Naukowcy PWr i Genentech znaleźli sposób na zatrzymanie rozpadu umierającej komórki. Wykorzystali pory powstające w jej błonie. Przez nie do środka przedostają się związki hamujące pyroptozę, czyli gwałtowną, zapalną śmierć komórkową. Wyniki badań opublikowało właśnie „Nature”.

Publikacja jest efektem współpracy zespołu dr hab. inż. Marcina Poręby, prof. uczelni z Wydziału Chemicznego Politechniki Wrocławskiej oraz grupy prof. Vishvy M. Dixita z Genentech, jednej z wiodących firm biotechnologicznych na świecie.

Jedną z dwóch autorek, które wniosły równy wkład w badania jest dr inż. Katarzyna Groborz, która ukończyła doktorat na naszej uczelni, a następnie wyjechała na staż podoktorski do Genentech. Drugą jest Melissa E. Truong. Z kolei prof. Poręba i prof. Dixit są autorami korespondencyjnymi publikacji.

– Droga od badań podstawowych finansowanych przez Narodowe Centrum Nauki, przez doktorat i międzynarodowy staż podoktorski młodej badaczki, po partnerską współpracę z Genentech pokazuje, jak powstaje nauka o światowym znaczeniu. Taki model chcemy wzmacniać na PWr: silne zespoły, rozwój młodych naukowców, współpracę międzynarodową i badania o realnym potencjale zastosowań – mówi prof. Arkadiusz Wójs, rektor Politechniki Wrocławskiej.

W projekcie uczestniczyły również doktorantki prof. Poręby: Julia Nguyen i Małgorzata Kalinka. Brały one udział w syntezie inhibitorów oraz ich analizie kinetycznej. Współautorem publikacji jest także prof. Marcin Drąg, twórca technologii HyCoSuL wykorzystanej do poznania preferencji badanych kaspaz.

Komórkowy alarm

– Pyroptoza jest jednym ze sposobów, w jaki organizm broni się przed zakażeniami i innymi zagrożeniami – opisuje prof. Marcin Poręba z Politechniki Wrocławskiej. – To kontrolowany mechanizm samounicestwienia komórki, połączony z uruchomieniem silnej reakcji zapalnej.

W jego przebiegu aktywowane są enzymy nazywane kaspazami prozapalnymi. U człowieka są to kaspazy-1, -4 i -5. Działają jak molekularne nożyczki: przecinają białko o nazwie gasdermina D. Jego uwolnione fragmenty łączą się i tworzą duże pory w błonie komórkowej.

Przez powstałe otwory wydostają się m.in. cytokiny IL-1β i IL-18, które alarmują układ odpornościowy. Komórka zaczyna pęcznieć, a następnie się rozpada.

– Taka reakcja pomaga organizmowi zwalczać zagrożenie – tłumaczy naukowiec z PWr. – Problem pojawia się wtedy, gdy pyroptoza jest zbyt silna lub wymyka się spod kontroli. Może wówczas nasilać stan zapalny i prowadzić do uszkodzenia tkanek.

Zaskakujący wynik

Naukowcy od lat badają możliwość hamowania kaspaz. Dotychczasowe próby kliniczne z wykorzystaniem łatwo przenikających do komórek inhibitorów nie przyniosły jednak oczekiwanych rezultatów. Powodem była toksyczność lub niewystarczająca skuteczność tych związków.

Problem polegał m.in. na tym, że docierały one również do zdrowych komórek. Mogły więc hamować kaspazy uczestniczące w innych ważnych procesach.

Zespoły PWr i Genentech odwróciły ten sposób myślenia. Zamiast tworzyć inhibitor, który jak najłatwiej przenika przez błony, postawiły na związki bardzo słabo wnikające do zdrowych komórek.

Punktem wyjścia była biblioteka około stu związków zaprojektowanych z myślą o kaspazach prozapalnych. Uwagę badaczy zwróciło zachowanie jednego z nich. Pomimo bardzo niskiej przepuszczalności przez nieuszkodzoną błonę skutecznie hamował proces zachodzący wewnątrz komórki.

– Najciekawszy etap projektu rozpoczął się od obserwacji, która początkowo nie pasowała do naszych założeń. Związek o bardzo niskiej przepuszczalności przez błony zdrowych komórek potrafił zahamować proces zachodzący w ich wnętrzu. Zamiast potraktować ten wynik jako anomalię, postawiliśmy hipotezę, że sam mechanizm pyroptozy otwiera związkowi drogę do komórki – wyjaśnia prof. Marcin Poręba z Wydziału Chemicznego.

Badacze założyli, że inhibitor przedostaje się do wnętrza przez pierwsze pory utworzone przez gasderminę D. Tam blokuje kaspazy i zatrzymuje powstawanie kolejnych porów. Ogranicza również uwalnianie cytokin.

Pory stają się więc bramą dostępną tylko w komórkach, w których rozpoczęła się już pyroptoza.

Okno na ratunek

Jednym z najlepiej zbadanych związków był inhibitor oznaczony jako KGR-3. Hamował pyroptozę wywoływaną przez kaspazy-1 i -4 oraz ograniczał uwalnianie IL-1β.

– Nie chronił natomiast komórek przed apoptozą, czyli inną formą programowanej śmierci – opisuje prof. Poręba. – Podczas apoptozy pory gasderminy D nie powstają. Był to jeden z dowodów na to, że właśnie te otwory umożliwiają inhibitorowi dotarcie do celu.

