Når kroppen selv tager skraldet: Ny teknologi kan fjerne “umulige” sygdomsproteiner

Proteiner, der driver sygdom, forsvinder sjældent af sig selv. De kan i nogle tilfælde bremses eller blokeres – men bliver liggende. I et nyt studie viser danske forskere, at det måske kan gøres anderledes: I stedet for blot at påvirke proteiner kan man udnytte kroppens eget affaldssystem til at fjerne dem.

“Hvis vi kan binde et protein, burde vi også kunne få kroppen til at fjerne det.
I stedet for at spørge, hvordan vi hæmmer et protein, spurgte vi: Kan vi få kroppen til at skaffe sig af med det?” forklarer Simon Glerup, lektor ved Institut for Biomedicin på Aarhus Universitet.

En stor del af kroppens sygdomsrelevante proteiner befinder sig uden for cellerne – i blodet, i væv og på celleoverflader. De spiller en central rolle i sygdomme, hvor betændelse, arvæv eller ophobede proteiner langsomt skader kroppen, men har været svære at fjerne med eksisterende teknologier.

“PROTACs kan gøre det inde i cellen – spørgsmålet var, om vi kunne gøre noget tilsvarende udenfor,” siger Simon Glerup.

Ved at koble sygdomsproteiner til en naturlig transportvej ind i cellen viser forskerne nu – i både celleforsøg og dyremodeller – at kroppen selv kan trække dem ind og sende dem videre til nedbrydning.

“Hvis bindingen i sig selv er nok, flytter det fokus i lægemiddeludvikling fra funktion til tilstedeværelse,” siger han.

Et hul i medicinen – og en ny vej til kroppens affaldssystem

I årtier har lægemiddeludvikling været bygget op omkring én grundidé: at finde et protein, der driver sygdom – og derefter hæmme det. Det har været enormt succesfuldt, men også begrænset. Det har samtidig efterladt et stort uopdyrket område: sygdomsproteiner, som er svære at ramme med klassisk medicin.

Særligt udfordrende er proteiner uden for cellerne – som udgør en stor del af kroppens proteiner – hvor teknologier som PROTACs ikke virker, fordi de bruger cellens indre nedbrydningsmaskineri.

“PROTACs virker fantastisk for proteiner inde i cellen. Men lige så snart target ikke er dér, kan man ikke bruge den mekanisme,” siger Simon Glerup.

“Når man står midt i det, føles det som et oplagt næste skridt. Men set udefra bryder det med en grundantagelse i, hvordan vi normalt udvikler lægemidler. En stor del af de interessante sygdomsproteiner ligger uden for cellen eller på celleoverfladen. Det er netop dér, de klassiske degrader-teknologier ikke kan nå ind.”

Når antistoffer binder, men ikke rydder op

Det gælder blandt andet signalproteiner, inflammatoriske faktorer og ophobede proteiner i væv – som spiller en central rolle i sygdomme som gigt, fibrose og neurodegenerative lidelser. Her har medicinen stået i et dilemma: Antistoffer kan godt binde disse proteiner, men de fjerner dem ikke nødvendigvis.

“Hvis bindingen er nok, kan man bruge den til at få proteinet sendt til nedbrydning,” siger Simon Glerup.

Inspirationen kom blandt andet fra tidligere arbejde med såkaldte LYTACs og beslægtede teknologier, hvor store biologiske molekyler kan sende målproteiner til lysosomerne. Men de er samtidig komplekse og svære at bruge bredt.

“Det viste, at man kunne konvertere et antistof fra at binde sit target til at drive det til nedbrydning. Vores spørgsmål blev, om man kunne gøre det samme med små molekyler – som i princippet kan udvikles til noget, der kan tages som en pille,” siger Simon Glerup.

Fra at blokere proteiner til at sende dem ud som affald

Den nye tilgang forsøger at løse problemet ved at ændre selve strategien. I stedet for at hæmme et protein bliver det mærket og dirigeret mod nedbrydning. Mærket bygger på en lille del af den naturlige kontakt mellem receptoren sortilin og proteinet progranulin – en kontakt, som normalt får celler til at optage progranulin og sende det til lysosomerne.

