Laboratorium Instytutu Technologii Drewna Instytut Ekspertyz Kryminalistycznych Analityks METTLER TOLEDO Centrum BHP WPP więcej

Katalog produktów i usług

Dodaj produkt

Ociekacz laboratoryjny A001 OCHRONA ŚRODOWISKA Okap laboratoryjny wyspowy OLSK / OLSK1210 więcej

Zastosowanie wektorów białkowych w medycznych technikach przeciwnowotworowych

Streszczenie

Swoiste oddziaływanie biomolekuł naturalnie występujących w organizmach żywych z określonymi receptorami, bądź epitopami przeciwciał zlokalizowanymi na powierzchni błon komórkowych, od wielu lat stanowi obiekt zainteresowania medycyny nuklearnej. Biorąc pod uwagę fakt występowania nadekspresji danego receptora lub epitopu na powierzchni błon komórek nowotworowych, białkowe związki wykazujące do nich swoiste powinowactwo stają się doskonałymi nośnikami radionuklidów. W medycynie nuklearnej znalazły zastosowanie przeciwciała monoklonalne (mAb) oraz białka regulatorowe i ich krótsze analogi. Największe zainteresowanie wzbudziły peptydy takie jak somatostatyna, gastryna, bombezyna, neurotensyna, substancja P, hormon stymulujący melanocyty alfa, wazoaktywny peptyd jelitowy oraz peptyd aktywujący cyklazę adenylanową przysadki.

Wprowadzenie

W medycynie nuklearnej znalazły szerokie zastosowanie zarówno przeciwciała monoklonalne, jak i białka regulatorowe. Między tymi klasami związków występują zasadnicze różnice związane chociażby z ich masą, czy sposobem wytwarzania. Analogi białek regulatorowych można otrzymać na drodze prostej syntezy chemicznej, podczas gdy przeciwciała namnażane są w komórkach hodowanych w specjalnych bioreaktorach.

Zarówno przeciwciała, jak i białka regulatorowe naturalnie występują w organizmach ssaków, gdzie pełnią ściśle określone funkcje. Przeciwciała są dużo cięższe od białek i w przeciwieństwie do nich nie wiążą się tylko ze specyficznymi receptorami białkowymi ale też z innymi swoistymi epitopami zlokalizowanymi na błonach komórkowych.

W ostatnich latach największym zainteresowaniem medycyny nuklearnej cieszyły się wektory peptydowe (nośniki radionuklidów), takie jak somatostatyna (SRIF), gastryna, bombezyna (BN/GRP), neurotensyna (NT), substancja P (SP), hormon stymulujący melanocyty alfa (α-MSH), wazoaktywny peptyd jelitowy (VIP) oraz peptyd aktywujący cyklazę adenylanową przysadki (PACAP) [1,2].

Radiofarmaceutyki stosowane w diagnostyce i terapii medycznej

Radiofarmaceutyk jest substancją powstałą z chemicznego połączenia izotopu pierwiastka promieniotwórczego (radioizotopu) i liganda (związku chemicznego, który posiada unikatowe właściwości gromadzenia się w komórkach lub tkankach nowotworowych). Radiofarmaceutyki wykorzystywane są w medycynie nuklearnej, która jest działem medycyny zajmującym się bezpiecznym zastosowaniem izotopów promieniotwórczych w terapii oraz diagnostyce medycznej. Związki chemiczne znakowane radioizotopami podawane pacjentowi dożylnie, doustnie lub inhalacyjnie kumulują się w określonych organach, a ich rozpadowi towarzyszy wytworzenie promieniowania jonizującego. W medycynie nuklearnej radionuklidy stosuje się do celów terapeutycznych oraz diagnostycznych. Rozróżnienie i przynależność do tych dwóch grup wynika z rodzaju emitowanego promieniowania. Radionuklid stosowany w medycynie nuklearnej powinien mieć czas połowicznego rozpadu (T_1/2) nie przekraczający 10 dni, duży przekrój czynny reakcji jądrowej syntezy oraz powinien być możliwy do otrzymania w formie beznośnikowej. Radionuklidy stosowane w terapii radioizotopowej są emiterami promieniowania beta minus, cząstek alfa lub elektronów Augera. Emitowane przez nie promieniowanie posiada dużą energię i niewielki zasięg, przez co nie uszkadza otaczających nowotwór zdrowych tkanek [1].

Najbardziej znanym i często stosowanym w terapii emiterem beta minus jest otrzymywany w reaktorze jądrowym jod-131. W terapii tarczycy jest on stosowany w formie roztworu Na¹³¹I. Izotop jodu-131 przyłączany jest również do nośników peptydowych stosowanych obecnie w diagnostyce antynowotworowej. Ze względu na emitowane dodatkowo przez ten radionuklid promieniowanie gamma, w łatwy sposób można stwierdzić jego umiejscowienie za pomocą kamer gamma mieszczonych na zewnątrz ciała pacjenta.

