Kiedy w 1975 roku César Milstein, Georges Köhler i Niels Kaj Jerne opracowali metodę uzyskiwania na dużą skalę tzw. przeciwciał monoklonalnych, w środowisku medycznym zapanował entuzjazm. Wydawało się, że naukowcy dostarczyli lekarzom idealnej broni przeciw schorzeniom autoimmunologicznym, stanom zapalnym, infekcjom i nowotworom. Wystarczyło wyprodukować specyficzny rodzaj przeciwciała – białko, które będzie rozpoznawać chorobotwórcze bakterie czy komórki rakowe – a potem dołączyć do niego „bombę” w postaci np. toksyny, by precyzyjnie zniszczyć źródło choroby. Autorzy odkrycia w ekspresowym tempie, bo zaledwie dziewięć lat po opublikowaniu wyników, doczekali się Nagrody Nobla.
Dlaczego więc dziś nadal nie radzimy sobie z rakiem czy antybiotykoopornymi szczepami bakterii? Bo gdy doszło do zastosowań praktycznych, okazało się, że przeciwciała monoklonalne są obarczone zbyt wieloma wadami, by można je było wykorzystać w terapii na dużą skalę. Realna szansa na pokonanie tych ograniczeń pojawiła się dopiero niedawno.
BIAŁKA DO BOJU!
Klasyczne przeciwciała produkowane przez ssaki składają się z czterech fragmentów białkowych: dwóch łańcuchów lekkich i dwóch ciężkich. Razem tworzą one strukturę przypominającą kształtem literę Y. Za to, że przeciwciało rozpoznaje swój cel (epitop – charakterystyczny rejon jakiegoś antygenu, czyli cząsteczki chemicznej, takiej jak białko, DNA czy węglowodan), odpowiadają końce łańcuchów, gdzie znajdują się tzw. regiony zmienne.
Gdy przeciwciało przyczepi się nimi do swego celu, organizm dowiaduje się, gdzie należy zastosować środki bojowe. Wówczas wyspecjalizowane cząsteczki mogą np. zniszczyć komórkę rakową czy tę, która została zainfekowana wirusem. Białka odpornościowe mogą też neutralizować toksyny i ułatwiać ich usuwanie z organizmu. Duża część gnębiących nas chorób to efekt nieskutecznej lub zbyt późno uruchomionej produkcji przeciwciał.
Ich naturalnymi fabrykami są wyspecjalizowane białe krwinki zwane limfocytami B. W odpowiedzi na pojawienie się antygenu wytwarzają one wiele typów przeciwciał, skierowanych przeciwko różnym fragmentom „wroga”. Jeśli jednak wyizolujemy jeden limfocyt i uczynimy go nieśmiertelnym (przez połączenie z komórką rakową), mamy możliwość produkowania tylko jednego rodzaju białek – właśnie przeciwciał monoklonalnych.
CO ZA DUŻE, TO NIESKUTECZNE
Dlaczego przeciwciała te okazały się mniej skuteczne, niż sądzono? Po pierwsze dlatego, że w większości przypadków produkowano je przy użyciu komórek pobranych od myszy. Wprowadzenie mysich białek do organizmu człowieka może wywołać silną i nie zawsze dla pacjenta korzystną odpowiedź immunologiczną.
Po drugie – typowe ssacze przeciwciała okazały się zbyt duże. Pół biedy, jeśli mają działać w krwiobiegu, ale gdy ich cele znajdują się wewnątrz komórek (tak jak w przypadku raka), to przeciwciała nie mają po prostu szansy na dotarcie tam, ponieważ nie mogą sforsować błony komórkowej. Często też przeciwciało jest większe niż cząsteczka, przeciwko której zostało skierowane. Jeśli chcemy, by zaatakowało np. aktywne centrum jakiegoś enzymu, może się okazać, że się tam po prostu nie wciśnie – i cała praca na nic.’
