlo je malo ciljanih studija metabolizma biljaka pod utjecajem HS, a u tim eksperimentima i HS i suša često su djelovali istovremeno. Ovo je vrlo važna stvar, budući da je odgovor biljaka na kombinaciju suše i HS različit od odgovora na pojedinačne stresore. Dakle, pod kombinacijom stresa, biljke su akumulirale nekoliko topljivih šećera, uključujući saharozu, maltozu, trekalozu, fruktozu i glukozu. Pod uticajem suše dolazi do akumulacije prolina, ali se pod uticajem HS, kao i kombinacijom HS i suše, prolin nije akumulirao u biljkama. U uslovima HS, prolin ili njegov intermedijer (pirolin-5-karboksilat) je toksičan, tako da prolin nije prikladan kao kompatibilan osmolit. Uz istodobno djelovanje HS i suše, sadržaj glutamina naglo raste. Očigledno, kada je biosinteza prolina inhibirana, glutamat se transformiše u glutamin. Istovremeno se aktiviraju geni koji kodiraju razgradnju škroba i biosintezu lipida, a povećava se i ekspresija gena koji kodiraju heksokinazu, glukozo-6-fosfat dehidrogenazu, fruktokinazu i saharoza-UDP-glukoziltransferazu. Upravo promjene u ekspresiji gena na nivou transkripcije predstavljaju glavni faktor u reprogramiranju metabolizma ugljikohidrata.
Pod uticajem HS na sadnice Arabidopsis ustanovljeno je sinhrono povećanje veličine bazena niza aminokiselina i amida (asparagin, leucin, izoleucin, treonin, alanin i valin) dobijenih iz AP i PVA. Osim toga, povećan je sadržaj ugljikohidrata: maltoze, saharoze, galaktinola, mioinozitola, rafinoze i monosaharida, prekursora ćelijskog zida. Već nakon 6 sati povećane su koncentracije b-alanina, glicerola, maltoze, saharoze i trekaloze.
Fotosinteza, transpiracija i disanje. Indikator koji je usko povezan sa regulacijom metabolizma CO2 i H2O u biljkama je stomatalna provodljivost. Opsežni dokazi sugeriraju da visoke temperature izazivaju zatvaranje stomata, što se može smatrati indirektnim odgovorom na temperaturnu ovisnost deficita tlaka vodene pare i disanja listova. Dakle, djelomično zatvaranje stomata je posljedica povećanja intracelularne koncentracije CO2. Međutim, željeno zatvaranje stomata ne dovodi do smanjenja fotosinteze, jer se temperaturne ovisnosti stomatalne provodljivosti i IF ne poklapaju. Stoga se provodljivost stomata povećava na temperaturama gdje je fotosinteza nepovratno inhibirana.
Iako se čini da stomatalna provodljivost ne utječe direktno na IF, ona pomaže u regulaciji transpiracije, koja kontroliranjem temperature listova utječe na toplotnu toleranciju fotosinteze. U usjevima nekih usjeva, sa dovoljnom vlagom, temperatura zraka zbog termoregulacije može biti skoro 8 °C niža od temperature zraka iznad usjeva. Istovremeno, kada postoji manjak vlage u zemljištu, može se uočiti suprotna slika - temperatura listova u usjevu premašuje temperaturu okolnog zraka za skoro 15 °C, što pojačava negativan uticaj nedostatka vode na IF.
Stopa neto fotosinteze pšenice i većine C3 useva je prilično stabilna u rasponu od 15-30 °C. Ispod i iznad ovog temperaturnog opsega, IF se smanjuje za 5-10% za svaki stepen (slika 3.1). Relativno mala promjena u neto fotosintezi u rasponu od 15-30 °C ne bi trebala prikriti činjenicu da se bruto fotosinteza zapravo povećava s povećanjem temperature. Međutim, zbog istovremenog povećanja ID-a cijele biljke, a posebno fotorespiracije, intenzitet neto fotosinteze se malo mijenja.
