Peptydy mają moc

Współczesna diagnostyka medyczna rozwija się w zawrotnym tempie przez co rozpoznawanie wielu chorób jest prostsze niż kiedykolwiek wcześniej. Dzięki badaniom krwi, można wykryć wiele rzadkich chorób genetycznych, rozpoznać raka lub określić poziom stanu zapalnego w organizmie. Co więcej, na całym świecie podejmuje się wiele wysiłków celem dostosowania diagnostyki medycznej do potrzeb pacjenta, w szczególności stawiając na rozwój medycyny spersonalizowanej. Podążając tym kierunkiem, ostatnio, naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) zaprezentowali swoje badania nad zastosowaniem unikalnych peptydów w nowatorskich czujnikach do szybkiego i prostego wykrywania wielu chorób.

Stan zapalny jest naturalnym mechanizmem obronnym organizmu przed patogenami lub szkodliwymi substancjami chemicznymi powodującym ostre objawy, takie jak ból, obrzęk, zaczerwienienie lub zasinienie tkanek. Mechanizm ten opiera się na intensywnej produkcji określonych cząsteczek, takich jak cytokiny, które regulują poziom odpowiedzi immunologicznej w czasie infekcji. Jednak, niektóre reakcje zapalne nie dają swoistych objawów i mogą trwać znacznie dłużej niż nagła infekcja, przechodząc w przewlekły stan zapalny. Przyczyn takiego stanu może być wiele, od chorób autoimmunologicznych po nowotwory. I choć do wykrycia stanu zapalnego w organizmie wystarczy kilka kropel krwi, to monitorowanie przewlekłego stanu to zupełnie inna historia. Zwykle, zaawansowanie przebiegu infekcji w organizmie ocenia się, określając m.in. stężenie wytwarzanego w wątrobie białka C-reaktywnego znanego jako CRP, biomarkera stanu zapalnego. Jego pojawienie się w osoczu jest odpowiedzią organizmu na zwiększony poziom cytokin podczas stanu zapalnego, a stężenie tego białka różni się w zależności od rodzaju infekcji; na przykład, niewielki wzrost stężenia CRP może oznaczać infekcję wirusową, podczas gdy bardzo wysoki, jest charakterystyczny dla infekcji bakteryjnych. Co więcej, poziom CRP we krwi może zmienić się nagle nie tylko, jako odpowiedź organizmu na infekcje, ale także przy uszkodzeniu tkanek. Zatem, monitorowanie zmian poziomu CRP we krwi w czasie może dostarczyć wielu cennych informacji na temat postępu choroby czy skuteczności terapii.

Badaczka z IChF PAN dr Katarzyna Szot-Karpińska badająca interakcje pomiędzy białkami a peptydami, w szczególności zajęła się badaniem oddziaływań miedzy CRP a peptydami je wiążącymi. Celem badań było umożliwienie monitorowania przewlekłego stanu zapalnego przy użyciu metod elektrochemicznych z wykorzystaniem elektrody modyfikowanej peptydami, jako alternatywa dla powszechnie stosowanej diagnostyki na bazie przeciwciał. Badaczka skupiła się na peptydach ze względu na ich wyższą stabilność w różnych warunkach eksperymentalnych, niższy koszt i możliwość bardziej efektywnego wykorzystania w czujnikach biomedycznych niż powszechnie stosowane przeciwciała, które są najczęstszymi receptorami CRP. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Analytical Chemistry, przy współpracy z innymi naukowcami z IChF PAN dr Szot-Karpińska wykorzystała metodę phage-display do identyfikacji fagów wiążących CRP. Identyfikacja takich fagów umożliwia określenie sekwencji aminokwasowej peptydów eksponowanych na powierzchni fagów o wysokim powinowactwie do CRP. Wybrane peptydy zostały syntezowane, w pełni scharakteryzowane, a ich interakcje z CRP zostały dokładnie zbadane, czego efektem jest zaprezentowanie trzech najbardziej obiecujących cząsteczek, peptydów wiążących CRP pochodzących z fagów. Następnie, peptyd o najwyższym powinowactwie do CRP (P3) został unieruchomiony na elektrodach w celu późniejszego wykorzystania jako elektrochemiczny czujnik CRP. Elektrody z takim peptydem pozwalają na selektywne i czułe oznaczenie stężenia CRP, co w przyszłości może umożliwiać monitorowanie przebiegu stanu zapalnego.

Badanie mechanizmów oddziaływań białko-peptyd przeprowadzono przy wykorzystaniu technik biologicznych i fizykochemicznych.

Dr Katarzyna Szot-Karpińska twierdzi: "W naszych badaniach po raz pierwszy wykazaliśmy, że pojedynczy 12 merowy peptyd zidentyfikowany z bazy fagowej może zostać wykorzystany do rozpoznawania CRP. Wybrane peptydy zostały scharakteryzowane, a ich interakcje z CRP zostały zbadane pod kątem zastosowania w czujnikach biomedycznych".

