Начало / Университетът / Факултети / Факултет по химия и фармация / Структура / Катедри / Физикохимия / Лаборатория по квантова и изчислителна химия / Лекарствени вектори-бионосители: Ефективност чрез разбиране / Работа по проекта и основни резултати

   

Цели на проекта

 

Основните цели на проекта са: (i) да се изследват серия от молекули-вектори за насочена доставка на лекарствени вещества и да се откроят най-подходящите чрез рационален молекулен дизайн; (ii) да се изучи механизмът на насочване на тези (био)молекули към моделни клетъчни мембрани, които да наподобяват такива на целеви тип клетки, и на разпознаване от рецептор вграден в тях. Проблемите са проучени чрез методи на молекулното моделиране от различни нива – от класическа молекулна динамика до квантовохимични подходи. Важна образователна цел е и обучението на млади изследователи.

1

Схематично представяне на ключовите етапи от проекта: (I) изучаване на структурата на молекулите-вектори във физиологичен разтвор; (II) разработване на подходящ модел на клетъчна мембрана с вграден рецептор; (III) разкриване на свързването на насочващите молекули към рецептора; (IV) насочен транспорт на биоактивен товар и избор на най-обещаващи вектори (ралтитрексед и фолат)

 

Работа по проекта

 

Серията от молекули-вектори включва фолат, 5-метилтетрахидрофолат, ралтитрексед, пеметрексед, метотрексат и птероил орнитин във физиологичен разтвор.

2

(ляво) Илюстрация на моделираната част от клетъчна мембрана с вграден рецептор и (дясно) химични структури на изследваните насочващи лиганди

 

За да се опише асоциирането на лигандите към рецептор е конструирана моделна неопластична клетъчна мембрана, базирана изцяло на експериментални данни. Тя представлява липиден бислой, моделиращ липиден рафт, изграден от 370 липида от 35 различни типа, зарядово асиметрично разпределени, с вградена една молекула протеин. Размерът на изследваните модели е ~185000 атома.

3

Картинно показване (върху действителни структури) на (А) моделната клетъчна мембрана с вградена молекула рецептор, (Б) кристалографската структура на комплекса фолат/a-фолатен рецептор (PDB ID: 4LRH; DOI: 10.1038/nature12327) и (В) симулираните системи мембрана/рецептор/лиганд-вектор във физиологичен разтвор

 

Проследен е процесът на свързване на всяка от молекулите към техен целеви рецептор в организма: a-фолатен рецептор (FRa), протеин преекспресиран на повърхността на ракови клетки.

4

Илюстрация на спонтанното свързване на (горе) фолат и (долу) ралтитрексед към a-фолатен рецептор и ориентация на лигандите в активния център на протеина; липидите от мембраната са показани като сиви линии, протеинът – като бели ribbons, аминокиселините от активния център – като тъмносиви удебелени връзки и насочващите лиганди – като светлосини (фолат) или черни (ралтитрексед) сфери

 

Основни резултати

 

С атомистични молекулнодинамични симулации е наблюдавано спонтанно свързване на всеки от лигандите с протеина в наносекундната времева скала. Само фолат, ралтитрексед и 5-метилтетрахидрофолат обаче разпознават активния център на рецептора. Установено е, че за да се постигне такова селективно свързване насочващата молекула трябва да може да участва едновременно в набор от специфични взаимодействия с FRa: p-стекинг, водородно свързване, ван дер Ваалсово и електростатично привличане. Идентифицирани са ключови за разпознаването на лигандите аминокиселини. Разкрито е, че процесът на комплексообразуване лиганд-рецептор е постъпков и включва реорганизация на активния център, като за пръв път е наблюдавана началната поза на свързване на лигандите. Дадено е обяснение на експериментално регистрираните разлики в афинитета на серията от лиганди към рецептора. С четирите най-обещаващи молекули-вектори (фолат, ралтитрексед, пеметрексед и 5-метилтетрахидрофолат) са конструирани моделни системи за насочена доставка на химиотерапевтика доксорубицин и е проследено взаимодействието им с рецептора. Оказва се, че фолат и ралтитрексед успяват да свържат конюгата с лекарството близо до активния център на протеина, докато другите два лиганда губят част от функционалността си.

5

Структура на (горе) системата за насочен транспорт съдържаща фолат с прикачен комплекс на четири молекули химиотерапевтик доксорубицин (DOX) с лекарство-свързващ пептид (DBP) и (долу) тази система с два различни насочващи лиганда свързана към a-фолатен рецептор; протеинът е показан като бели ribbons, аминокиселините от активния център – като тъмносиви, DBP – като тъмносини, DOX – като цветни удебелени връзки, насочващите лиганди – като светлосини (фолат) или черни (ралтитрексед) сфери

 

Като най-перспективни векторни единици са препоръчани ралтитрексед и фолат.

 

В процеса на работа са обучени и няколко студенти от различни образователно-квалификационни степени, докторанти и млади учени.

 

Приложение на резултатите

 

Откритията могат да са полезни основно при разработване на системи за насочена доставка на биоактивни компоненти на базата на фолат и негови производни. Получените резултати могат да се използват за оптимизиране на състава и постигане на по-голяма ефективност на подобни системи за активен лекарствен транспорт. Изясненият молекулен механизъм на процеса на свързване на лигандите към FRa дава възможност за рационален дизайн на нови производни на фолат, които да служат като агонисти или антагонисти на този рецептор. Конструираната моделна клетъчна мембрана може да се прилага в широк спектър от биомолекулни симулации насочени към борба със злокачествени неоплазми.

 

Обобщение

 

Предложени са две молекули-вектори, които най-ефективно разпознават a-фолатния рецептор и се свързват с него. Те могат да се включват в различни съвременни форми за доставка на лекарства. Изведен е набор от рационални насоки на молекулно ниво за начина на свързване на биоактивния товар в лекарство-доставящи системи базирани на фолат или негови антиметаболити. Разкрити са молекулни детайли за свързване на серията от изследвани насочващи молекули към рецептора, което позволява по-фокусирано търсене на подобни съединения, които да активират или дезактивират макромолекулата. Така могат да се засилват или потискат конкретни биологични процеси свързани с наличие на фолат и негови производни в живите клетки.

Получените резултати са обобщени в няколко научни публикации и са представени на редица форуми.