Innym radioizotopem stosowanym w terapii jest otrzymywany w reaktorze jądrowym izotop lutetu-177, który emituje beta minus krótkiego zasięgu. Podobnie jak jod-131 emituje on również promieniowanie, przez co staje sie również znakomitym izotopem diagnostycznym.

Radionuklidy stosowane w diagnostyce radioizotopowej to głównie emitery promieniowania gamma, takie jak ^99mTc, ¹¹¹In, ⁶⁷Ga oraz ¹²³I. Znalazły one szerokie zastosowanie w technice SPECT. Technika SPECT opiera się na detekcji promieniowania gamma emitowanego przez wprowadzony do ciała pacjenta radioizotop. Wygenerowany w tej technice obraz jest trójwymiarowy i obrazuje miejsca koncentracji zmian nowotworowych.

Do grupy radioizotopów diagnostycznych należą również emitery beta plus (pozytonów), które wykorzystywane są w technice PET, takie jak ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O, ¹⁸F, ⁶²Cu, ⁶⁴Cu, ⁶⁸Ga,⁸²Rb, ⁸⁶Y, ⁸⁹Zr oraz ¹²⁴I. Istotą techniki PET jest wygenerowanie pary fotonów bezpośrednio w organizmie pacjenta i ich detekcja w tym samym czasie. Wygenerowane kwanty promieniowania gamma rozchodzą się w przeciwnych kierunkach dokładnie po linii prostej. Stosowane w tej technice izotopy są niestabilne chemicznie. Rozpadając się zgodnie z mechanizmem rozpadu beta plus emitują pozyton oraz neutrino elektronowe. Wyemitowany pozyton natychmiast anihiluje z pierwszym napotkanym elektronem, w efekcie czego powstają dwa kwanty promieniowania gamma, które mierzone są przez detektor w kształcie pierścienia otaczającego poddawanego badaniu pacjenta. Radionuklidy stosowane w PET charakteryzują się bardzo krótkimi czasami półtrwania. Przykładowo dla węgla-11 jest to 20,4 minuty, zaś dla azotu-13 zaledwie 10 minut. Radionuklidy te wbudowywane są do struktury prostych związków naturalnych, takich jak glukoza, woda, czy amoniak oraz biomolekuł, które wiążą się do określonych receptorów lub epitopów przeciwciał występujących na powierzchni błon komórkowych. Najpopularniejszym dziś radiofarmaceutykiem PET jest znakowanafluorem-18 fluorodeoksyglukoza.

Somatostatyna

Somatostatyna jest hormonem peptydowym, który wpływa na przekaźnictwo nerwowe, proliferację komórek oraz stymuluje uwalnianie licznych hormonów (Rys. 1). Istnieje sześć różnych genów somatostatyny, przy czym u człowieka występuje tylko jeden [3]. Somatostatyna posiada szeroki zakres funkcji w organizmie ze względu na ekspresję aż pięciu podtypów receptora sst (sst1-5) [4]. Nadekspresję receptorów somatostatyny zlokalizowano w guzach neuroendokrynowych (gruczolaki przysadki wydzielające GH, guzy przewodu pokarmowego, guzy chromochłonne, nerwiaki niedojrzałe, nowotwory tarczycy, drobnokomórkowy rak płuc), guzy mózgu (oponiaki, glejaki), chłoniaki, nowotwory nerki, piersi, prostaty, jajników oraz żołądka [1].

Rysunek 1. Budowa somatostatyny SS14 [5].

Gastryna

Gastryna jest hormonem peptydowym (Rys. 2), który pobudza wydzielanie kwasu żołądkowego (HCl) przez komórki okładzinowe żołądka oraz substancji pomocniczych w perystaltyce żołądka [6]. Gastryna wykazuje swoiste powinowactwo do receptora CCK2, którego nadekspresję stwierdzono w drobnokomórkowym raku płuc, nowotworach piersi i jajników oraz w guzach z komórek macierzystych różnego pochodzenia [1].

Rysunek 2. Budowa gastryny [7].

Bombezyna

Bombezyna jest peptydem zbudowanym z czternastu aminokwasów połączonych liniowo [8]. U ssaków peptyd ten występuje w postaci dwóch homologów, mianowicie jako neuromedyna B oraz peptyd uwalniający gastrynę (GRP). Bombezyna stymuluje uwalnianie gastryny z komórek G.

Wykazuje swoiste powinowactwo do receptora BB, który występuje w czterech podtypach (BB1-4). Nadekspresję receptora bombezyny stwierdzono w drobnokomórkowym raku płuc, raku żołądka, piersi oraz prostaty [1] (Rys. 3).

Rysunek 3. Budowa bombezyny [9].