Wyniki były zaskakujące, ukazując nowe pole dla badań elektrochemicznych. Nowy materiał/peptyd na elektrodzie wykazywał nawet o dwa rządy wielkości wyższe powinowactwo do CRP niż przeciwciała stosowane w klasycznym teście ELISA. Ponadto, skuteczność wykrywania CRP przez wybrany peptyd P3 była obiecująca, nawet w obecności dodatkowo wprowadzonych do układu białek mających na celu zakłócanie pomiaru. Co więcej, nie były potrzebne żadne dodatkowe substancje chemiczne, dzięki czemu wykrywanie jest  bardziej przyjazne dla środowiska niż w przypadku klasycznych technik, w których generowana może być duża ilość odpadów chemicznych.

Dodatkowo, badania eksperymentalne połączono z modelowaniem obliczeniowym we współpracy z prof. Sławomirem Filipkiem z Uniwersytetu Warszawskiego. Wyniki badań in silico potwierdziły wyniki badań laboratoryjnych jednocześnie pokazując, który peptyd z listy badanych najlepiej wiąże się z CRP. Dodatkowo badania te wyjaśniły specyfikę wiązania poszczególnych peptydów z CRP. Pokazuje to, że połączenie badań eksperymentalnych i teoretycznych może zoptymalizować i przyspieszyć proces badań przesiewowych mających na celu znalezienie nowych receptorów dla wybranych cząsteczek.

"Modelowanie na podstawie znanych sekwencji aminokwasowych peptydów potwierdziło wyniki eksperymentalne, że peptyd P3 najlepiej wiąże CRP. Ten wynik pokazuje, że metody numeryczne/analiza in silico mogą w przyszłości zastąpić lub ulepszyć pracochłonne techniki eksperymentalne. Wykorzystanie dokowania molekularnego do identyfikacji najlepszych substancji wiążących eliminuje stosowanie chemikaliów, co ma kluczowe znaczenie dla rozwoju bardziej ekologicznej chemii. Nasze badanie potwierdza zasadność prowadzenia badań numerycznych i stanowi ważny krok na drodze do opracowywania czujników opartych na peptydach. Co więcej, jeśli wiemy, jak przebiega dokowanie z białkiem CRP, w przyszłości możemy tworzyć nowe peptydy zmieniając na przykład jeden z aminokwasów, aby uzyskać najlepszą cząsteczkę wiążącą". - zauważa dr Szot Karpińska

Przedstawione badania obliczeniowe dotyczące wykrywania peptydu najsilniej wiążącego CRP nie zostały dotychczas opisane w literaturze. Praca ta nie byłaby możliwa bez zaangażowania wielu różnych metod i technik z różnych dziedzin, udowadniając głęboką potrzebę interdyscyplinarności w nauce, zwłaszcza w ochronie zdrowia. Pokazuje, jak ważne jest łączenie badań eksperymentalnych z dokładnym badaniem oddziaływań międzycząsteczkowych. Opisane badania mogą być przełomem w diagnostyce i leczeniu stanów zapalnych, zwłaszcza w przypadku długotrwałych stanów zapalnych, a nawet nowych urządzeń typu lab-on-the-chip do spersonalizowanej medycyny, czy też do opracowywania leków i dostarczania leków. A to tylko początek, bowiem, zespół badawczy poszukuje nowych receptorów dla markerów chorób i nowych rozwiązań do badania interakcji molekularnych.

Praca została sfinansowana ze środków Narodowego Centrum Nauki w ramach grantu SONATA 13 o numerze 2017/26/D/ST5/00980. Dr Katarzyna Szot-Karpińska składa podziękowania; prof. dr hab. Joanna Niedziółka-Jönsson, dr hab. Martinowi Jönsson-Niedziółce oraz inż. Sebastianowi Macherze za pomoc w przygotowaniu rekwizytów do sesji zdjęciowej. Dodatkowe podziękowania dla Narodowego Muzeum Techniki za możliwość wykonania zdjęć z wykorzystaniem rekwizytów muzealnych.

KONTAKTY:

Prof. Joanna Niedziółka-Jönsson

Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk

Telefon: +48 22 343 3130

e-mail: jniedziolka@ichf.edu.pl

oraz

dr. Katarzyna Szot-Karpińska

Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk

Telefon: +48 22 343 31 30

kszot@ichf.edu.pl

ARTYKUŁY NAUKOWE:

" Investigation of Peptides for Molecular Recognition of C-Reactive Protein–Theoretical and Experimental Studies "

Katarzyna Szot-Karpińska, Patryk Kudła, Urszula Orzeł, Magdalena Narajczyk, Martin Jönsson-Niedziółka, Barbara Pałys, Sławomir Filipek, Andreas Ebner, Joanna Niedziółka-Jönsson

Analytical Chemistry, 2023,95, 38, 14475-14483

https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c03127