Хемичари са МИТ-а су први пут произвели вертицилин А у лабораторији. Овај гљивични молекул је идентификован пре више од 50 година и привукао је пажњу због свог потенцијала као агенса против рака.
Вертицилин А је озлоглашено тешко направити због његове сложене хемијске архитектуре. Чак и у поређењу са блиско сродним једињењима, показало се да је много изазовније за синтетизу, упркос томе што се разликује за само неколико атома.
„Ми много боље разумемо како те суптилне структурне промене могу значајно повећати синтетички изазов“, каже Мохаммад Мовассагхи, професор хемије на МИТ-у. „Сада имамо технологију у којој не само да можемо да им приступимо по први пут, више од 50 година након што су изоловани, већ можемо да направимо и много дизајнираних варијанти, које могу омогућити даља детаљна проучавања.
У лабораторијским тестовима са људским ћелијама рака, један дериват вертицилина А се истакао против педијатријског карцинома мозга познатог као дифузни средњи глиом. Истраживачи наглашавају да је потребно додатно тестирање како би се проценило да ли би то на крају могло бити корисно у клиници.
Мовассагхи и Јун Ки, ванредни професор медицине на Институту за рак Дана-Фарбер/Бостонском дечјем центру за рак и поремећаје крви и Харвардској медицинској школи, виши су аутори студије, објављене у часопису Америчког хемијског друштва. Валкер Кнаусс ПхД ’24 је главни аутор рада. Ксиуки Ванг, медицински хемичар и хемијски биолог у Дана-Фарберу, и Мариела Филбин, директорка истраживања у Педијатријском неуролошко-онколошком програму у Дана-Фарбер/Бостонском дечјем центру за рак и крвне поремећаје, такође су аутори.
Зашто је овај гљивични молекул било тако тешко направити
Истраживачи су први пут пријавили да су изоловали вертицилин А из гљивица 1970. Гљиве користе ово једињење да би се одбраниле од патогена. Вертицилин А и слични гљивични молекули су истражени за могућу антиканцерогену и антимикробну активност, али њихова сложеност отежава њихову синтезу.
Године 2009. Мовассагхијева лабораторија је известила о синтези (+)-11,11′-дидеоксивертицилина А, једињења блиско повезаног са вертицилином А. Тај молекул садржи 10 прстенова и осам стереогених центара, што значи атоме угљеника од којих се сваки повезује са четири различите хемијске групе. Те групе морају бити постављене са правилном оријентацијом, или стереохемијом, у односу на остатак молекула.
Чак и након тог ранијег успеха, сам вертицилин А је остао ван домашаја. Кључна разлика између вертицилина А и (+)-11,11′-дидеоксивертицилина А су два атома кисеоника, али ти додаци су направили велику разлику у понашању молекула током синтезе.
„Та два кисеоника у великој мери ограничавају прозор могућности које имате у погледу хемијских трансформација“, каже Мовассагхи. „То чини једињење много крхкијим, толико осетљивијим, тако да иако смо имали године методолошког напретка, једињење је наставило да представља изазов за нас.“
Преиспитивање хемије корак по корак
Обе верзије молекула вертицилина су изграђене од две идентичне половине које морају бити повезане у структуру која се зове димер. У ранијој синтези (+)-11,11′-дидеоксивертицилина А, тим је извршио димеризацију пред крај процеса, а затим формирао четири кључне везе угљеник-сумпор.
Када су покушали да примене ту исту секвенцу на вертицилин А, није успело. Додавање веза угљеник-сумпор касно у процесу није успело да испоручи исправну стереохемију, што је приморало тим да редизајнира цео редослед корака.
„Оно што смо научили је да је тајминг догађаја апсолутно критичан. Морали смо значајно да променимо редослед догађаја који формирају везе“, каже Мовасаги.
Нова синтеза почиње од деривата аминокиселине званог бета-хидрокситриптофан. Одатле, истраживачи граде структуру у фазама, додајући хемијске функционалне групе, укључујући алкохоле, кетоне и амиде, док пажљиво контролишу стереохемију у сваком кораку.
Да би водио ту контролу, тим је увео групу која садржи две везе угљеник-сумпор и дисулфидну везу на почетку процеса. Пошто су дисулфиди осетљиви, морали су да буду „маскирани“ претварањем у заштићени пар сулфида како се структура не би покварила током каснијих реакција. Након димеризације, групе које садрже дисулфиде су обновљене.
„Ова посебна димеризација се заиста истиче у смислу сложености супстрата које окупљамо, а који имају тако густ низ функционалних група и стереохемије“, каже Мовассагхи.
Укупно, рута траје 16 корака од почетног материјала бета-хидрокситриптофана до вертицилина А.
Рани тестови против дифузног средњег глиома
Пошто је вертицилин А коначно доступан, истраживачи би такође могли да прилагоде приступ стварању деривата. Тим Дана-Фарбер тестирао је ове молекуле против неколико типова дифузног средњег глиома (ДМГ), ретког тумора мозга са ограниченим могућностима лечења.
Најјачи ефекти су се појавили у ДМГ ћелијским линијама које производе високе нивое протеина званог ЕЗХИП. ЕЗХИП утиче на метилацију ДНК и раније је био означен као потенцијална мета лека за ДМГ.
„Идентификовање потенцијалних циљева ових једињења ће играти кључну улогу у даљем разумевању њиховог механизма деловања, и што је још важније, помоћи ће да се оптимизују једињења из лабораторије Мовассагхи да буду специфичнија за развој нове терапије“, каже Ки.
Чини се да деривати вертицилина утичу на ЕЗХИП на начин који повећава метилацију ДНК, што гура ћелије рака у програмирану ћелијску смрт. Најефикаснији молекули у овим експериментима били су Н-сулфониловани (+)-11,11′-дидеоксивертицилин А и Н-сулфониловани вертицилин А. Н-сулфонилација — додавање функционалне групе која садржи сумпор и кисеоник — побољшава молекуларну стабилност.
„Природни производ сам по себи није најмоћнији, али синтеза природног производа нас је довела до тачке у којој можемо направити ове деривате и проучавати их“, каже Мовассагхи.
Затим, истраживачи Дана-Фарбер планирају да додатно потврде како функционишу деривати вертицилина, и надају се да ће тестирати једињења на животињским моделима педијатријског рака мозга.
„Природна једињења су била драгоцени ресурси за откривање лекова и ми ћемо у потпуности проценити терапеутски потенцијал ових молекула интеграцијом наше експертизе у хемији, хемијској биологији, биологији рака и нези пацијената. Такође смо профилисали наше оловне молекуле у више од 800 ћелијских линија рака, и моћи ћемо да разумемо друге функције рака у ширем смислу“, каже Ки у ширем смислу.
Истраживање су финансирали Национални институт за опште медицинске науке, Фондација за истраживање Епендимома и Фондација за лечење рака деце.
