Πολεμώντας έναν παλιό εχθρό: τη φυματίωση

Μετάφραση Αργυρώ Βεργανελάκη (Argyro Verganelaki)

LipB:αυτό το ένζυμο είναι απαραίτητο για το βακτήριο της φυματίωσης Χορηγία εικόνας από Qingjun Ma, EMBL

Η φυματίωση δεν είναι κάτι που φυσιολογικά απασχολεί τους Ευρωπαίους. Αλλά η ασθένεια επανεμφανίζεται και είναι ανθεκτική σε πολλά από τα φάρμακά μας. Η Claire Ainsworth περιγράφει πώς ο MatthiasWilmanns και η ομάδα του προσπαθούν να κρατήσουν την ασθένεια μακρυά. “Che gelida manina” – Πόσο κρύο είναι το χεράκι σου. Ο Rodolfo, ένας φτωχός καλλιτέχνης στην όπερα του Πουτσίνι, La Bohème, τραγουδάει ένα ερωτικό τραγούδι στη Mimi, ένα κορίτσι που μόλις γνώρισε. Οι δύο χαρακτήρες γνωρίστηκαν σε μία σοφίτα στο Παρίσι του 1830, μαγεύοντας το κοινό της όπερας με την ερωτική τους ιστορία. Αλλά η σχέση είναι καταδικασμένη: η Mimi έχει φυματίωση και αργοπεθαίνει, βήχοντας και κρυώνοντας. Στην τελευταία σκηνή, όπου ο συντετριμμένος Rodolfo πέφτει πάνω στο νεκροκρέβατο της Mimi, φωνάζοντας το όνομά της, δεν υπάρχουν στεγνά μάτια στο σπίτι.

Παρόλα αυτά, το έργο La Bohème, που γράφτηκε τη δεκαετία του 1890, έχει χάσει ένα μέρος της επίδρασής του, στο σύγχρονο ευρωπαϊκό κοινό. Όσο και να συμμεριζόμαστε την λύπη του άτυχου Rodolfo, η ιδέα του πραγματικού θανάτου από φυματίωση (TB) μοιάζει λίγο ψεύτικη. Στη σύγχρονη εποχή των εμβολίων και των αντιβιοτικών, μοιάζει σαν μια ασθένεια από το παρελθόν. Όντως, το 1950 και 1960, ήταν τόσο μεγάλη η επιτυχία της αντιβιοτικής θεραπείας, με αποτέλεσμα πολλοί ειδικοί να προβλέψουν ότι η TB θα εξαφανιζόταν παγκοσμίως.

Δύο πράγματα όμως εξασθένησαν τις θεραπευτικές άμυνές μας κατά της ΤΒ. Το πρώτο ήταν ότι οι ασθενείς συχνά αποτύγχαναν να ολοκληρώσουν την αντιβιοτική τους θεραπεία. Το δεύτερο ήταν η άφιξη του AIDS, που αποδεκάτισε το ανοσοποιητικό σύστημα εκατομμυρίων ανθρώπων παγκοσμίως. Σαν αποτέλεσμα, η ΤΒ είχε την ευκαιρία να αναπτύξει ανθεκτικότητα στα αντιβιοτικά, γεγονός που το έπραξε με ανησυχητική ταχύτητα.

Σύντομα, στελέχη του βακτηρίου εμφανίστηκαν να είναι ανθεκτικά σε ένα ή περισσότερα αντιβιοτικά. Τώρα, μια ιδιαίτερα θανατηφόρα μορφή, το XDR-TB που ονομάστηκε έτσι ως ‘ιδιαίτερα φαρμακο-ανθεκτικό ΤΒ’, εμφανίστηκε, το οποίο αντιστέκεται σχεδόν σε όλα τα αντιβιοτικά- έχει βρεθεί ένα στέλεχος που ανθίσταται σε όλα. Αν εξαπλωνόταν ένα τέτοιο στέλεχος θα έκανε τους γιατρούς ανίκανους να θεραπεύσουν τους ασθενείς όπως το 1800. “Είναι ανησυχητικό” λέει ο Matthias Wilmanns, επικεφαλής του Ευρωπαϊκού Εργαστηρίου Μοριακής Βιολογίας (EMBL) στο Αμβούργο, Γερμανία. Η επικινδυνότητα του στελέχους XDR-TB είναι ένα μεγάλο πρόβλημα.”

