hirdetés
hirdetés

Evolúciót modellező tesztmódszer az antibiotikum-rezisztencia előrejelzésére

Egy lépéssel a baktériumok előtt

Dr. Pál Csaba és kutatócsoportja, az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpontjának munkatársai egyedülálló vizsgálóeljárást dolgoztak ki, amely a baktériumok evolúciós alkalmazkodásának modellezésével alkalmas arra, hogy már a gyógyszerfejlesztési fázisban előre jelezze az új antibiotikumokkal szembeni, várható rezisztenciát. A költséghatékonyan, napok alatt kivitelezhető DIvERGE assay útmutatást ad a célzott molekulafejlesztéshez, és emellett számos egyéb területen is alkalmazást nyerhet – a biotechnológiai iparban például növelheti a biológiai gyógyszerek gyártásának hatékonyságát vagy segítheti új terápiás fehérjék előállítását. A PharmaOnline-nak adott interjúban a fiatal kutatók részletesen ismertették a módszer jelentőségét és a gyakorlati felhasználás távlati lehetőségeit.

hirdetés

– Mitől egyedülálló a kutatócsoport által kidolgozott új vizsgálóeljárás?

– A módszerünk fő újdonságértéke talán a nagyon gyors és átfogó modellezésben rejlik. Olyan technológiát sikerült kidolgoznunk, ami lehetőséget ad arra, hogy sokféle mikroorganizmus örökítőanyagát célzottan módosítsuk, rendkívül nagy áteresztőképességgel. Azáltal, hogy képesek vagyunk egyszerre számos mutációt előidézni, rövid idő alatt nagyszámú evolúciós útvonalat tudunk feltérképezni. Ezt úgy érjük el, hogy egy bakteriovírus eredetű fehérje segítségével mesterségesen előállított DNS-szakaszokat építünk be a baktériumok örökítőanyagába. A szintetikus DNS-en olyan mutációkat hozunk létre, amik a célorganizmus genomjába beépülve az élő sejtben kifejeződnek. A fő áttörést az jelenti, hogy egyidejűleg nagyon sok sejtet tudunk módosítani, így egyszerre több millió vagy akár milliárdnyi változatot is képesek vagyunk létrehozni – magyarázza Nyerges Ákos, a DIvERGE (directed evolution with random genomic mutations) mozaikszóval rövidített eljárás alapötletének kidolgozója és az Amerikai Tudományos Akadémia hivatalos lapjában, a PNAS júniusi számában megjelent közlemény első szerzője. – Gyakorlatilag több nagyságrenddel, százezerszeresére-milliószorosára felgyorsítjuk az örökítőanyag megváltozását, vagyis az evolúció hátterét adó mutációs folyamatokat. Ez számos elméleti biológiai kérdés megválaszolására lehetőséget ad, és biotechnológiai hasznosítási lehetőségek sokaságát rejti magában, így rengeteg gyakorlati alkalmazása lehet. Amire mi speciálisan alkalmaztuk a most közzétett kísérletsorozatban, az a legégetőbb népegészségügyi problémák egyikeként számon tartott antibiotikum-rezisztencia vizsgálata.

– Más eljárásokkal összehasonlítva e módszer hogyan teljesít?

– Eddig nem volt lehetőség arra, hogy kellő pontossággal előre jelezzük, milyen rezisztenciafolyamatok jelenhetnek meg egy-egy baktériumban, ha a kórokozó találkozik majd egy adott hatóanyaggal. Léteznek ugyan különféle eljárások a kórokozók ellenálló képességének tanulmányozására, de ezek egyike sem kellően átfogó. Jóval kevesebb mutációs folyamatot, azaz jóval kevesebb evolúciós útvonalat tudnak feltérképezni, így nem adnak precíz képet arról, milyen módosulásokat idézhetnek elő adott antibiotikumok az egyes mikoorganizmusokban. Ezzel szemben a DIvERGE lehetővé teszi, hogy az adott kórokozó esetében szinte az összes mutációs lehetőséget létrehozzuk – párhuzamosan mintegy 109–1010 sejtváltozatot, egy-egy sejtvonalon egyszerre csak egy vagy néhány mutációval. Ez alapján ki tudjuk választani, melyek azok, amik elméletileg a klinikumban is problémát okozhatnak. Ez az eljárás jól modellezi a baktériumok természetes evolúcióját, hiszen a természetben is kisszámú mutáció megjelenésével alakul ki az antimikrobás szerekkel szembeni rezisztencia (eltekintve persze a plazmidok közvetítette horizontális génfelvétel jelenségétől, ami szintén fontos mechanizmusa a gyógyszer-rezisztencia kifejlődésének, ez viszont már egy másik, szintén szerteágazó kutatási terület).

