Dlaczego naukowcy szukają w oceanie nowych leków
W miarę jak badacze medycyny kontynuują wysiłki na rzecz poprawy zdrowia ludzi, niektórzy zwracają uwagę na ocean, ponieważ wierzą, że morza na Ziemi mogą zawierać nowatorską chemię zwalczającą choroby.
Oceany pokrywają ponad dwie trzecie powierzchni Ziemi. Jak mówi przysłowie, wiemy więcej o powierzchni Księżyca niż o dnie oceanu.
Zdolność morza do przejścia od ciemnej, wybuchowej wściekłości do pogodnego, krystalicznie czystego spokoju przerażała i uwiodła ludzkość od czasu, gdy po raz pierwszy odwiedziliśmy plażę.
Biorąc pod uwagę rozległą, niewykorzystaną naturę oceanów Ziemi, sensowne jest zgłębianie ich głębin w poszukiwaniu nowych i innowacyjnych metod leczenia.
Zwierzęta morskie, rośliny i drobnoustroje rozwinęły unikalną gamę chemikaliów, które mają się bronić i wspomagać komunikację. Naukowcy chcą dowiedzieć się więcej o tych nowych związkach.
Po co patrzeć w morze?
Istnieje wiele powodów, dla których życie w morzu rozwinęło odrębny wybór cząsteczek. Na przykład zwierzęta, które są zakotwiczone w podłodze i nie mają pancerza, takie jak gąbki i korale, muszą znaleźć inne sposoby obrony. W wielu przypadkach ich bronią są chemikalia.
Ponadto stworzenia morskie mają zwykle stosunkowo prymitywny układ odpornościowy, a niektóre żyją w przeludnionych siedliskach, takich jak rafy koralowe, gdzie obrona jest pracą na pełny etat.
Jednocześnie organizmy w oceanie muszą przyciągać niektóre organizmy, a odstraszać inne. Muszą także koordynować rozmnażanie poprzez synchronizację uwalniania jaj i nasienia do środowiska. Wszystkie te rzeczy wymagają aktywnych cząsteczek biologicznych.
Zwierzęta i rośliny żyjące w oceanie siedzą i pływają w kąpieli bakterii, grzybów i innych organizmów, które zamierzają zamienić je w posiłek lub dom.
Ta różnorodność zagrożeń zmusiła ewolucję do prowadzenia coraz bardziej złożonych bitew chemicznych. Niektóre z otrzymanych związków mogą być przydatne w naszej własnej wojnie z chorobami.
„Rozważ […] powszechny kanibalizm morza; wszystkich, których stworzenia polują na siebie nawzajem, tocząc odwieczną wojnę od początku świata ”.
Herman Melville, Moby Dick
Starożytne morza
Fascynacja naukowców morzem morzem nie jest niczym nowym. Pierwsze dowody używania przez ludzi leków z oceanu pochodzą z Chin w 2953 roku p.n.e. Za panowania cesarza Fu Hsi obowiązywał podatek od zysków pochodzących z medycyny rybnej.
Przeskakując kilka tysięcy lat naprzód, do lat pięćdziesiątych XX wieku, chemik organiczny Werner Bergmann wyizolował szereg nukleozydów z karaibskiego gatunku gąbki zwanej Cryptotethya crypta.
Te chemikalia zainspirowały stworzenie nowej generacji leków, a naukowcy wyprowadzili z tych nukleozydów dwa leki zwane Ara-A i Ara-C. Lekarze używają Ara-A do leczenia infekcji opryszczki i Ara-C do leczenia ostrej białaczki szpikowej i chłoniaka nieziarniczego.
W ostatnich latach zainteresowanie pozyskiwaniem leków z oceanu odrodziło się. Poniżej podajemy kilka ostatnich przykładów.
Toksyny ślimaka morskiego
Conus magus to jadowity ślimak morski, którego niewielkie rozmiary i ozdobna muszla przeczą śmiercionośnemu zestawowi neurotoksyn.
Marką broni chemicznej tego bezkręgowca są konotoksyny - bardzo zmienna rodzina trucizn, które chociaż ślimaki używają ich do zabijania ryb, są bardziej niż zdolne do zabicia człowieka.
Istnieją setki innych gatunków ślimaków stożkowych, w tym stożek geograficzny. Ludzie czasami nazywają tego mięczaka ślimakiem papierosowym, ponieważ po zatruciu masz wystarczająco dużo czasu, aby zapalić papierosa przed śmiercią.
Zykonotyd to syntetyczna wersja konotoksyny, która działa przeciwbólowo i jest 1000 razy silniejsza niż morfina. Ludzie mogą go przyjmować w celu leczenia przewlekłego bólu, który wynika z chorób, takich jak rak, HIV w stadium 3 i niektóre zaburzenia neurologiczne.
Co ważne, jak pisze jeden z autorów, „długotrwałe podawanie zykonotydu nie prowadzi do rozwoju uzależnienia ani tolerancji”.