Ο Matthias είναι επικεφαλής ενός προγράμματος που είναι μέρος προσπάθειας της βιοϊατρικής επιστήμης για αντεπίθεση ενάντια στην ΤΒ. Το πρόγραμμα X-MTB χρηματοδοτείται από μία οργάνωση ακαδημαϊκών και βιομηχανικών ινστιτούτων στη Γερμανία, και συν- οργανώνεται από το EMBL του Αμβούργου. Στόχο έχει να ανακαλύψει τη δομή των ΤΒ πρωτεϊνών, που είναι πολλά υποσχόμενοι υποψήφιοι ως φάρμακα. Και νέα φάρμακα χρειάζονται απεγνωσμένα ˙ δεν έχουν βρεθεί νέες θεραπείες για την αντιμετώπιση της ΤΒ τα τελευταία 40 χρόνια.

Η ομάδα του Matthias αποτελεί ένα μέρος μιας παγκόσμιας προσπάθειας εφαρμογής της δομικό- γενομικής- μία επιστήμη που καθορίζει τη δομή των πρωτεϊνών που κωδικοποιούνται από το γονιδίωμα ενός οργανισμού- στο Mycobacteriumtuberculosis, το βακτήριο που προκαλεί ΤΒ. Αν και η μεγαλύτερη ομάδα, η Αμερικάνικη ομάδα δομικό- γενομικής, χαρτογραφεί το συνολικό γονιδίωμα, ο Matthias και οι συνεργάτες του έχουν επικεντρώσει τις προσπάθειες τους στην ανακάλυψη των δομών πρωτεϊνών που έχουν ήδη οριστεί ως πολλά υποσχόμενα φάρμακα. Η γνώση της δομής μιας πρωτεΐνης είναι ανεκτίμητο στους παραγωγούς φαρμάκων, επειδή μπορούν να σχεδιάσουν φάρμακα που να αλληλεπιδρούν με τα ενεργά μέρη της πρωτεΐνης.

Οι Matthias Wilmanns και Paul Tucker
Χορηγία εικόνας από EMBL Photolab

Το πρόγραμμα X-MTB ξεκίνησε το 2003, χρηματοδοτούμενο από το Γερμανικό Υπουργείο Επιστημών και Παιδείας. Με τη βοήθεια του μέλους της οργάνωσης Stefan Kaufmann του ινστιτούτου επιδημικής Βιολογίας Max-Planck,  η ομάδα συγκέντρωσε 242 πρωτεΐνες για μελέτη. Μεγαλύτερης σημασίας ήταν οι πρωτεΐνες που εμπλέκονται στην ικανότητα του ΤΒ να επιβιώνει στο σώμα για δεκαετίες.

Περίπου το ένα τρίτο του παγκόσμιου πληθυσμού έχει μολυνθεί από ΤΒ, με την πλειοψηφία να έχουν λανθάνουσες μολύνσεις που διατηρούνται υπό έλεγχο από το ανοσοποιητικό σύστημα. Περίπου 3 εκατ. άνθρωποι πεθαίνουν κάθε χρόνο από οξεία λοίμωξη ή λανθάνουσα που ενεργοποιήθηκε. Αυτή η λανθάνουσα φάση είναι ένα πρόβλημα επειδή τα περισσότερα από τα αντιβιοτικά θανατώνουν μόνο τα βακτηριακά κύτταρα που είναι ενεργά διαιρούμενα. Επομένως, η ανακάλυψη φαρμάκων που εμποδίζουν τη μακροπρόθεσμη επιβίωση του ΤΒ στο σώμα είναι στόχος-κλειδί.