Neurotensyna

Neurotensyna to neuropeptyd zbudowany z trzynastu aminokwasów. Bierze on udział w regulacji uwalniania hormonu luteinizującego i prolaktyny. Neurotensyna jest rozprowadzona w ośrodkowym układzie nerwowym. Dodatkowo zaangażowana jest w regulację szlaków dopaminowych.

Neurotensyna znajduje się również w komórkach endokrynowych jelita cienkiego, gdzie stymuluje skurcze mięśni gładkich [10]. Neuropeptyd wykazuje swoiste powinowactwo do receptora NTR, który z kolei występuje w trzech podtypach (NTR1-3). Nadekspresję receptora neurotensyny stwierdzono w drobnokomórkowym raku płuc, raku piersi, okrężnicy, odbytnicy, gruczołu krokowego, jajników, nerek, wątroby, guzach neuroendokrynowych jelita, gruczolakach przysadki, nerwiaku niedojrzałym oraz chłoniakach [1] (Rys.4).

Rysunek 4. Budowa neurotensyny [11].

Substancja P

Substancja P jest neuropeptydem zbudowanym z jedenastu aminokwasów, który pełni funkcję zarówno neuroprzekaźnikową, jak i neuromodulatorową. Substancja P jest uwalniana przez zakończenia nerwów czuciowych. Występuje w mózgu i rdzeniu kręgowym. Związana jest z powstawaniem procesów zapalnych i bólu. Neuropeptyd wykazuje swoiste powinowactwo do receptora NK, który występuje w trzech podtypach (NK1-3) [12]. Nadekspresję receptora substancji P stwierdzono w nowotworach glejowych, rakach tarczycy, raku płuc, raku trzustki oraz piersi (Rys. 5).

Rysunek 5. Budowa substancji P [13].

Hormon stymulujący melanocyty alfa (α-MSH)

α-MSH jest hormonem peptydowym z rodziny melanokortyn. Zbudowany jest z trzynastu aminokwasów połączonych liniowo [14]. Hormon ten jest odpowiedzialny za pigmentację głównie włosów i skóry. Odgrywa również rolę w zachowaniu homeostazy energetycznej żywienia oraz aktywności seksualnej. α-MSH wykazuje swoiste powinowactwo do receptora MC1-R, którego nadekspresję stwierdzono w czerniaku złośliwym (Rys. 6).

Rysunek 6. Budowa hormonu α-MSH [15].

Wazoaktywny peptyd jelitowy (VIP)

VIP to hormon peptydowy zbudowanym z dwudziestu ośmiu reszt aminokwasowych. Neuropeptyd wytwarzany jest w wielu tkankach takich jak jądra, jelita i trzustka [16]. VIP stymuluje skurcze mięśnia sercowego, rozszerzalność naczyń krwionośnych, zwiększa glikogenolizę, obniża ciśnienie tętnicze krwi i rozluźnia mięśnie gładkie tchawicy. Wykazuje swoiste powinowactwo do receptora VPAC, który występuje w postaci dwóch podtypów, mianowicie VPAC1 oraz VPAC2 (Rys. 7).

Rysunek 7. Budowa wazoaktywnego peptydu jelitowego [17].

Peptyd aktywujący cyklazę adenylanową przysadki (PACAP)

PACAP jest białkiem podobnym do wazoaktywnego peptydu jelitowego [18]. Jednym z efektów jego działania jest stymulowanie enterochromaffin. PACAP wykazuje swoiste powinowactwo do receptora PAC1, którego nadekspresję wykryto w nowotworach glejowych (glejaki), nerwiaku niedojrzałym, gruczolakach przysadki (wydzielających GH i gruczolakach nieczynnych), rakach chromochłonnych oraz przyzwojakach (Rys. 8).

Rysunek 8. Budowa peptydu aktywującego cyklazę adenylanową przysadki [19]

Grelina

W ostatnich latach coraz szerszym zainteresowaniem medycyny nuklearnej cieszy się grelina. Neuropeptyd ten produkowany jest przez gruczoły właściwe żołądka, skąd wędruje do centralnego układu nerwowego. Grelina wpływa na ilość spożywanego pokarmu, ruchy perystaltyczne jelit, wydzielanie kwasów żołądkowych, regulację sekrecji trzustki, otyłość oraz przyrost wagi ciała. Ten peptyd zbudowany z dwudziestu ośmiu aminokwasów połączonych liniowo wykazuje swoiste powinowactwo do receptora GHS-R1a, którego nadekspresję wykryto w komórkach nowotworowych tarczycy, piersi oraz prostaty [20] (Rys. 9).

Rysunek 9. Budowa greliny [21].