“Det vigtige er, at vi har fundet et minimumsmotiv, som kan tagge noget til nedbrydning i lysosomerne. Vi udnytter et system, cellen allerede bruger – men kobler det til et nyt target,” siger Simon Glerup.

Kernen i teknologien er at samle to funktioner i ét molekyle: en gribekrog, der genkender målproteinet, og et stik, der binder til sortilin på celleoverfladen. Når de to bringes sammen, opfatter cellen komplekset som noget, der skal trækkes ind og sendes videre til nedbrydning.

Det udløser en proces, hvor komplekset trækkes ind i cellen og føres videre til lysosomet – cellens genbrugs- og affaldsstation – hvor proteinet bliver nedbrudt.

“Normalt skal en inhibitor binde og besætte sit target hele tiden. Her skal molekylet i princippet bare røre target og sætte processen i gang. Det er skiftet fra okkupansdrevet til eventdrevet farmakologi – fra at holde noget fast til at udløse en proces,” siger Simon Glerup.

Et molekylært stik kan gøre kendte lægemidler til nedbrydere

I studiet viser forskerne også, at princippet kan anvendes på allerede eksisterende lægemidler. Antistoffer, der i dag bruges til at blokere sygdomsproteiner, kan kemisk modificeres, så de i stedet får proteinet til at blive nedbrudt.

“Hvis man allerede har noget, der binder et sygdomsprotein, behøver bindingen ikke længere i sig selv give den farmakologiske effekt. Det er nok, at det binder,” siger Simon Glerup.

Teknologien, som forskerne kalder SORTACs (Sortilin-based lysosome targeting chimeras), er bygget som bifunktionelle molekyler, der både binder et målprotein og sortilin – og i studiet demonstreret på konkrete sygdomsrelevante targets som inflammatoriske cytokiner og membranproteiner.

Den adskiller sig fra tidligere forsøg på ekstern proteinnedbrydning ved at være både specifik og fleksibel.

Tidligere strategier har ofte været afhængige af brede mekanismer eller haft svært ved at ramme bestemte proteiner præcist. Her fungerer SORTACs mere som modulære byggesten, hvor man i princippet kan udskifte den del, der genkender målet.

Endnu et skridt i studiet er, at nedbrydning ikke kun kan styres ved at koble mærket på kemisk. Det lille “nedbrydningsmærke” kan også bygges direkte ind i et antistof eller en nanobody, så celler i princippet kan programmeres til selv at producere målrettede nedbrydere.

Samtidig viser studiet, at teknologien ikke er begrænset til store biologiske molekyler som antistoffer. Den kan også implementeres i mindre, kemisk fremstillede molekyler – noget der hidtil har været en væsentlig begrænsning for denne type strategier uden for cellen.

Hvorfor det er vigtigt

Det, studiet åbner for, er adgang til en gruppe proteiner, som længe har været uden for rækkevidde for medicin – især i sygdomme, hvor problemet ikke kun er et overaktivt signal, men at skadelige proteiner bliver ved med at være til stede.

Mange af dem spiller en direkte rolle i sygdom – ikke som passive markører, men som aktive drivere af inflammation, vævsændringer og signalering mellem celler.

“Det interessante er de situationer, hvor man har et klart sygdomstarget og et stort medicinsk behov – men hvor de eksisterende teknologier ikke kan løse problemet,” siger Simon Glerup. “Der kan nedbrydning være en helt anden måde at angribe det på.”

I dag kræver mange behandlinger, at et lægemiddel hele tiden holder et sygdomsprotein nede. Ved nedbrydning bliver proteinet i stedet sendt til destruktion.

“Hvis vi har noget, der kan binde et protein, vi vil af med, kan vi i princippet koble det til det samme nedbrydningsmodul og få det fjernet,” siger Simon Glerup.