Az MTA SZBK Kísérleti Evolúcióbiológiai Csoportjának fiatal kutatói az antibiotikumokkal szembeni rezisztencia áthidalásának lehetőségeit vizsgálják. A képen balról jobbra Révész Tamás, Nyerges Ákos, Apjok Gábor, Papp Henrietta, Szili Petra és Draskovits Gábor látható. A kutatómunkában közreműködtek továbbá Ferenc Györgyi, Kintses Bálint, Csörgő Bálint, Ari Eszter, Balogh Dávid, Papp Balázs és a Seqomics Kft. csapata.(Fotó: PharmaOnline)
Az MTA SZBK Kísérleti Evolúcióbiológiai Csoportjának fiatal kutatói az antibiotikumokkal szembeni rezisztencia áthidalásának lehetőségeit vizsgálják. A képen balról jobbra Révész Tamás, Nyerges Ákos, Apjok Gábor, Papp Henrietta, Szili Petra és Draskovits Gábor látható. A kutatómunkában közreműködtek továbbá Ferenc Györgyi, Kintses Bálint, Csörgő Bálint, Ari Eszter, Balogh Dávid, Papp Balázs és a Seqomics Kft. csapata.(Fotó: PharmaOnline)

– Bármilyen hatásmechanizmusú antibiotikum hatékonysága modellezhető ilyen módon?

–  Igen, legyen szó akár egy már engedélyezett és forgalomban lévő hatóanyagról, akár egy még kísérleti stádiumban lévő molekuláról. A kutatás során mi magunk is erre helyeztük a hangsúlyt, és első lépésben – a módszer megbízhatóságának igazolására – a klinikumban alkalmazott gyógyszerekkel szembeni rezisztencia kialakulását vizsgáltuk többféle baktériumfajon. Igazoltuk, hogy az antibiotikumok célpontjának mutációs módosulása következtében valóban megjelennek a klinikai gyakorlatból vagy laborkísérletekből már ismert rezisztenciamechanizmusok. Nagyon jó hatásfokkal tudtuk előidézni azokat az evolúciós folyamatokat, amik a klinikai jelentőségű kórokozókban előfordulnak. Ez alapján azután továbbléptünk a fejlesztés alatt álló antibiotikumok irányába – ezen belül egy, a GlaxoSmithKline (GSK) által fejlesztett topoizomeráz-gátló vegyület vizsgálatára, amit a cég eddig rezisztenciamentesnek tartott. A DIvERGE módszerrel kimutattuk azonban, hogy e viszonylag új hatásmechanizmusú szer ellen (gepotidacin) is gyorsan ki tud alakulni rezisztencia, ehhez ugyanis mindössze két mutáció egyidejű megjelenésére van szükség. Az eddig rendelkezésre álló vizsgálóeljárásokkal ezt nem lehetett megjósolni.

– Ez azt jelenti, hogy az adott gyógyszerjelöltet már nem is érdemes tovább fejleszteni?

