סיקור מקיף

חישת מולקולות קטנות לטובת פיתוח תרופות

מדענים מתארים שיטה חדשה לבדיקת מולקולות קטנות ואת זיקתן לחלבוני קרומיות. המחקר יאפשר למדענים ולרופאים לבחון את יחסי הגומלין הללו בקנה-מידה מזערי ובדיוק חסר תקדים.

ציד של מולקולות קטנות: הציור מתאר את המערך הניסויי ששימש לאיתור מולקולות קטנות, כמו אלו הנפוצות בתרופות (ירוק) והקישור שלהן לקולטנים הנמצאים על פני השטח החיצוני של קרומית התא (צהוב). אירועים אלו ניתנים לדימות בעזרת מיקרוסקופיה אופטית רגילה - עיוותים עדינים במבנה של קרומית התא הנגרמים כתוצאה מהקישור והניתוק של המולקולות הקטנות - מתורגמים לשינויים הנראים במסגרת עוצמת ההארה. [באדיבות: The Biodesign Institute at Arizona State University]
ציד של מולקולות קטנות: הציור מתאר את המערך הניסויי ששימש לאיתור מולקולות קטנות, כמו אלו הנפוצות בתרופות (ירוק) והקישור שלהן לקולטנים הנמצאים על פני השטח החיצוני של קרומית התא (צהוב). אירועים אלו ניתנים לדימות בעזרת מיקרוסקופיה אופטית רגילה – עיוותים עדינים במבנה של קרומית התא הנגרמים כתוצאה מהקישור והניתוק של המולקולות הקטנות – מתורגמים לשינויים הנראים במסגרת עוצמת ההארה. [באדיבות: The Biodesign Institute at Arizona State University]

[תרגום מאת ד"ר נחמני משה]
מדענים מתארים שיטה חדשה לבדיקת מולקולות קטנות ואת זיקתן לחלבוני קרומיות. המחקר יאפשר למדענים ולרופאים לבחון את יחסי הגומלין הללו בקנה-מידה מזערי ובדיוק חסר תקדים.

רוב התרופות הנפוצות כיום בשוק מורכבות ממולקולות קטנות הנקשרות לקבוצת חלבונים הנמצאת על פני המעטפת החיצונית של קרומיות התאים. חקר יחסי הגומלין הרגישים הללו חיוני לתכנון של תרופות יעילות, אולם – המשימה מאתגרת במיוחד. כעת, חוקרים מאוניברסיטת המדינה של אריזונה מתארים שיטה חדשה לבדיקת מולקולת קטנות ואת יחסי הגומלין שלהן עם חלבוני קרומיות תאים. המחקר יאפשר למדענים ולרופאים לבחון את יחסי הגומלין הללו בקנה-מידה מזערי ובדיוק חסר תקדים. לממצאים עשויות להיות השלכות נרחבות בנוגע למחקר הבסיסי של מנגנונים ביולוגיים ברמה התאית וכמו כן בהספקת מצע יעיל לתכנונן של תרופות חדשות, שאותן ניתן יהיה לשאת בצורה מהירה ומדויקת יותר, ואפילו בעלות זולה יותר. השיטה מאפשרת, לראשונה אי-פעם, מדידה ישירה ובזמן אמת של קינטיקת הקישור של מולקולות קטנות לחלבוני קרומיות של תאים שלמים, ללא צורך בהוספת תגיות מולקולאריות. ממצאי המחקר פורסמו לאחרונה בכתב-העת המדעי Science Advances.

"רוב התרופות הינן מולקולות קטנות ומרביתן נקשרות לחלבוני קרומיות", מסביר החוקר הראשי. "מדידה וקביעה של מנגנוני הקישור שבין המולקולות הללו לחלבונים חשובות מאוד מנקודת מבט רוקחית, אך גם מבחינת ההבנה של תהליכים תאיים בסיסיים". תכנון תרופות יעיל מחייב הבנה מעמיקה לא רק של מבנה המולקולות והחלבונים, אלא גם של התהליכים המתפתחים במערכת לאורך הזמן – מה שנקרא קינטיקת הקישור. הקצב שבו נקשרת וניתקת התרופה מהקולטנים (אותם חלבוני קרומיות) הוא בעל השפעה ישירה על יעילותה ובטיחותה של התרופה.

הטיוב של קינטיקת הקישור מאפשר למתכנני תרופות לשלוט בצורה מדויקת בשני גורמים קריטיים הידועים בסימוליםKon ו- Koff. סימולים אלו מיצגים את הקישור (Kon) והניתוק (Koff) של המולקולה מהקולטן שלה. באופן מסורתי, מחקרים מסוג זה מחייבים הוצאתם של החלבונים מהסביבה הטבעית שלהם על גבי קרומיות התאים. לאחר הרחקתם, החלבונים הללו מעוגנים למשטח ובעזרת מערכת זו בוחנים את יחסי הגומלין שבין המולקולות הקטנות לבין הקולטנים.

