Výzkum v oblasti chemické biologie a supramolekulární chemie
Rakovinné kmenové buňky tvoří sub-populaci rakovinných buněk a vykazují zvýšenou aktivitu faktorů způsobujících vznik rakoviny a rovněž mají rozhodující podíl na neúspěšné léčbě této choroby. Podle fenotypu vykazují rakovinné kmenové buňky významné molekulární a funkční odlišnosti, čímž se odůvodňuje jejich resistence k současným metodám léčby. Tyto kmenové rakovinné buňky jsou schopné roznášet rakovinné bujení po celém organismu. Díky tomu vzniká akutní potřeba vývoje nových typů léčiv odolných proti rychlému metabolismu účinkem těchto rakovinných kmenových buněk.
Některé vhodné deriváty steroidních a terpenoidních sloučenin, zejména jejich amidy a aminy s polyaminovými sloučeninami, heterocyklickými dusíkatými sloučeninami či nepřírodními aminokyselinami se mohou stát vhodnými kandidáty pro deaktivaci rakovinných kmenových buněk. Jelikož již bylo prokázáno, že některé z těchto steroidních a terpenoidních derivátů jsou schopné tvořit supramolekulární struktury za různých podmínek, mnohdy makrospopicky pozorovatelné jako organogely, hydrogely či xerogely, je možné uvažovat i o zapojení těchto supramolekulárních struktur při studiu resistence rakovinných kmenových buněk. Naším úkolem je vývoj nových potenciálních léčiv a jiných farmakologicky významných sloučenin, zejména proti významným onemocněním a závažným chorobám, jakož i cílený transport biologicky aktivních látek, včetně farmak, k odpovídajícím receptorům a pokusit se vyvinout typy sloučenin resistentních k rychlému metabolizování uvnitř rakovinných kmenových buněk.
Bez ohledu na skutečnost, že v léčení rakoviny došlo k mnoha výrazným zlepšením, přesto mnoho pacientů znovu onemocní po aplikaci konvenčních terapií. Rakovina zůstává nejčastější příčinou úmrtí lidí ve věku nad 65 let. Nedávné experimentální a klinické důkazy podporují koncept tvorby residuálních rakovinných kmenových buněk, které tvoří sub-populaci rakovinných buněk a vyznačují se vysokou schopností opakovaně iniciovat vznik rakoviny. Mají vysokou schopnost sebeobnovy a resistence k současným medikamentům a jsou zodpovědné za rozšíření onemocnění v celém organismu i po aplikaci standardní radioterapie a chemoterapie. Rakovinné kmenové buňky se tím odlišují od standardních rakovinných buněk, a proto jejich eliminace v organismu vyžaduje aplikaci nových konceptů léčení, ale i vývoj nových protirakovinných medikamentů. Proto je vývoj nových typů potenciálně úspěšných léčiv rakoviny jedním z klíčových úkolů současného chemického, farmaceutického a medicinálního výzkumu. Identifikovat inhibitory rakovinných kmenových buněk je zcela jasně interdisciplinárním úkolem, v němž se bez zahraniční a domácí spolupráce s biologickými pracovišti neobejdeme.
Zaměříme se na vývoj nových potenciálně aktivních struktur odvozených především od přírodních látek. Rakovina vzniká na základě kumulace určitých mutací buněčných onkogenů a supresorů tumorových nádorů, v jejichž důsledku dochází v organismu k nekontrolovatelnému růstu nádorů. Během maligní progrese začínají nádory vykazovat heterogennost a nádorové buňky se stávají resistentními ke konvenčním léčivům a léčebným procedurám. Na základě výsledků exprese specifických markerů může být subpopulace rakovinných kmenových buněk isolována. Rakovinné kmenové buňky vykazují takové vlastnosti, jako je schopnost rychlého šíření v organismu a schopnost přežití, resistenci k chemoterapii i k působení imunitního systému a hlavně vysokou schopností opětovného šíření onemocnění v organismu. Na druhé straně, heterogennost populace rakovinných buněk nabízí možnost vývoje úspěšné terapie tohoto onemocnění. S ohledem na výše uvedené vlastnosti rakovinných kmenových buněk je vývoj metod, vedoucích k inhibici jejich funkce a šíření v organismu, významnou možností pro budoucí úspěšné terapeutické postupy. V současné době existuje jen velmi malý počet přípravků schopných inhibovat rakovinné kmenové buňky. Nedávný úspěch v experimentech provedených in vitro byl založen na použití malých molekul a přírodních látek především rostlinného původu. Tento pilotní výzkum umožnil podrobněji definovat specifické molekulární požadavky na prostředky pro inhibici rakovinných kmenových buněk, včetně enzymového systému potřebného pro metabolické pochody, regulátorů buněčného cyklu, růstových faktorů a receptorů tyrosinové kinasy, cytokininových signálních drah a některých dalších faktorů. Identifikace selektivních inhibitorů bude vyžadovat interdisciplinární přístup, do něhož chceme vstoupit s naší specializací na chemii přírodních látek s biologickou aktivitou a možnostmi, jaké chemie přináší pro jejich cílenou derivatizaci. Výzkum v oblasti látek potenciálně aktivních při inhibici rakovinných kmenových buněk, které mohou být malými molekulami přírodního (rostlinného) původu a které v obecné rovině umožňují interakci s cílovými receptory, navazuje na dlouhodobé výsledky objevů mnoha malých molekul s biologickou aktivitou především v rostlinách. Program si klade za cíl přispět svým dílem k objasnění dílčích zákonitostí funkce některých přírodních molekul pomocí jejich cílené modifikace do formy analogů schopných vazby na specifické receptory. U většiny z takových sloučenin se předpokládá i schopnost vytvářet supramolekulární systémy, což vychází ze závěrů našeho dosavadního výzkumu.
