In de waterige binnenkant van een cel vinden complexe processen plaats in kleine functionele compartimenten die organellen worden genoemd. Energieproducerende mitochondriën zijn organellen, evenals het stroken golgi-apparaat, dat helpt bij het transporteren van cellulaire materialen. Beide compartimenten zijn gebonden door dunne membranen.

Maar de afgelopen jaren heeft onderzoek aan het Whitehead Institute en elders aangetoond dat er andere cellulaire organellen bij elkaar worden gehouden zonder een membraan. Deze organellen, condensaten genoemd, zijn kleine druppeltjes die bepaalde eiwitten dicht bij elkaar houden te midden van de chaos van de cel, waardoor complexe functies binnenin kunnen plaatsvinden. "We kennen tot nu toe ongeveer 20 soorten condensaat in de cel", zegt Isaac Klein, postdoc in het lab van Richard Young aan het Whitehead Institute en oncoloog aan het Dana-Farber Cancer Institute.

Nu, in een paper gepubliceerd in Wetenschap op 19 juni laten Klein en Ann Boija, een andere postdoc in het lab van Young, het mechanisme zien waardoor kleine moleculen, waaronder kankermedicijnen, in deze cellulaire druppeltjes worden geconcentreerd - een bevinding die gevolgen zou kunnen hebben voor de ontwikkeling van nieuwe kankertherapieën. Als onderzoekers een chemische stof op maat zouden kunnen maken om te zoeken naar en zich te concentreren in één soort druppel in het bijzonder, zou dit een positief effect kunnen hebben op de afgifte-efficiëntie van het medicijn. "We dachten, misschien is dat een manier waarop we kankerbehandelingen kunnen verbeteren en nieuwe kunnen ontdekken", zegt Klein.

"Dit [onderzoek] maakt deel uit van een revolutionaire nieuwe manier om naar de organisatie binnen cellen te kijken", zegt professor Phillip Sharp van het MIT Institute, hoogleraar biologie aan het Koch Institute for Integrative Cancer Research en co-auteur van het onderzoek. 'Cellen zijn geen kleine plassen soep, allemaal met elkaar vermengd. Het zijn eigenlijk sterk georganiseerde, gecompartimenteerde eenheden, en die organisatie is belangrijk in hun functie en in hun ziekten. We zijn net begonnen dat te begrijpen, en dit nieuwe artikel is een heel belangrijke stap, met behulp van dat inzicht, om te begrijpen hoe we ziekten mogelijk anders kunnen behandelen. ”

Condensaten en medicijnafgifte

Om te onderzoeken hoe verschillende eigenschappen van condensaten in de celkern de afgifte van kankergeneesmiddelen beïnvloedden, selecteerden Boija en Klein een paar voorbeeldcondensaten om te bestuderen. Deze omvatten splicing-spikkels, die cellulaire materialen opslaan die nodig zijn voor RNA-splicing; nucleoli, waar ribosomen worden gevormd; en een nieuw soort druppel Young's lab ontdekt in 2018 genaamd een transcriptionele condensaat. Deze nieuwe condensaten brengen alle verschillende eiwitten samen die nodig zijn om een ​​gen succesvol te transcriberen. 

De onderzoekers creëerden hun eigen suite van vier verschillende fluorescent gelabelde condensaten door gloeiende tags toe te voegen aan markereiwitten die specifiek zijn voor elk soort druppel. Transcriptionele condensaten worden bijvoorbeeld gemarkeerd door het druppelvormende eiwit MED1, spikkels door een eiwit genaamd SRSF2 en nucleoli door FIB1 en NPM1. 

Nu ze individuele druppels konden onderscheiden door hun cellulaire doel, creëerde het team, samen met de hulp van Nathanael Gray, een chemisch bioloog aan de Harvard University en het Dana-Farber Cancer Institute, fluorescerende versies van klinisch belangrijke medicijnen. De geteste geneesmiddelen waren cisplatine en mitoxantron, twee antitumormiddelen die vaak worden gebruikt bij chemotherapie. Deze therapieën waren de perfecte proefpersonen, omdat ze allebei gericht zijn op eiwitten die in nucleaire condensaten liggen. 

De onderzoekers voegden de kankermedicijnen toe aan een mengsel dat verschillende druppels bevatte (en alleen druppeltjes, geen van de daadwerkelijke medicijndoelen), en ontdekten dat de medicijnen zichzelf sorteerden in specifieke condensaten. Mitoxantron concentreerde zich in condensaten gemarkeerd met MED1, FIB1 en NPM1, selectief de andere vermijdend. Ook cisplatine vertoonde een bijzondere affiniteit voor door MED1 bij elkaar gehouden druppeltjes. 

"De grote ontdekking met deze in-vitro-onderzoeken is dat een geneesmiddel zich onafhankelijk van zijn doelwit in transcriptionele condensaat kan concentreren", zegt Boija. “Vroeger dachten we dat medicijnen op de juiste plaats terechtkomen omdat hun doelen er zijn, maar in ons in-vitro-systeem is het doel er niet. Dat is heel informatief - het laat zien dat het medicijn op een andere manier wordt geconcentreerd dan we dachten. ”    

Om te begrijpen waarom sommige medicijnen in transcriptionele condensaten werden getrokken, screenden ze een panel van chemisch gemodificeerde kleurstoffen en ontdekten dat het belangrijkste deel van veel medicijnen - het deel waardoor ze zich concentreerden in transcriptionele condensaten - de aromatische ringstructuur van de moleculen is. Aromatische ringen zijn stabiele, ringvormige groepen koolstofatomen. Van de aromatische ring in sommige medicijnen wordt gedacht dat ze zich opstapelen met ringen in de aminozuren van MED1, waardoor het medicijn zich concentreert in transcriptionele condensaten. 