Ponieważ jednak zykonotyd działa tylko wtedy, gdy lekarze dostarczą go bezpośrednio do płynu rdzeniowego (dooponowo), stosują go tylko wtedy, gdy inne terapie zawiodły lub są nieskuteczne.
Leczenie raka spod fal
Pomimo lat badań rak wciąż okazuje się trudnym orzechem do zgryzienia. Chociaż leczenie znacznie się poprawiło, naukowcy chętnie zdobędą nowe bioaktywne chemikalia, które mogą pomóc w walce. Niektórzy badacze raka zanurzają palce w oceanie.
Niedawno grupa naukowców zbadała cząsteczki wydobyte z minogów - bezszczękowej, pasożytniczej ryby o starożytnym rodowodzie. W szczególności byli zainteresowani tak zwanymi zmiennymi receptorami limfocytów (VLR).
VLR celują w macierz zewnątrzkomórkową (ECM), która jest siecią cząsteczek biegnącą między komórkami. ECM pełni różne role w organizmie. Na przykład zapewnia wsparcie strukturalne dla tkanek, pomaga komórkom i tkankom łączyć się ze sobą oraz wspomaga komunikację między komórkami.
Ponieważ VLR celują w ECM, naukowcy są przekonani, że mogą służyć jako muły lekowe, które mogą transportować chemikalia przez normalnie nieprzeniknioną barierę krew-mózg i prosto do mózgu.
Teoretyzują, że jeśli VLR mogą ominąć barierę krew-mózg - przeszkodę dla większości leków - mogą być w stanie skuteczniej leczyć pewne schorzenia, w tym raka mózgu i udar. Ich wstępne prace na modelu myszy dały zachęcające wyniki.
Cud gąbek
Gąbki są szczególnie interesujące dla badaczy leków onkologicznych. W rzeczywistości autorzy recenzji na ten temat nazywają ich nawet „skarbnicą narkotyków”. Piszą:
„Każdego roku z gąbek morskich wyodrębnia się około 5300 różnych produktów naturalnych i nowych związków chemicznych. […] Okazało się, że takie związki mają działanie przeciwbakteryjne, przeciwwirusowe, przeciwgrzybicze, przeciwmalaryczne, przeciwnowotworowe, immunosupresyjne i sercowo-naczyniowe. ”
Gąbka Halichondria okadai jest odpowiedzialny za produkcję jednej godnej uwagi substancji chemicznej, którą naukowcy zreplikowali i nazwali eribuliną.
W badaniu z 2010 roku z udziałem kobiet z rakiem piersi, który miał przerzuty, związek ten wydłużył żywotność uczestniczek. W tamtym czasie autor, prof. Christopher Twelves, zauważył, że miejmy nadzieję, że „[t] te wyniki mogą ustalić, że erybulina jest nową, skuteczną metodą leczenia kobiet z późnym stadium raka piersi z przerzutami”.
Bakterie morskie
Inni naukowcy zbadali związek zwany serinichinonem z Serinicoccus, rzadki rodzaj bakterii morskich. Naukowcy wykazali, że ta substancja chemiczna może selektywnie niszczyć komórki raka czerniaka w laboratorium.
Chociaż serinichinon jest jeszcze daleki od gotowości do użycia u ludzi, badanie z lutego 2019 r. Przybliża nas o krok bliżej. Naukowcy zidentyfikowali sekcje cząsteczki, które zapewniają jej moc w walce z rakiem.
Chociaż konieczne będzie znacznie więcej inżynierii chemicznej i szeroko zakrojonych badań klinicznych, autorzy uważają, że „[o] naprawdę, badania te sugerują, że jest wykonalne zaprojektowanie pochodnych serinochinonu specyficznych dla czerniaka o właściwościach podobnych do leków”.
Jednym z leków, który przeszedł już próbę kliniczną i wszedł do powszechnego użytku, jest trabektedyna, znana pod marką Yondelis. Producenci wyprowadzają ten lek z ekstraktu z Ecteinascidia, powszechnie nazywany tryskaczem morskim, który jest podobnym do worka bezkręgowcem morskim.
Naukowcy po raz pierwszy zidentyfikowali właściwości przeciwnowotworowe wyciągu z tryskawki pod koniec lat 60. XX wieku, a po szeroko zakrojonych badaniach naukowcy znaleźli sposób na jego syntezę i produkcję w większych ilościach.
Efektem tej pracy był Yondelis, który obecnie posiada zatwierdzenie do leczenia mięsaków tkanek miękkich w Rosji, Europie i Korei Południowej. Naukowcy testują go również pod kątem stosowania przeciwko innym nowotworom, w tym rakowi prostaty i piersi.
Odporność na antybiotyki
Zagrożenie opornością na antybiotyki rzadko opuszcza prym w umysłach badaczy medycyny. Coraz większa liczba patogenów staje się odporna na nowoczesne antybiotyki. Ten brak podatności sprawia, że są one znacznie trudniejsze do leczenia, a zatem znacznie bardziej niebezpieczne.
Według Centers for Disease Control and Prevention (CDC) oporność na antybiotyki jest „jednym z największych wyzwań dla zdrowia publicznego naszych czasów”.