Primjetne su razlike između C3 i C4 usjeva u tom pogledu, pri čemu je optimalan intenzitet neto fotosinteze kod C4 vrsta uočen na višim temperaturama (30-40 °C). Njihova fotorespiracija je beznačajna, zbog čega povećanje fiksacije CO2 s porastom temperature nije maskirano fotorespiratornim troškovima. Zaista, viši temperaturni optimum za neto fotosintezu kod C4 vrsta u poređenju sa C3 vrstama objašnjava se nižim respiratornim troškovima na povišenim temperaturama u prvim vrstama. Nepovratne promjene u njihovom fotosintetskom aparatu uočavaju se tek kada temperatura pređe 40 °C, uglavnom zbog oštećenja PS II koje nastaje u roku od nekoliko minuta nakon početka djelovanja HS, što presudno utiče na prinos.
„Proteini toplotnog šoka“ (skraćeno HSP ili HSP od engleskog Heat shock proteins) su posebna jedinjenja koja ćelije živih organizama proizvode tokom naglog povećanja temperature ili kao rezultat drugih stresnih opterećenja. Prve HSP-ove prvi su otkrili naučnici sredinom prošlog stoljeća. Od tada se aktivno proučava uloga proteina toplotnog šoka u biljkama, životinjama i ljudima.
U početku se vjerovalo da imaju isključivo zaštitnu ulogu, sprječavajući nastanak nepovratnih poremećaja. Međutim, vremenom je postalo jasno da ova jedinjenja mogu aktivno učestvovati u regeneraciji oštećenih ćelijskih struktura, kao i u funkcionisanju imunog sistema.
Konkretno, pretpostavljena je hipoteza da su HSP uključeni u vezivanje proteinskih fragmenata koji se pojavljuju tokom uništavanja ćelija malignih tumora. U tom slučaju nastaju konglomerati koje antikancerogeni imuni sistem prepoznaje kao „agresora“, tj. dolazi do takozvane “prezentacije antigena”. Drugim rečima, ljudski imuni sistem dobija priliku da „vidi rak“, koji u normalnim uslovima može prilično uspešno da se kamuflira od njega. Kao rezultat, pokreće se prirodni proces uništavanja tumora.
Potvrda ove teorije, kao i temeljno proučavanje strukture proteina toplotnog šoka i njegovog djelovanja u tumorskim tkivima na molekularnom nivou, postalo je moguće tek nakon što je ova jedinstvena supstanca stigla na međunarodnu svemirsku stanicu. U svemir su ga poslali ruski stručnjaci iz FMBA Istraživačkog instituta za visoko čiste biološke preparate, koji su sintetizirali HSP koristeći ekskluzivne tehnologije genetskog inženjeringa.
Zahvaljujući bestežinskom stanju, idealno su čak i proteinski kristali pogodni za rendgensku strukturnu analizu izrasli iz polaznog materijala, "upakovani" u najtanje molekularne cijevi. Svemirska pozornica omogućila je uspješno rješavanje glavnog problema s kojim su se naučnici suočili: u uslovima gravitacije, proteini su rasli neravnomjerno, a na Zemlji je bilo nemoguće dobiti kristale ispravne geometrije. Analizu kristalnih proteina uzgojenih u svemiru izvršili su ruski i japanski naučnici koristeći savremenu opremu za teške uslove rada.
Dobiveni podaci bili su osnova za stvaranje jedinstvenog lijeka čije je djelovanje ispitano prvo u epruvetama na ćelijskim kulturama, a potom i na laboratorijskim životinjama. Miševi sa sarkomom i melanomom, uključujući životinje sa četvrtom (terminalnom) fazom bolesti, liječeni su lijekom na bazi sintetiziranog HSP-a.
Rezultati su bili više nego impresivni:
- velika većina miševa se potpuno oporavila;
- nisu prijavljeni neželjeni efekti.