Ikke alle sygdomme – men de rigtige proteinmål

Det kan få betydning i sygdomme, hvor ophobning eller vedvarende tilstedeværelse af proteiner er en del af problemet, snarere end blot deres aktivitet. Derfor er de mest oplagte mål ikke alle sygdomme, men dem, hvor et klart protein driver sygdommen – og hvor patienter stadig mangler bedre behandlinger.

“Det er noget af det, vi har brugt allermest tid på: Hvor er der en sygdom, et klart target og et stort umødt medicinsk behov, som ikke kan løses med den eksisterende værktøjskasse?” siger Simon Glerup.

Samtidig er teknologien stadig på et tidligt stadie. De nuværende resultater er opnået i kontrollerede systemer og i dyremodeller, og der er stadig et betydeligt udviklingsarbejde, før den kan testes som behandling.

“Vi kigger især på inflammatoriske sygdomme og neurologiske sygdomme lige nu,” siger Simon Glerup.

Sådan koblede forskerne sygdomsproteiner til cellens skraldespand

For at vise, at teknologien virker i praksis, designede forskerne en række SORTACs – molekyler, der kan binde både et målprotein og receptoren sortilin på celleoverfladen.

Sortilin blev et oplagt sted at begynde, fordi receptoren naturligt kan sende proteiner videre til lysosomerne.

“Sortilin binder progranulin, tager det ind i cellen og sender det til lysosomerne, hvor det bliver nedbrudt. Det var den naturlige mekanisme, vi kunne hitchhike på,” siger Simon Glerup.

Forskerne vidste også fra kliniske forsøg med frontallapsdemens, at sortilin-progranulin-systemet kan påvirkes i mennesker. Når sortilin blokeres, stiger niveauet af progranulin markant i både blod og cerebrospinalvæske.

“De kliniske data fortalte os, at mekanismen har power i mennesker – både i periferien og i centralnervesystemet,” siger Simon Glerup.

Derfor udnyttede forskerne ikke et tilfældigt transportsystem, men en mekanisme, der allerede havde vist sig at være stabil og påvirkelig over tid.

Fra celler til dyr: Hele kæden skulle virke

I de første forsøg viser forskerne, at deres SORTAC-molekyler kan binde samtidigt til både sortilin og de udvalgte målproteiner. Når den kobling er etableret, sker det afgørende skridt: proteinet bliver optaget i cellen og sendt videre til lysosomerne, hvor det bliver nedbrudt.

“Det virker kun, når molekylet både binder target og sortilin. Det er den kobling, der får cellen til at tage target med ind,” siger Simon Glerup.

Effekten er selektiv: SORTAC-molekylet fungerer ikke som en generel støvsuger, men fjerner kun de proteiner, det selv kobler til sortilin, fordi nedbrydningen kræver dannelsen af et specifikt kompleks mellem target og receptor.

“Det vigtige er, at vi ikke bare aktiverer et generelt oprydningssystem. Vi kobler nedbrydningen til det target, vi specifikt vil af med,” siger Simon Glerup.

Samtidig viser studiet, at teknologien ikke er begrænset til store biologiske molekyler som antistoffer. Den kan også implementeres i mindre, kemisk fremstillede molekyler, som lettere kan designes, justeres og i nogle tilfælde udvikles til tabletbehandling.

Næste skridt var at teste, om systemet også virker uden for celleforsøg. I dyremodeller viser forskerne, at målproteiner reduceres i både blod og væv efter behandling – et afgørende skridt, fordi det viser, at hele mekanismen også fungerer i en levende organisme.

“Det vigtige var at vise, at det ikke kun virker i et kunstigt system i en petriskål, men også når hele biologien er med,” siger Simon Glerup.

Effekten er heller ikke begrænset til det øjeblik, hvor molekylet binder, men følger samme princip som PROTACs: én binding kan sætte en gentagelig nedbrydningsproces i gang. I small molecule-formatet bliver SORTAC-molekylet ikke selv nedbrudt i lysosomet. Det kan slippe sit target, komme ud igen og tage en ny runde – som en lille genbrugelig transportør.