Μέχρι σήμερα το πρόγραμμα X-MTB έχει μεγάλη επιτυχία. Χάρη στην εργαστηριακή και τεχνολογική οργάνωσή της, η ομάδα κατέρριψε ένα μακρόχρονο δόγμα στην κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ, ότι ήταν δυνατό να επιτύχεις μία αναγνώριση δομής σε ποσοστό 10%. “Δείξαμε ότι είναι δυνατόν να πάρεις το ‘ένα τρίτο όλων των στόχων καθαρισμένα και κρυσταλλογραφημένα” λέει ο Matthias.

Το μυστικό της επιτυχίας ήταν η μεγάλη δυνατότητα κρυσταλλογραφίας στο EMBL του Αμβούργου, σε συνδυασμό με το πρωτοπόρο σύστημα που χρησιμοποίησε η ομάδα για την παραγωγή των πρωτεϊνών. “Η συντηρητική άποψη πιστεύει ότι είναι πολύ δύσκολο να βρεις δομές” λέει ο Matthias. “Με αυτή την εργασία δείξαμε ‘ότι αν έχεις ένα καλό αρχικό υπόστρωμα, μπορείς να πάρεις πολλές δομές.”

Χάρη σ’ αυτές τις προσπάθειες, η ομάδα X-MTB έχει παράγει μέχρι τώρα δομές για 35 ΤΒ πρωτεΐνες-κλειδιά. Η λειτουργία πολλών από αυτές δεν ήταν γνωστή, αλλά η οργάνωση έχει ήδη κάνει μεγάλη πρόοδο στην κατανόηση της λειτουργίας πολλών από αυτών. Σε πολλές περιπτώσεις, η δομή βοήθησε στην ανακάλυψη της λειτουργίας της πρωτεΐνης.

Μια τέτοια περίπτωση είναι το LipB, ένα ένζυμο που εμπλέκεται στην παραγωγή των συν-παραγόντων που χρειάζεται το ΤΒ για να αναπτυχθεί και να επιβιώσει. Ο Stefan το απομόνωσε σαν να ήταν το φάρμακο-κλειδί, όταν η ομάδα του ανακάλυψε ότι το ένζυμο ήταν εξαιρετικά ενεργό σε μολυσμένα ανθρώπινα κύτταρα, ιδιαίτερα σ’ αυτά που ήταν μολυσμένα από πολυφαρμακο-ανθεκτικό ΤΒ. Έτσι, η ομάδα του Matthias ξεκίνησε να φτιάχνει κρυστάλλους και να μελετάει τη δομή τους. Αυτό έδειξε απρόσμενα ότι υπήρχε ένα ακόμη μικρό μόριο ονομαζόμενο δεκανοϊκό οξύ, συνδεδεμένο στο ένζυμο. Περαιτέρω μελέτες έδειξαν ότι ήταν κομμάτι του ενεργού κέντρου του ενζύμου LipB και επέτρεψε στον Matthias και την ομάδα του να εξακριβώσουν ποια είδη χημικών αντιδράσεων γίνονται εκεί, και από αυτό, να ανακαλύψουν τι κάνει το ένζυμο. “Είναι ένα είδος κλασικής λειτουργικής ανακάλυψης, βασιζόμενη στη δομή” λέει ο Matthias. Χρειάζεται περαιτέρω δουλειά για να δούμε αν είναι δυνατόν να σταματήσουμε αυτή την λειτουργία με φάρμακα.