ODKRYCIE Z NUDÓW
Naukowcy próbowali zmniejszyć przeciwciała, obcinając za pomocą enzymów ich zbędne fragmenty. W ten sposób udało się zidentyfikować najmniejsze regiony, które odpowiadają za przyczepianie się do antygenu i zachowują właściwości „dużego” przeciwciała. Jednak i ten wynalazek nie znalazł szerokiego zastosowania. Sztucznie pocięte przeciwciała – tzw. fragmenty Fab – były mniej skuteczne i mniej stabilne, a na dodatek miały skłonności do zlepiania się w bezużyteczne grudki. W sumie nie ma się czemu dziwić – nasze przeciwciała wyewoluowały jako duże kompleksy białkowe i to, co wydawało się zbędne, na pewno pełni w nich ważną funkcję.
Okazało się jednak, że ewolucja doprowadziła też do powstania innego typu przeciwciał – dokładnie takich, jakie naukowcy próbowali uzyskać w laboratorium. I nie wiadomo, czy zostałyby odkryte, gdyby nie… znudzeni studenci.
Wszystko zaczęło się w latach 80. XX wieku na ćwiczeniach z immunologii na belgijskim Vrije Universiteit Brussel. Studenci narzekali, że ich eksperymenty są banalne. Prowadzący zajęcia Raymond Hamers zaproponował im więc, by spróbowali wyizolować przeciwciała z osocza wielbłąda. Nikt tego wcześniej nie robił, a w laboratoryjnej zamrażarce leżała akurat półlitrowa flaszka z krwią dromadera.
NIE TYLKO DO LECZENIA
Badania nad wielbłądzimi przeciwciałami koncentrują się wokół zastosowań medycznych, ale białka te mogą też zrewolucjonizować pracę biologów molekularnych. „Należy mieć nadzieję, że odczynniki oparte na nanociałach wkrótce staną się komercyjnie dostępne i umożliwią specjalistom od mikroskopii wizualizację struktur dotychczas niedostępnych z użyciem metod immunofluorescencji” – mówi immunolog dr Maciej Olszewski z Międzynarodowego Instytutu Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie, specjalizujący się w mikroskopii konfokalnej. Zespół kierowany przez Heinricha Leonhardta z Ludwig-Maximilians- Universität München opracował system syntezy przeciwciał wielbłądzich połączonych z fluorescencyjnym białkiem mRFP. Dzięki tego typu środkom możliwe będzie oznakowanie świecącą substancją konkretnych białek w żyjącym organizmie i sfotografowanie ich w akcji – coś, o czym od lat marzyło wielu mikroskopistów.
Nikt też nie spodziewał się, że w ten sposób zostanie dokonane przełomowe odkrycie. Wielbłądzia krew zawierała nie tylko typowe dla ssaków przeciwciała, ale również ich inną,, zdecydowanie prostszą i mniejszą wersję, dotąd nieopisaną u żadnego innego organizmu. Po dwóch latach badań wykazano, że podobnymi białkami dysponują wszystkie pozostałe gatunki wielbłądowatych: baktriany, lamy, alpaki, guanako i wigonie. Odkrywcy nie ograniczyli się tylko do pracy w laboratorium – szybko założyli prywatną firmę Ablynx, która dziś jest potentatem w tej branży.Na czym polega fenomen wielbłądzich przeciwciał? Otóż składają się niemal wyłącznie z regionów zmiennych, czyli tych części, które przyczepiają się do antygenu. Są bardzo małe – od pięciu do dziesięciu razy mniejsze niż „klasyczne” – i doskonale rozpuszczają się w wodzie, ale zachowują przy tym skuteczność i są tak stabilne, że można przechowywać je w temperaturze pokojowej (podczas gdy inne rodzaje przeciwciał – np. surowice – trzeba trzymać w lodówce). Dzięki tym właściwościom nanociała znakomicie penetrują tkanki i komórki ludzkiego organizmu.
FABRYKA NA DROŻDŻACH
Małe rozmiary sprawiają też, że do wytwarzania nanociał można zmusić zmodyfikowane genetycznie bakterie i drożdże. Wcześniej wykorzystywano je już np. do produkcji hormonów takich jak insulina, ale z przeciwciałami się to nie udawało – w ciasnych komórkach mikrobów ich długie cząsteczki często nieprawidłowo się „zwijały” i powstawał do niczego nieprzydatny kłębek aminokwasów. Tymczasem łańcuchy białkowe nanociał są na tyle krótkie, że bez problemu mogą być wytwarzane w ten sposób. A to oznacza, że można je szybko wyprodukować w dużych ilościach i nawet kilkaset razy taniej niż „klasyczne” przeciwciała monoklonalne. Nic dziwnego, że firmy farmaceutyczne poważnie rozważają zastosowanie ich w powszechnie dostępnych produktach kosmetyczno-leczniczych – np. szamponach przeciwłupieżowych.