Kako ruski naučnici dobijaju protein toplotnog šoka
HSP proizvode bakterijske stanice u koje je uveden gen izoliran iz ljudskih stanica i kloniran. Ovaj gen je odgovoran za sintezu proteina toplotnog šoka. Trenutno se njegova proizvodnja po ovoj tehnologiji odvija na proizvodnim lokacijama Istraživačkog instituta za PCB.
Kako lijek „radi“ i koje vrste raka se mogu liječiti njime
Upotreba biološkog proizvoda usmjerena je na povećanje koncentracije Hsp u tumorskim tkivima pacijenata oboljelih od raka do nivoa koji izazivaju terapeutski učinak. Ova potreba postoji jer protein toplotnog šoka koji „pokazuje imuni sistem raka“ u ljudskom tijelu:
- proizvedeno u vrlo malim količinama;
- ne mogu se "sakupiti" u zdravim ćelijama i "prenijeti" u atipične ćelije raka.
Programeri tvrde da je metoda koju su razvili univerzalna, kao što je i sam protein, koji proizvode sva tkiva našeg tijela, univerzalan. Stoga, ako daljnja ispitivanja potvrde terapijski učinak lijeka i ne otkriju se nuspojave, može se koristiti za liječenje apsolutno svih oblika raka.
Ostale prednosti ruskog razvoja:
- Tretman je efikasan u terminalnim stadijumima, tj. upravo kada je izuzetno teško, vrlo često nemoguće, nositi se sa tumorom na bilo koji drugi način.
- Naučnici razmatraju mogućnost ciljanog djelovanja lijeka. Do sada se lijek davao intravenozno laboratorijskim životinjama i širio se krvlju po cijelom tijelu. U fazi kliničkih ispitivanja, stručnjaci planiraju da, paralelno sa intravenskom primjenom, testiraju metodu ciljane isporuke proteina toplotnog šoka u tumorske ćelije, nadajući se daljem povećanju efikasnosti liječenja i smanjenju rizika od nuspojava. Ova prilika u osnovi razlikuje rusku tehnologiju od metode “CAR-T ćelijske terapije”, čije se zvanično uvođenje u kliničku praksu očekuje u ljeto 2017.
Novac za završnu fazu pretkliničkih istraživanja novog lijeka (oko 100 miliona rubalja) je već pronađen. Ostaje da se pronađe sponzor koji će s državom podijeliti sredstva za klinička ispitivanja. Za sada je prioritet ruski biznis. Ako ruski sponzori ne budu pronađeni, razmotrit će se mogućnosti partnerstva sa japanskim poduzetnicima ili poslovnim strukturama iz drugih zemalja. Može potrajati još 3-4 godine da se završi proces testiranja. Ako njihov ishod bude pozitivan, onkolozi će moći da dobiju visoko efikasno sredstvo u borbi protiv raka.
Šta može sputati investitore i smanjiti nivo optimizma u prognozama?
Ulaganja u bilo koja klinička ispitivanja nose prilično velike rizike za poslovanje. Uostalom, čak i uz savremeni razvoj nauke, nemoguće je sa stopostotnom verovatnoćom predvideti kako će se novi lek ponašati, koliko će biti efikasan i siguran, ne u epruveti i u telu laboratorijskog miša, ali u praksi. Međutim, potraga za investicijom samo je pitanje vremena.
Vrijeme će također pokazati koliko će nova metoda biti učinkovita. Na primjer, ne može se isključiti da ako je prirodni imunitet oslabljen, njegove sposobnosti za borbu protiv tumora jednostavno neće biti dovoljne.
I, naravno, tek nakon nekoliko godina biće moguće razumjeti:
- da li ćelije raka mogu mutirati u potrazi za zaštitom od "punskih doza" HSP-a;
- da li će učinak lijeka uzrokovati neželjene posljedice na duži rok.