Het kunnen aanpassen van een medicijn aan een bepaald condensaat is een krachtig hulpmiddel voor medicijnontwikkelaars. 'We ontdekten dat als we een aromatische groep aan een molecuul toevoegen, deze geconcentreerd wordt in het transcriptionele condensaat', zegt Boija. “Het is dat type interactie dat belangrijk is wanneer we nieuwe medicijnen ontwerpen om transcriptionele condensaten in te voeren - en misschien kunnen we bestaande medicijnen verbeteren door hun structuur te wijzigen. Dit zal heel spannend zijn om naar te kijken. ”

Waar drugs zich concentreren, beïnvloedt hoe goed ze kanker bestrijden

Om deze tool praktisch bruikbaar te maken bij de ontwikkeling van geneesmiddelen, moesten de onderzoekers ervoor zorgen dat concentratie in specifieke druppels de prestaties van de geneesmiddelen daadwerkelijk zou beïnvloeden. Boija en Klein besloten dit te testen met cisplatine, dat door MED1 aangetrokken wordt tot transcriptionele condensaten en kanker bestrijdt door onhandige platinamoleculen aan DNA-strengen toe te voegen. Dit beschadigt het genetische materiaal van tumorcellen. Toen de onderzoekers cisplatine toedienden aan een mengsel van verschillende condensaten, zowel in de reageerbuis als in cellen, veranderde het medicijn bij voorkeur DNA dat in transcriptionele condensaten lag. 

Dit zou kunnen verklaren waarom cisplatine en andere platinamedicijnen effectief zijn tegen zoveel verschillende vormen van kanker, zegt Young, die ook professor biologie is aan het MIT; kankerverwekkende genen dragen vaak DNA-gebieden genaamd super enhancers, die extreem actief zijn in transcriptie, wat leidt tot zeer grote transcriptionele condensaten. "We denken nu dat de reden dat geneesmiddelen zoals cisplatine goed kunnen werken bij patiënten met verschillende vormen van kanker, is omdat ze selectief worden geconcentreerd op de kankerverwekkende genen, waar deze grote transcriptionele condensaten voorkomen", zegt hij. 'Het effect is dat de drug het gen binnenkrijgt dat ervoor zorgt dat elke kanker zo dodelijk is.'

Een mysterie over resistentie tegen drugs, opgelost        

De nieuwe inzichten in condensaatgedrag gaven ook enkele antwoorden op een andere vraag in het kankeronderzoek: waarom mensen immuun worden voor het middel tegen borstkanker, tamoxifen. Tamoxifen werkt door zich te hechten aan oestrogeenreceptoren in de kankercellen, waardoor ze niet de hormonen krijgen die ze nodig hebben om groeien en uiteindelijk de vorming van nieuwe kankercellen vertragen of stoppen. Het medicijn is een van de meest effectieve behandelingen voor de ziekte en vermindert het aantal recidieven voor ER + borstkanker met ongeveer 50 procent.     

Helaas ontwikkelen veel patiënten snel een resistentie tegen tamoxifen - soms al een paar maanden nadat ze zijn begonnen met het gebruik ervan. Dit gebeurt op verschillende manieren - soms zullen de kankercellen bijvoorbeeld muteren om de tamoxifen uit de cellen te kunnen schoppen, of simpelweg minder oestrogeenreceptoren produceren om het medicijn te binden. Eén vorm van resistentie ging gepaard met een overproductie van het eiwit MED1, maar wetenschappers wisten niet waarom. 

Met hun hernieuwde kennis van hoe de activiteit van een medicijn wordt beïnvloed door de plaats waar het zich concentreert, hadden Boija en Klein een hypothese: de extra MED1 zou de grootte van de druppels kunnen vergroten, waardoor de concentratie van tamoxifen effectief zou worden verdund en het voor het medicijn moeilijker zou worden om te binden zijn doelen. Toen ze dit in het laboratorium testten, ontdekte het team dat meer MED1 inderdaad grotere druppels veroorzaakte, wat leidde tot lagere concentraties tamoxifen. 

Een nieuwe toolset voor medicijnontwerpers

Het vermogen om het gedrag van geneesmiddelen in kankercellen beter te begrijpen - hoe ze zich concentreren en waarom de kanker er resistent tegen kan worden - kan geneesmiddelenontwikkelaars een nieuw arsenaal aan hulpmiddelen bieden om efficiënte therapeutica te maken.

"Deze studie suggereert dat we moeten onderzoeken of we medicijnen kunnen ontwerpen of isoleren die in een bepaald condensaat zijn geconcentreerd, en om te begrijpen hoe bestaande medicijnen in de cel zijn geconcentreerd", zegt Phil Sharp. "Ik denk dat dit erg belangrijk is voor de ontwikkeling van medicijnen - en ik denk dat [uitzoeken] leuk zal worden."