“Derfor kan én kopi af molekylet slippe af med mange kopier af target,” siger Simon Glerup.

Som LEGO: Et system, der kan bygges om til nye mål

Et afgørende element i studiet er, at teknologien ikke er begrænset til ét specifikt protein.

Forskerne demonstrerede, at man kan udskifte den del af SORTAC-molekylet, der genkender målet, og dermed rette teknologien mod forskellige proteiner.

“Det er lidt som at bygge med LEGO. Man har ét modul, der genkender det protein, man vil af med, og et andet modul, der kobler det til cellens affaldssystem,” siger Simon Glerup.

I studiet demonstrerer forskerne det blandt andet på immunproteiner og signalmolekyler, der spiller en central rolle i inflammation.

Studiet viser først og fremmest, at proteiner uden for cellen kan bindes, kobles til sortilin, trækkes ind i cellen og nedbrydes – og dermed ikke bare påvirkes, men faktisk fjernes.

“Det handler ikke kun om at blokere target. Det handler om at få det drevet hele vejen til nedbrydning,” siger Simon Glerup.

Det afgørende er, at processen er styret.

“Specificiteten er helt central. Ellers ville det her ikke være brugbart,” siger han.

Men resultaterne har også klare grænser. Selvom teknologien virker på tværs af celleforsøg og dyremodeller, viser studiet endnu ikke, om den kan omsættes til en sikker behandling i mennesker, hvor længe effekten holder, eller hvordan gentagen aktivering af sortilin-systemet vil opføre sig i forskellige væv.

“Det her er stadig tidligt. Det næste er at vise, hvor godt det holder, når man udvikler det mod konkrete sygdomme,” siger Simon Glerup.

Hvor bredt teknologien i praksis kan bruges, er stadig uklart.

Når problemet er, at proteinet bliver ved med at være der

Studiet viser ikke kun, at et protein kan fjernes – men udvider medicinens rækkevidde til sygdomsproteiner, der hidtil har været svære at gøre noget ved.

“Vi har i mange år haft gode værktøjer inde i cellen, men ikke udenfor,” siger Simon Glerup.

I det nye arbejde kobler forskerne to systemer, som hidtil har været adskilt i lægemiddeludvikling: sygdomsproteinerne uden for cellen og cellens eget nedbrydningsapparat inde i cellen.

Det bliver især vigtigt i sygdomme, hvor det ikke er nok at blokere et protein. Ved kronisk inflammation kan signalproteiner fortsætte med at drive vævsskade. Ved neurodegenerative sygdomme kan proteiner ophobes mellem cellerne. Her er problemet ikke kun, hvad proteinet gør – men at det bliver ved med at være der.

“Proteinaggregater er interessante, fordi man godt kan lave noget, der binder dem. Men spørgsmålet er, hvad der så sker. Her er tanken, at man ikke bare binder aggregatet, men driver det til nedbrydning,” siger Simon Glerup.

En ny forbindelse mellem sygdomsproteiner og cellens oprydning

Studiet viser endnu ikke, hvor bredt den tilgang kan anvendes, eller hvor præcist processen kan styres i forskellige væv.

Men det etablerer en forbindelse, som hidtil har manglet: en kontrolleret vej fra proteiner uden for cellen til cellens eget nedbrydningssystem.

Det udvider i praksis, hvilke proteiner der overhovedet kan betragtes som mulige lægemiddelmål. Ikke fordi alle proteiner dermed bliver lette at behandle, men fordi binding i sig selv kan blive nok til at starte en behandlingseffekt – især i sygdomme, hvor hele proteinets tilstedeværelse er problemet.

“Der er proteiner, hvor man godt kan binde ét sted med et antistof eller et lille molekyle,” siger Simon Glerup. “Men hvis problemet er, at hele proteinet bliver ved med at være der, kan det være mere rationelt at fjerne det.”