Supramolekula je systém dvou či více molekul, které jsou spojeny či se skládají k sobě pomocí intermolekulárních nekovalentních a nevazebných interakcí a vyznačují se vlastnostmi, kterými se jejich jednotlivé komponenty vyznačit nemohou. Studium supramolekulárních struktur neslouží jen porozumění supramolekulární samoskladbě, ale také poskytuje prekursory pro tvorbu nových nanomateriálů pro elektroniku a pro biologické, biomedicinální a farmaceutické aplikace. Porozumění vazby supramolekul v biologických systémech a kontroly funkce nových syntetických supramolekulárních systémů může být dosaženo jedině znalostí vztahů mezi strukturou a dynamikou systému. Geometrie a prostorová orientace skládajících se molekul určuje konstantu asociace, zatímco disociace je definována jako síla specifických interakcí.
Kontrolovaná produkce objektů v nanoměřítku patří v současnosti k prioritám moderní vědy a technologie. Příklady chemických systémů schopných samoskladby a katalýzy své vlastní syntézy – tzv. samovolně se opakující systémy – se v chemické literatuře začaly objevovat před 20 lety. Pro biology jsou tyto systémy vazbou s počátky života a jejich studium může vnést pochopení prebiotické chemické evoluce. Pro syntetické chemiky representují tyto systémy syntetické nástroje schopné samostatně reprodukovat sebe sama v bezpočtu kopií z jediné původní molekuly. Jednou ze základních otázek k zodpovězení je, zda strukturní komplexnost nukleových kyselin je nutná k uchování a přenosu informace na molekulární úrovni. Proto je zřejmé, že vývoj a podrobné porozumění chování systémů schopných samovolné replikace jsou důležité pro biologii i chemii. Biologické systémy ukazují, že chemická replikace je možná na základě templátů, které v procesu působí. Pochopitelně zůstává celá řada otázek zatím nezodpovězena, zejména ve vztahu k možnostem samovolné replikace systémů, např. zda tyto systémy jsou schopny sebe replikovat bez účasti enzymů a kofaktorů, či zda nukleové kyseliny jsou jedinečné ve své schopnosti skladovat a přenášet informace na molekulární úrovni. Během předchozích 20 let byla vytvořena řada systémů schopných reprodukovat sebe sama bez pomoci enzymů, což naznačuje možnou odpověď. Vývoj molekul, které se vyznačují funkcí specifických a účinných templátů pro tvorbu sebe sama formou replikace, by měl umožnit vývoj účinných postupů, které nám umožní vytvořit podmínky pro samostatnou replikaci molekul a také ji řídit, jakož i pochopit evoluci syntetických supramolekulárních systémů a přispět k rozvoji poznání v oboru chemické biologie.