Trwają poszukiwania nowych związków, które mogą wypełnić rosnące luki pozostawione przez nieskuteczne antybiotyki.
Niektórzy ludzie biorący udział w tej misji zwrócili się w stronę morza, a jedna grupa skupiła się na szlamie rybnym - powłoce pokrywającej niektóre gatunki.
Szlam ten ciężko pracuje, aby zniszczyć patogeny w środowisku morskim, więc niektórzy naukowcy zastanawiają się, czy może on również pomóc w zwalczaniu patogenów lądowych.
Naukowcom z California State University w Fullerton i Oregon State University w Corvallis udało się wyizolować 47 różnych szczepów bakterii ze śluzu. Wyhodowali te bakterie i zredukowali je do ekstraktu chemicznego.
Następnie przetestowali ten ekstrakt z innymi patogenami i odkryli, że pięć szczepów bakterii było wysoce skutecznych w zwalczaniu oporności na metycylinę Staphylococcus aureus (MRSA), podczas gdy trzy były skuteczne przeciwko Candida albicans.
Swoje wstępne ustalenia przedstawili na krajowym spotkaniu i wystawie American Chemical Society Spring 2019.
Inne badanie, które znalazło się w Frontiers in Microbiology, badany Laminaria ochroleuca, gatunek wodorostów, który jest bogatym źródłem Actinobacteria.
Actinobacteria są szczególnie interesujące dla badaczy medycyny. Jak wyjaśniają autorzy badania, „bioaktywności zgłaszane przez aktynobakterie [produkty naturalne] obejmują działanie przeciwbakteryjne, przeciwgrzybicze, przeciwnowotworowe, przeciwnowotworowe, przeciwzapalne, przeciwwirusowe, cytotoksyczne i immunosupresyjne”.
Niektóre wyciągi z aktynobakterii były skuteczne przeciwko C. albicans i S. aureus. Co ciekawe, według starszej autorki, dr Marii de Fátima Carvalho, „siedem ekstraktów hamowało wzrost raka piersi, a zwłaszcza raka komórek nerwowych, nie wywierając przy tym wpływu na komórki nienowotworowe”.
Odporność na grzyby
Równolegle z problemem oporności na antybiotyki jest równoległy problem oporności na środki przeciwgrzybicze: leki zabijające grzyby również tracą zęby. Niektórzy mają nadzieję, że gąbki morskie mogą być w stanie pomóc.
Na przykład badania wykazały, że ekstrakty chemiczne z Jaspis gatunki gąbek były skuteczne przeciwko C. albicans w modelu myszy.
Podobnie, badanie wykazało, że eurysterole A i B, dwie substancje chemiczne z gąbki z rodzaju Euryspongia, „Wykazuje działanie przeciwgrzybicze przeciwko opornym na amfoterycynę B i dzikim szczepom [C. albicans]. ” Zabili także ludzkie komórki raka okrężnicy w laboratorium.
Każdego roku naukowcy odkrywają około 1000 nowych związków w oceanach. Jak wyjaśnia jeden z autorów, „często charakteryzują się one nowością strukturalną, złożonością i różnorodnością”.
Jednak nadal istnieje bardzo niewiele związków pochodzenia morskiego odgrywających rolę w leczeniu chorób. Dlaczego nie używamy więcej tych nowatorskich chemikaliów?
Przepaść między chemią a kliniką
Po pierwsze, tak jak w przypadku każdego leku eksperymentalnego, istnieje duży skok między szalką hodowlaną w laboratorium a pacjentem. U żywych stworzeń leki nie zawsze reagują w sposób, jakiego oczekują naukowcy.
Po drugie, wiele leków ma toksyczne skutki uboczne, które czynią je bezużytecznymi. Żaden z tych problemów nie jest ślepą uliczką, ponieważ farmakolodzy i chemicy mogą modyfikować cząsteczki lub projektować podobne chemikalia, ale jest to czasochłonne.
Innym poważnym problemem jest wytwarzanie wystarczających ilości substancji chemicznych pochodzenia morskiego. Wiele gatunków albo nie może przetrwać w niewoli, albo wymaga bardzo specyficznych, trudnych w utrzymaniu środowisk. Znów oznacza to, że naukowcy muszą znaleźć sposoby na replikację cząsteczek będących przedmiotem zainteresowania, co jest długą i skomplikowaną ścieżką.
Mówiąc o tych kwestiach, autorzy przeglądu piszą, że „siła syntezy organicznej i chemii medycznej będzie musiała przyjść z życiem”. Są to techniczne, drogie obręcze do przeskoczenia.
Podsumowując, chociaż wydaje się, że na morzach planety jest wiele obiecujących, wiele potencjalnych ścieżek jest długich i krętych i nie będzie szybkich zwycięstw.
W miarę jak ludzie wywierają coraz większą presję na ekosystemy morskie, obawy o stan naszych oceanów osiągają poziom gorączki. Możliwe, że potencjalne leki przyszłości znikną, zanim naukowcy będą mieli szansę je zebrać.