Czy nanociała mają jakieś wady? Owszem. „Bardzo szybko się je wysikuje. W większości wypadków zbyt szybko, by mogły mieć jakiekolwiek znaczenie w terapii” – uważa Gregory Winter z Laboratory of Molecular Biology w Cambridge. Faktem jest, że ze względu na swoją wielkość nanociała utrzymują się w krwiobiegu zaledwie kilka godzin, a więc kilkadziesiąt razy krócej niż konwencjonalne przeciwciała. Ale są już pomysły na obejście tego ograniczenia. Naukowcy z Belgii i Holandii zamierzają leczyć pacjentów onkologicznych żywymi bakteriami produkującymi nanociała. Sztuka polega na tym, by mikroby produkowały je dopiero wtedy, gdy dostaną się do guza nowotworowego. A to można uzyskać, programując je tak, by reagowały w ten sposób na niski poziom tlenu, bo takie właśnie warunki panują w skupiskach komórek rakowych. Inny sposób to zwiększenie rozmiarów nanociał przez dodanie do nich innej cząsteczki, która zwiększy efektywność działania – np. toksyny czy enzymu blokującego wzrost nowotworu. Są już pierwsze dowody na to, że taka metoda jest skuteczna – na razie u zwierząt laboratoryjnych.
Niespełna dwie dekady po odkryciu nanociał pierwsze oparte na nich farmaceutyki są już w końcowej fazie badań klinicznych, a firmy pracują nad setkami kolejnych. Są wśród nich preparaty przeciwnowotworowe, surowice przeciw jadom węży, leki na chorobę Alzheimera i reumatoidalne zapalenie stawów, środki przeciwzakrzepowe. Wszystko wskazuje na to, że zastosowania i możliwości są niemal nieskończone. Edwin Moses, jeden z szefów firmy Ablynx, szacuje, że w bieżącym roku wartość sprzedaży w tym sektorze osiągnie 10 mld dolarów. Spory kawałek tego tortu zagarnie właśnie jego firma, pracująca m.in. nad lekiem obniżającym krzepliwość krwi o roboczej nazwie ALX-0081, który może ochronić miliony osób przed zawałem lub udarem.
W PUSTYNI I W GŁĘBINIE
Dlaczego nanociała powstały w toku ewolucji właśnie u wielbłądów? Są one wyjątkowo odporne na wysokie temperatury, co – zdaniem dr. Ulricha Wernery’ego z Centralnego Laboratorium Badań Weterynaryjnych w Dubaju – jest dowodem na to, że powstały jako przystosowanie wielbłądów do życia w ciężkich warunkach środowiskowych. Wielbłądowate uchodzą za zwierzęta niezwykle wytrzymałe – są odporne na wiele chorób bakteryjnych, wirusowych i prionowych, dziesiątkujących stada innych kopytnych.
Okazało się jednak, że wielbłądy wcale nie są takie wyjątkowe. Niecałe sześć lat po odkryciu Belgów uczeni australijscy z CSIRO Health Sciences and Nutrition w Melbourne znaleźli podobne cząsteczki we krwi rekinów z gatunku Orectolobus maculatus. Kolejne badania wykazały, że nanociała występują także u innych gatunków ryb chrzęstnoszkieletowych. Wygląda więc na to, że ewolucja wpadła na ten sam dobry pomysł niezależnie co najmniej dwa razy. Szkoda, że nie stało się tak u ludzi, ale ostatecznie od czego mamy farmakologię…
Jakub Urbański
Biolog, tłumacz, dziennikarz i podróżnik. Doktorant Międzynarodowego Instytutu Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie. Pasjonuje się m.in. hodowlą gekonów pustynnych i modliszek.