למרבה הצער, התנהגותם של החלבונים עשויה להשתנות לאחר הרחקתם מהסביבה התאית שלהם. מולקולות קטנות המשמשות בתור תרופות הן לרוב בגודל של מספר מאות דלטונים, בעוד שמולקולות ביולוגיות הן בגודל של אלפי דלטונים. גודלן הקטן של המולקולות הללו גורם למחקר הקינטי להיות מאתגר במיוחד. עובדה זו הפכה את התהליך של איתור תרופות לעניין מפרך ויקר. המסלול מגילוי התרופה ועד הכנסתה הסופית לשוק נמשך בדרך כלל 12-10 שנים של מחקר ועולה כמעט מיליארד דולר עבור הפיתוח של תרופה חדשה אחת בלבד. בנוסף לבדיקת קינטיקת הקישור של חלבוני קרומיות המעוגנים על פני השטח, בדיקת בע"ח בדרך כלל משמשת בכדי לאמת את התרופות החדשות. על אף העלויות הגבוהות, השיטות הללו בלתי יעילות ובנוסף, הן כרוכות בסוגיות אתיות. וגם לאחר כל זאת, אפילו תוצאות מוצלחות בבע"ח אינן מבטיחות תמיד את יישומן במטופלים אנושיים.

תחום גילוי התרופות נע לעבר שיטות ניפוי מבוססות תאים, שם יחסי הגומלין שבין מולקולות קטנות לבין חלבוני קרומיות נבדקים בסביבתם המקורית. יחד עם זאת, בעזרת הטכנולוגיות הקיימות היום, הרגישות של המדידות הללו לא מספקות. אחד מהכלים היעילים הוא איתור בעזרת תיוג פלואורסנטי של מולקולות. בשיטה זו, חלקיק צבע נקשר למולקולה הנבדקת, אולם – מולקולת התיוג עלולה לשנות באופן מהותי את התכונות של המולקולות הקטנות הנבדקות.

השיטה החדשה מספקת פלטפורמה לתבחינים מבוססי תאים תוך שימוש בשיטות מיקרוסקופיה רגילה, ללא שימוש בתיוג פלואורסנטי. השיטה מאפשרת, לראשונה אי-פעם, בדיקה של קינטיקת הקישור בזמן אמת יחד עם רזולוציה גבוהה במיוחד. השיטה מתבססת על העובדה כי אירועי קישור וניתוק משנים את המבנה של קרומית התא, תוך עיוות הצורה שלה. תהליך הדימות ידוע בשם 'גילוי אופטי הפרשי' (differential optical detection). ברגע שמולקולה קטנה מתנגשת בפני השטח של חלבון הקרומית, היא משנה את מתח הפנים של הקרומית. "שינוי זה הוא זעיר במיוחד – ברמה של מספר ננומטרים בלבד, ואפילו פחות מכך", אומר החוקר הראשי. "מצאנו דרך לעקוב ולמדוד את השינוי הזה בדיוק רב – ברמה של חלקי הננומטר". יתרה מכך, השיטה מתאימה למיקרוסקופיה אופטית רגילה, למרות ששיטות מתקדמות יותר (SPR) תוכלנה לשפר את ניגודיות התמונה. על מנת להשיג את הגילוי המדויק הזה, בוחרים בשני אזורים לאורך השפה של קרומית התא. כאשר המולקולה הקטנה נקשרת לחלבון, מבנה הקרומית מתעוות כתוצאה מכך. עיוות מכאני זה נמדד אופטית כשינוי בעוצמת ההארה. איתור בלתי ישיר זה מאפשר מדידה ודימות לאורך זמן של שינויים קטנים במיוחד בקרומית התא. החוקר משווה את התהליך לשיטות המשמשות לאיתור כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש – למרות שעצמים אלו חיוורים ורחוקים מדי לגילוי ישיר, ניתן לקבל ראיות עקיפות לנוכחותם מתוך השינויים באור הכוכבים המגיע מהם, זאת בשל השפעות הכבידה שמקורן בכוכבים הבלתי נראים.

במחקר הנוכחי נעשה שימוש בשיטת דימות על מנת לגלות את יחסי הגומלין הן של מולקולות גדולות והן של מולקולות קטנות עם חלבוני קרומיות בזמן אמת ובתאים שלמים. על אף שהדגש ניתן לאיתור של המולקולות הקטנות, יחסי הגומלין של המולקולות הגדולות סייעו בתיקוף התוצאות, לאור העובדה כי קינטיקת הקישור הנצפית עברה השוואה אל מול נתוני ניסויים קודמים שמקורם בשיטות גילוי רגילות. עבור הגילוי של מולקולות קטנות, צוות המחקר השתמש בחלבוני קרומיות הנקשרים לאצטילכולין – מערכת מודל נפוצה במיוחד. השיטה החדשה מקדמת את המחקר של יחסי הגומלין שבין חלבוני קרומית לבין מולקולות קטנות צעד אחד חשוב לשם הבנת ההתנהגות האמתית המתרחשת במערכות של יצורים חיים. השיטה תוכל לאפשר פיתוח תרופות מהיר, זול ומדויק יותר, תוך קבלת תובנות חדשות באשר לסוגיות הבסיסיות בביולוגיה תאית. "אנו מתרגשים מאוד בנוגע לטכנולוגיה הזו ואנו ממשיכים לפתח אותה עוד", מסביר החוקר.

הידיעה על המחקר

תקציר המאמר

ציד של מולקולות קטנות: הציור מתאר את המערך הניסויי ששימש לאיתור מולקולות קטנות, כמו אלו הנפוצות בתרופות (ירוק) והקישור שלהן לקולטנים הנמצאים על פני השטח החיצוני של קרומית התא (צהוב). אירועים אלו ניתנים לדימות בעזרת מיקרוסקופיה אופטית רגילה – עיוותים עדינים במבנה של קרומית התא הנגרמים כתוצאה מהקישור והניתוק של המולקולות הקטנות – מתורגמים לשינויים הנראים במסגרת עוצמת ההארה. [באדיבות: The Biodesign Institute at Arizona State University]

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

לוגו אתר הידען
דילוג לתוכן