– Nem, természetesen nem jelenti azt, hogy a szóban forgó fejlesztés idő- és pénzpazarlás lenne, hiszen a klinikai rezisztencia kifejlődése többtényezős folyamat: a megfelelő mutációkat hordozó kórokozóknak túl is kell élniük az emberi szervezetben és környezetben ahhoz, hogy az elméleti jelenség a gyakorlatban is valós problémaként jelentkezzen. Az evolúciós szelekcióhoz nélkülözhetetlen, hogy az adott változat az emberi szervezeten belül is életképes legyen. Ehhez további vizsgálatok szükségesek. Másfelől, a cél természetesen nem egy újabb hatóanyag elvesztése – sokkal inkább az, hogy a feltárt rezisztenciakockázat útmutatást adjon a további fejlesztéséhez. Ha ugyanis tudjuk, hogy egy adott szerrel szemben milyen rezisztenciafolyamatok megjelenése várható, akkor számítógépes molekulatervezéssel lehetőség van olyan szerkezeti módosítások végrehajtására, amik nehezítik a kórokozók ellenálló képességének kifejlődését. A DIvERGE tehát mindenképpen kiemelt szerephez juthat a jövőbeli antibiotikum-fejlesztésekben. Ráadásul, vannak olyan terápiás stratégiák – gondolok itt a célzott kezelésre –, amikkel hosszú időn át rezisztenciabiztos maradhat egy antibiotikum. Az új technika e megközelítést is hatékonyan támogatja, mert segíti az adott szerrel szembeni rezisztenciára legkevésbé hajlamos célorganizmusok kiválasztását.

– Elméletileg lehetséges olyan antibiotikumot fejleszteni, ami ellen a klinikumban nem alakul ki rezisztencia?

– Én azt mondanám, hogy nem, de ez egy nagyon régóta vitatott kérdéskör a biológusok és a gyógyszerfejlesztők körében. Eddig nincs rá példa, valószínűleg azért, mert a technikai lehetetlenség határát súrolja, hogy egyetlen olyan sejtszintű mechanizmus se létezzen, amivel a mikroorganizmus kivédje az antibiotikum hatását. Már az endogén (mutációs eredetű) rezisztenciafolyamatok körében is túl sok opció van erre, és akkor a horizontális rezisztenciafolyamatokról (a horizontális géntranszferről) még nem is beszéltünk. Jelenleg – hatásos antibiotikumok hiányában – azonban nem is alapfeltétel, hogy a piacra kerülő antibiotikumok rezisztenciabiztosak legyenek. Sokkal nagyobb szükség lenne a jelenleg gyógyszerrezisztens kórokozókkal szemben hatásos, új hatóanyagokra, semmint egy bombabiztos gyógyszerre.

– Hogyan jut el a gyógyszerfejlesztőkhöz az önök által kidolgozott vizsgálóeljárás?

– Folyamatban van az eljárásunk nemzetközi szabadalmaztatása, hogy a gyógyszerfejlesztő vállalatok számára közvetlen felhasználást biztosíthassuk. Bízunk benne, hogy módszerünket idővel általánosan elterjedt kutatási technológiaként fogják számon tartani nemcsak a gyógyszerfejlesztők, hanem a biotechnológiai iparban dolgozó szakemberek is. Fontos célunk, hogy a DIvERGE beépüljön a gyógyszerfejlesztésbe, mert azt gondoljuk, nagyságrendekkel növelheti úgy a kutatómunka eredményességét, mint a biotechnológiai termelékenység hatékonyságát – veszi át a szót Pál Csaba, a labor és a kutatócsoport vezetője, aki sikertörténetként értékeli Nyerges Ákos munkáját. – Ami a gyógyszerfejlesztők számára kiemelten vonzóvá teheti a módszer alkalmazását, az a mutációs térképre épülő molekulatervezés. Ezáltal kitágítható a rezisztencia megjelenéséig eltelő időablak, amely alatt a piacra kerülő új antibiotikum profitot termel, ez pedig új lendületet adhat az antibiotikum-fejlesztéseknek. Ma az ilyen irányú kutatások egyik fő gátja a rezisztencia megjelenésétől való félelem, ami csaknem minden esetben veszteségessé teszi a fejlesztéseket.