Kolejnego argumentu dostarczyły barwniki, które nie potrafią przenikać przez nieuszkodzone błony. Naukowcy wykryli je wewnątrz komórek uratowanych przed pyroptozą. Oznaczało to, że błona została chwilowo otwarta, ale komórka nie uległa rozpadowi.

– Po zablokowaniu kaspaz przestają powstawać kolejne pory. Istniejące uszkodzenia mogą natomiast zostać usunięte przez naturalny system naprawczy komórki, związany z kompleksem białek ESCRT – dodaje prof. Marcin Poręba.

Co ważne, inhibitor nie tylko opóźniał śmierć komórek. Część z nich rzeczywiście przeżywała i zachowywała zdolność do dalszego wzrostu. W jednym z eksperymentów naukowcy obserwowali ich rozwój przez 12 dni.

Działanie ochronne było widoczne również wtedy, gdy inhibitor dodawano kilka godzin po uruchomieniu pyroptozy. Oznacza to, że między powstaniem pierwszych porów a rozpadem komórki istnieje krótkie okno, w którym można jeszcze zatrzymać cały proces.

Test w żywym organizmie

Kolejnym etapem było zbadanie związku KGR-53P. Naukowcy najpierw potwierdzili jego działanie w mysich komórkach układu odpornościowego. Inhibitor ograniczał ich śmierć oraz uwalnianie IL-1β i IL-18, mimo że bardzo słabo przenikał do zdrowych komórek.

Następnie przeprowadzono badania w mysim modelu szoku endotoksycznego. Zwierzętom podano bakteryjny lipopolisacharyd, który wywołuje bardzo silną reakcję zapalną. U myszy otrzymujących także KGR-53P stężenia IL-1β i IL-18 we krwi były wyraźnie niższe.

Wyniki wskazują więc, że związek słabo przenikający do zdrowych komórek może dotrzeć do kaspaz przez pory gasderminy D i ograniczyć reakcję zapalną również w żywym organizmie.

To jeszcze nie lek

– Wyniki nie oznaczają, że powstał już lek przeciwko sepsie lub innym chorobom zapalnym – mówi prof. Marcin Poręba.

KGR-3 i KGR-53P są związkami badawczymi, które wymagają dalszej optymalizacji.

– KGR-53P był szybko usuwany z organizmu. Zaobserowaliśmy również wzrost poziomu enzymów wątrobowych, choć nie wiadomo jeszcze, czy był to skutek oddziaływania związku na inne cele molekularne – tłumaczy naukowiec Politechniki Wrocławskiej.

Autorzy publikacji podkreślają jednak potencjał samej strategii. Może ona pomóc w poszukiwaniu terapii chorób związanych z nadmierną pyroptozą i silną reakcją zapalną. W publikacji wymieniają m.in. sepsę, zespół ostrej niewydolności oddechowej oraz COVID-19.

Odkrycie otwiera więc nowy kierunek badań, ale do ewentualnego zastosowania tej metody u pacjentów droga pozostaje jeszcze długa.

Wszystko zaczęło się na PWr

Chemiczna i enzymologiczna część projektu rozpoczęła się w zespole prof. Marcina Poręby na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej. To tutaj opracowano założenia dotyczące budowy inhibitorów, przygotowano bibliotekę związków i zbadano ich oddziaływanie z kaspazami.

Na PWr dr Katarzyna Groborz opracowała inhibitory, które stanowiły podstawę dalszych badań. Jej promotorem był prof. Marcin Drąg, a promotorem pomocniczym prof. Poręba. Zdobyte podczas doktoratu doświadczenie z chemii biologicznej, enzymologii i badania śmierci komórkowej wykorzystała później w pracach prowadzonych w Genentech.

– Najważniejszym odkryciem projektu było wykazanie, że pyroptozę można zatrzymać nawet po jej rozpoczęciu. Pokazaliśmy istnienie krótkiego okna terapeutycznego, w którym zahamowanie kaspaz przerywa ten proces i pozwala komórkom odzyskać zdolność do dalszego wzrostu i podziałów. Wykorzystanie porów tworzonych przez gasderminę D umożliwiło selektywne dostarczanie inhibitorów do komórek, w których pyroptoza już się rozpoczęła. Projekt łączył kilka dyscyplin naukowych – od chemii biologicznej, przez biologię komórki, po badania in vivo – mówi dr Katarzyna Groborz, która odegrała kluczową rolę w realizacji projektu, prowadząc badania komórkowe. Dlatego w publikacji jej afiliacją jest amerykańska firma.

Zespół z Genentech odpowiadał m.in. za zaawansowane modele komórkowe, badania farmakokinetyczne, przygotowanie związków do podania oraz eksperymenty na zwierzętach.

Prace prowadzone przez zespół z PWr były finansowane przez Narodowe Centrum Nauki w ramach grantu Opus prof. Marcina Poręby „Badanie mechanizmów proteolitycznych w pyroptozie, programowanej śmierci komórki, wywołującej reakcję zapalną”.

Groborz K.M., Truong M.E., Stowe I., Wickliffe K.E., Lee B., Bauernfried S., Jones R.S., Plise E., Levy E.S., Kou P., Lee W.P., Zhang J., Budayeva H., Rose C.M., Nguyen J., Kalinka M., Drąg M., Kayagaki N., Newton K., Poręba M., Dixit V.M., „Gasdermin D-mediated delivery of caspase inhibitors to suppress pyroptosis”, „Nature”, 2026.