‘Άλλες σημαντικές οδοί επίθεσης είναι τα συστήματα που χρησιμοποιεί το ΤΒ για να ανιχνεύει και να ανταποκρίνεται στο περιβάλλον του. Τα συστήματα αυτά δεν είναι ιδιαίτερα κατανοητά. Ένα από αυτά που ονομάζεται σύστημα PrrA-PrrB, βοηθάει το βακτήριο να αντιγραφεί και να επιβιώσει μέσα στα μακροφάγα, τα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος που μολύνει, και είναι ένας εμφανής στόχος για φαρμακευτική θεραπεία. Πέρσι, οι επιστήμονες του EMBL στο Αμβούργο, με επικεφαλής τον Paul Tucker, δημοσίευσαν τη δομή δύο πρωτεϊνών  PrrA και PrrB, που αποτελούν αυτό το σύστημα. Αυτή η εργασία έδειξε πώς αλλάζουν οι δομές των πρωτεϊνών όταν αλληλεπιδρούν - πληροφορία που μπορεί να αποδειχθεί ανεκτίμητη για τους επιστήμονες που σχεδιάζουν χημικά τα οποία μπορούν να εμποδίσουν αυτή την αλληλεπίδραση.

Τέτοιες, όμως, ανακαλύψεις δε θα κάνουν καμία διαφορά αν δεν βρεθούν τρόποι να μεταφραστούν σε θεραπείες. Ιστορικά η φαρμακευτική βιομηχανία δεν ενδιαφερόταν ποτέ ιδιαίτερα για την παραγωγή φαρμάκων ΤΒ, καθώς θεωρείται ως μια ασθένεια των αναπτυσσόμενων κρατών- χώρες που είναι αρκετά φτωχές και δεν μπορούν να αγοράσουν τόσα φάρμακα όσα χρειάζονται για να καλύψουν το κόστος παραγωγής, ακόμη περισσότερο να αφήσουν κέρδος.

Τώρα, λέει ο Matthias, υπάρχουν ενθαρρυντικά σημάδια ότι τα πράγματα μπορεί να αλλάζουν. Ο ίδιος εμπλέκεται σε μια προσπάθεια να βρεθούν νέοι τρόποι χρηματοδότησης παραγωγής φαρμάκων ΤΒ, όπως η χρηματοδότηση από την Ευρωπαϊκή Ένωση και πιθανόν η συνεργασία με εργαστήρια στην Ινδία και άλλων αναπτυσσόμενων κρατών. Ακόμη και οι φαρμακευτικές εταιρίες ξεκινάνε να δείχνουν κάποιο ενδιαφέρον, λέει, τώρα που η Κίνα και η Ινδία τείνουν να γίνουν μεγάλες οικονομικές δυνάμεις.

Επειδή η ΤΒ δεν αντιλαμβάνεται σύνορα κρατών, θα ήταν λάθος να αγνοηθεί η απειλή από τις ανεπτυγμένες χώρες. Η ΤΒ είναι μία παγκόσμια ασθένεια που απαιτεί καθολική δράση, μη τυχόν επιστρέψει, ανίατη και κάνει το λυπητερό παραμύθι των Mimi και Rodolfo να θυμίζει τα Δυτικά ακροατήρια για μια φορά ακόμη.

Πηγές

Holton SJ, Weiss MS, Tucker PA, Wilmanns M (2007) Structure-based approaches to drug discovery against tuberculosis. Current Protein & Peptide Science 8: 365-375

Ma Q, Zhao X, Nasser Eddine A, Geerlof A, Li X, Cronan JE, Kaufmann SH, Wilmanns M (2006) The Mycobacterium tuberculosis LipB enzyme functions as a cysteine/lysine dyad acyltransferase. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 103: 8662-8667

Nowak E, Panjikar S, Morth JP, Jordanova R, Svergun DI, Tucker PA (2006) Structural and functional aspects of the sensor histidine kinase PrrB from Mycobacterium tuberculosis. Structure 14: 275-285

Nowak E, Panjikar S, Konarev P, Svergun DI, Tucker PA (2006) The structural basis of signal transduction for the response regulator PrrA from Mycobacterium tuberculosis. Journal of Biological Chemistry 281: 9659-9666