– Az új technológia elfogadását és elterjedését a gyors és könnyű alkalmazhatóság is jelentősen előmozdíthatja – teszi hozzá Szili Petra, a kutatócsoport másik fiatal tehetsége. – A módszer fontos gyakorlati előnye, hogy a vizsgálatok napok alatt elvégezhetők, minimális költségráfordítással. Ez mindenképpen nagy ösztönző erő, hiszen éppúgy az időfaktor, mint a hatékonyság kulcsfontosságú a kutatómunkában. Azt is hangsúlyozni kell, hogy a DIvERGE eljárás – más, hasonló módszerekkel ellentétben – nem kötődik laboratóriumi modellszervezetekhez, így számos, közvetlenül a szervezetből izolált humán vagy állatpatogén baktériumra alkalmazható.

– Említették a szintén nagy potenciált rejtő biotechnológiai felhasználást.

– Valóban, az irányított evolúciós technológia alkalmazási lehetőségeinek köre messze túlmutat az antibiotikum-rezisztencia vizsgálatán. A DIvERGE segítségével nemcsak egy élő organizmus genetikai állományát módosíthatjuk célzottan, hanem például arra is lehetőség nyílik, hogy jól megtervezett mutációk révén optimalizáljunk egy enzimfehérjét vagy egy biotechnológiai szempontból fontos bioszintetikus útvonalat. Ha a lehetséges változatok között megtaláljuk azokat, amik a legkedvezőbb tulajdonságokkal rendelkeznek, jelentősen növelhető például a biotechnológiai folyamatok termelékenysége vagy javítható egyes enzimek hőstabilitása, de szerephez juthat a jelenleginél nagyobb hatékonyságú terápiás fehérjék előállításában is – veszi sorra a lehetséges felhasználási területek széles körét Nyerges Ákos. Ma már lehetőség van arra is, hogy a szekvenciaadatok alapján laboratóriumi körülmények között, de novo építsünk fel teljes bioszintetikus útvonalakat, amelyek működése azonban élő sejtekbe átültetve gyakran kívánnivalót hagy maga után. A DIvERGE általi irányított evolúció az ilyen folyamatok optimalizálására is alkalmas lehet, ami szintén fontos és máig megoldásra váró feladat a biotechnológiában. Mindemellett az új módszerünk az evolúcióbiológiai kutatások fő kérdéseinek megválaszolására is új utakat nyithat – ilyen például a genetikai háttér befolyása egyes mutációk hatásának megnyilvánulására. Vizsgálataink során gyakran megfigyeltük, hogy egyes mutációk hatása eltérő a kórokozó és nem patogén baktériumok esetében. Ez a jelenség a későbbiekben akár mikrobaspecifikus terápiák létrehozását is elősegítheti.

Széles körű nemzetközi együttműködésre épül
A szintetikus biológiai fejlesztésekre és a legújabb generációs DNS-szekvenálási eljárásokra épülő kutatómunka a széles körű nemzetközi összefogás szerepét is jól példázza. A módszer fejlesztését a szegedi laboratóriumban, a gyógyszerhatóanyagok előállítását a Távol-Keleten és az Egyesült Államokban végezték, míg a kutatás oroszlánrészét kitevő DNS-szekvenálás – a szükséges technológiák hazai rendelkezésre állásának hiánya miatt – Észak-Európában, Norvégiában történt. A kollaborációk nemcsak az elért eredmények, hanem a gyakorlati hasznosulás szempontjából is fontosak – hangsúlyozzák a kutatók. A Szegedi Biológiai Kutatóközpontban tevékenykedő kutatócsoportok kiemelt figyelmet fordítanak a nemzetközi jelenlétre – a Bolyai-díjas Pál Csaba laboratóriumában 19 fiatal kutató dolgozik, akik a szakterület szinte minden nagyobb, nemzetközi rendezvényén képviseltetik magukat.
Dr. Bokor Dóra
a szerző cikkei

(forrás: Pharma Tribune)
hirdetés
Olvasói vélemény: 0,0 / 10
Értékelés:
A cikk értékeléséhez, kérjük először jelentkezzen be!
hirdetés
hirdetés