Samoskladba supramolekulárních systémů je obrazem různých přístupů syntetických chemiků a zahrnuje způsoby skladby malých molekul, porézních krystalů s koordinovanými kovy a vodíkovými vazbami, samoskladbu lipidů (liposomy, vlákna či trubičky), tvorbu gelů a kapalných krystalů či materiálů se schopností přenosu strukturní informace (zvl. v biologických systémech). Obnovitelné zdroje nabízejí širokou paletu přírodních produktů. Z nich steroidy a terpenoidy tvoří skupiny strukturně podobných látek rozšířených v živočišné i rostlinné říši. Medicinální chemie steroidů pokrývá velké a důležité série struktur a jejich biologických aktivit. Chemie, biochemie a chemická biologie přírodních látek je studována intenzivně a výsledky těchto studií se využívají při vývoji nejrůznějších léčiv, od těch, která ovlivňují hormonální nerovnováhu až po látky s protinádorovým účinkem či účinkem antibakteriálním. Počet přírodních steroidů i terpenoidů je pochopitelně limitován jejich výskytem, na druhou stranu lze připravit ohromný počet jejich konjugátů. Tento nový přístup se jeví slibným při vývoji molekul s možným použitím proti výše zmíněným typům chorob a onemocnění. Výhoda tohoto přístupu nad kombinatorní chemií spočívá v rozmanitosti struktur, které mohou být studovány. Steroidy i terpenoidy jsou velmi výhodnými synthony pro vývoj širokého spektra konjugátů se širokým spektrem biologické aktivity a se schopností penetrovat skrze buněčnou membránu a vázat se na specifické hormonální receptory. Věnujeme se vývoji derivátů vybraných rostlinných látek, zejména fytosterolů a terpenoidů, které prostřednictvím substituce či strukturní modifikace vytvoří nové látky s potenciálními požadovanými vlastnostmi. Takovými vhodnými malými molekulami, buď přírodního nebo syntetického původu, mohou být alifatické i aromatické polyaminy, jednoduché i složité dusíkaté heterocyklické sloučeniny nesoucí další funkční skupiny, nepřírodní aminokyseliny a nepřírodní enantiomery aminokyselin vyskytujících se v přírodě, aminocukry a jejich deriváty a řada dalších sloučenin. Fytosteroly nesou jedinou hydroxylovou funkci v poloze C(3), v alifatickém postranním řetězci však nesou funkce vhodné pro modifikaci tohoto řetězce a pro zavedení nových funkčních skupin (karbonylové či karboxylové). Terpenoidy mohou nést více funkčních skupin včetně karboxylových. Hydroxylové funkce fytosterolů i terpenoidů mohou též být transformovány v aminoskupiny, což dává možnost vzniku amidové vazby v možných konjugátech steroidních sloučenin, karboxylové funkce těchto látek, pokud jsou přítomny, mohou být rovněž snadnými postupy transformovány na amidy. Tam, kde strukturní předpoklady dovolí dodatečnou redukci amidů na aminy, bude taková transformace rovněž realizována. Všechny vyvinuté nové sloučeniny budou podrobeny biologickému testování.
Při zkoumání fyzikálně-chemických vlastností supramolekulárních systémů dojde i k navržení možného způsobu využití těchto látek v terapeutickém studiu chování rakovinných kmenových buněk. Významným faktorem v tomto výzkumu je i studium tvorby gelů, především medicinálně důležitých hydrogelů. Aplikace této nové technologie může být iniciačním faktorem kontroly inhibice rakovinných kmenových buněk. V oblastech vývoje biomateriálů byla již podobná technologie zkoušena, avšak pro inhibici rakovinných kmenových buněk zatím použita nebyla. Tato nová metodologie je založena na tvorbě nekovalentních konjugátů pro-léčiva (pro-drug) majícího schopnost supramolekulární samoskladby řízené podmínkami prostředí, kde vzniklý, zpravidla chirální supramolekulární systém, je schopný dále se konjugovat s přírodními cukernými polymery (např. hyaluronovou kyselinou či heparinem). Takovéto složité supramolekulární systémy budou vznikat již samostatnou replikací, buď in vitro nebo in vivo, a mohou se stát základem vývoje nových terapeuticky účinných postupů a také základem vývoje nových supramolekulárních markerů indikujících přítomnost onemocnění a průběh terapeutického zásahu.
Toto komplexní použití přírodních látek a jejich analogů ve výzkumu inhibice rakovinných kmenových buněk může bezpochyby vést i k novým pohledům na biologické procesy a rozpoznávání na molekulární úrovni. Napomůže lepší integraci chemie s biologickými procesy. Akce jako celek povede k vývoji nových prostředků pro léčení nejen rakoviny, ale potenciálně i dalších chorob a onemocnění, k vývoji nových prostředků v chemické biologii a k novým technologickým objevům. Vývoj moderních principů pro studium podstaty šíření rakovinných nádorů v organismu povede k produktům s vysokou přidanou hodnotou, může být pro zemi, jakou je Česká republika, mající omezené přírodní zdroje, velmi významný.
Přidanou hodnotou tohoto výzkumu je rozšířená možnost přímé spolupráce s partnery z jiných oborů, což dává tomuto programu zcela jasně definovanou novou dimenzi a v tom spočívá další význam. Vyvinuté deriváty přírodních látek budou testovány v rámci spolupráce doma i v zahraničí. Supramolekulární materiály mají předpoklady přispět k vývoji nových terapeutických postupů a k vývoji nových markerů chorob, onemocnění a jejich terapie. Výsledky testování budou porovnány s výsledky matematického modelu.