Podsumowanie

Swoiste oddziaływanie biomolekuł naturalnie występujących w organizmach żywych z określonymi receptorami, bądź epitopami przeciwciał zlokalizowanymi na powierzchni błon komórkowych, od wielu lat stanowią obiekt zainteresowania medycyny nuklearnej. Związki naturalnie występujące w organizmach żywych i wykazujące swoiste powinowactwo do konkretnych miejsc aktywnych występujących w nadekspresji na komórkach nowotworowych są bardzo obiecującym narzędziem w celowanej terapii antynowotworowej. Szeroka gama peptydowych nośników z roku na rok jest coraz większa i stale rośnie. Wykorzystanie związków naturalnych nie niesie za sobą efektów cytotoksycznych, a trwale związany radionuklid w szybkim czasie usuwany jest z organizmu wraz z nośnikiem poprzez nerki. Nowoutworzony radiofarmaceutyk musi przejść badania kliniczne przed dopuszczeniem do obrotu. Proces ten trwa latami. Jednakże już dziś dostępne są radiofarmaceutyki oparte na analogach somatostatyny, które z powodzeniem stosuje się w diagnostyce obrazowej oraz w celowanej terapii antynowotworowej.

Autor: Karolina Wójciuk

Literatura:

1. Eberle, A.N., Mild, G., Froidevaux, S., 2004. Receptor-Mediated Tumor Targeting with Radiopeptides. Part 1. General Concepts and Methods: Applications to Somatostatin Receptor-Expressing Tumors. J. Recept. Signal Transduct. Res. 24(4), 319-455.

2. Reubi, J.C., Mäcke, H.R., Krenning, E.P., 2005. Candidates for peptide receptor radiotherapy today and in the future. J. Nucl. Med. 46 Suppl 1:67S-75S.

3. Shen, L.P., Rutter, W.J., 1984. Sequence of the human somatostatin I gene. Science 224(4645), 168-71.

4. Gahete, M.D., Cordoba-Chacón, J., Duran-Prado, M., Malagón, M.M., Martinez-Fuentes, A.J., Gracia-Navarro, F., Luque, R.M., Castaño, J.P., 2010. Somatostatin and its receptors from fish to mammals. Ann. N Y Acad. Sci. 1200, 43-52.

5. https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:Somatostatin.svg

6. Edkins, J.S., 1906. The chemical mechanism of gastric secretion. J. Physiol. 34(1-2), 133-44.

7. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Little_gastrin.png

8. Gonzalez, N., Moody, T.W., Igarashi, H., Ito, T., Jensen, R.T., 2008. Bombesin-related peptides and their receptors: recent advances in their role in physiology and disease states. Curr. Opin. Endocrinol. Diabetes Obes. 15(1), 58-64.

9. http://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_EN_CB2152345.htm

10. Friry, C., Feliciangeli, S., Richard, F., Kitabgi, P., Rovere, C., 2002. Production of recombinant large proneurotensin/neuromedin N-derived peptides and characterization of their binding and biological activity. Biochem. Biophys. Res. Commun. 290(4), 1161-8.

11. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Neurotensin.png

12. Gerard, N.P., Garraway, L.A., Eddy, R.L. Jr., Shows, T.B., Iijima, H., Paquet, J.L., Gerard, C., 1991. Human substance P receptor (NK-1): organization of the gene, chromosome localization, and functional expression of cDNA clones. Biochemistry 30(44), 10640-6.

13. http://biobook.nerinxhs.org/bb/systems/neurology.htm

14. Luger, T.A., Scholzen, T.E., Brzoska, T., Böhm, M., 2003. New insights into the functions of alpha-MSH and related peptides in the immune system. Ann. N. Y. Acad. Sci. 994, 133-40.

15. http://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_EN_CB1101371.htm

16. Said, S.I., 2012. Vasoactive intestinal peptide in pulmonary arterial hypertension. Am. J. Respir. Crit. Care. Med. 185(7), 786.

17. http://www.pharmacology2000.com/Autonomics/Adrenergics1/Adrenergic-11.htm

18. Hosoya, M., Kimura, C., Ogi, K., Ohkubo, S., Miyamoto, Y., Kugoh, H., Shimizu, M., Onda, H., Oshimura, M., Arimura, A., Fujino, M., 1992. Structure of the human pituitary adenylate cyclase activating polypeptide (PACAP) gene. Biochim. Biophys. Acta. 1129(2), 199-206.

19. http://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_EN_CB7101106.htm

20. Cassoni, P., Papotti, M., Ghè, C., Catapano, F., Sapino, A., Graziani, A., Deghenghi, R., Reissmann, T., Ghigo, E., Muccioli, G., 2001. Identification, Characterization, and Biological Activity of Specific Receptors for Natural (Ghrelin) and Synthetic Growth Hormone Secretagogues and Analogs in Human Breast Carcinomas and Cell Lines. J. Clin. Endocrinol. Metab. 86(4) 1738-1745.

21. http://www.lookchem.com/Ghrelin-rat-/