In de zomer en herfst van 2019 ondervonden sommige kankerpatiënten onderbrekingen in hun behandeling. De reden was een tekort aan de medicijnen vinblastine en vincristine, essentiële chemotherapeutische medicijnen voor verschillende soorten kanker.

Er zijn geen alternatieven voor deze medicijnen die zijn geïsoleerd uit de bladeren van de Madagaskar maagdenpalmplant, Catharanthus roseus. Twee actieve ingrediënten van de plant vindoline en catharanthine vormen samen vinblastine, dat de deling van kankercellen remt.

Hoewel de plant veel voorkomt, is er meer dan 2000 kg gedroogde bladeren nodig om 1 g vinblastine te produceren. Het tekort van 2019 dat duurde tot 2021 werd voornamelijk veroorzaakt door vertragingen in de aanvoer van deze ingrediënten.

Een interdisciplinair internationaal team van wetenschappers onder leiding van DTU-onderzoekers heeft genetisch gemanipuleerde gist om vindoline en catharanthine te produceren. Ze zijn er ook in geslaagd om de twee voorlopers te zuiveren en te koppelen om vinblastine te vormen. Zo is er een nieuwe, synthetische benadering voor het maken van deze medicijnen ontdekt. Hun resultaten zijn vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Nature .

Het onderzoek kan leiden tot nieuwe bronnen van vindoline, catharanthine en andere alkaloïden die geheel onafhankelijk zijn van factoren die de akkerbouw beïnvloeden, zoals plantenziekten en natuurrampen. Omdat de essentiële ingrediënten om deze verbindingen te maken bakkersgist en eenvoudige hernieuwbare substraten zoals suikers en aminozuren zijn, is de productie ook minder kwetsbaar voor pandemieën en wereldwijde logistieke uitdagingen, volgens senior onderzoeker bij DTU Biosustain, Jie Zhang, hoofdauteur van de nieuwe papier:

"In de afgelopen jaren hebben we verschillende gevallen van tekorten aan deze medicijnen op de markt gezien. Ze komen vaker voor en zullen hoogstwaarschijnlijk in de toekomst opnieuw voorkomen. Natuurlijk voorzien we het opzetten van nieuwe toeleveringsketens voor deze en andere moleculen. Dit resultaat is een proof of concept en er is nog een lange weg te gaan qua opschaling en verdere optimalisatie van de celfabriek om de ingrediënten op een kosteneffectieve manier te produceren."

De mogelijke nieuwe toeleveringsketen voor geneesmiddelen tegen kanker

Behalve dat het de eerste studie is die een geheel nieuwe toeleveringsketen voor deze essentiële geneesmiddelen tegen kanker aantoont, toont de studie de langste biosynthetische route - of "assemblagelijn" - die in een microbiële celfabriek is ingebracht. Volgens Jie Zhang is dat laatste op zich al een veelbelovend resultaat.

Vinblastine behoort tot de zogenaamde monoterpeen-indoolalkaloïden, kortweg MIA's. MIA's zijn zeer biologisch actief en nuttig bij de behandeling van verschillende ziekten. Het zijn echter zeer complexe moleculen en daarom moeilijk synthetisch te produceren. Deze studie was bedoeld om te bewijzen dat de onderzoekers het konden.

"Om de haalbaarheid van microbiële productie van alle MIA's te bewijzen, kozen we een van de meest complexe chemicaliën die bekend zijn in de plantenchemie. We kenden niet de volledige route die nodig was om vinblastine te maken toen we in 2015 begonnen. We waren ons er ook niet van bewust van de tekorten waarmee de samenleving wordt geconfronteerd. Het was de langste weg die we kenden, en we wisten dat het waarschijnlijk 30-iets enzymatische reacties codeerde. De grote uitdaging was hoe een enkele gistcel te programmeren met meer dan 30 stappen en er toch voor te zorgen dat de geherprogrammeerde cel zou functioneren als dat nodig was en zichzelf in stand kon houden. Dat was de grootste uitdaging en het grootste deel van ons onderzoek. Het was helemaal niet eenvoudig", zegt Jie Zhang.

Michael Krogh Jensen, senior onderzoeker bij DTU en een van de corresponderende auteurs van de studie, voegt toe:"We moeten het juiste 'personeel' langs de assemblagelijn van de cel zetten. We hebben ook aanvulling nodig van andere assemblagelijnen die al in de gistcel het werkt soepel. We hebben zogenaamde co-factoren nodig. Je moet er ook voor zorgen dat tegelijkertijd het uitgangsmateriaal aanwezig is voor andere essentiële functies in de cel. "

Het team voerde zesenvijftig genetische bewerkingen uit om de 31-staps biosynthetische route in bakkersgist te programmeren. Hoewel het werk moeilijk was en er meer werk nodig is, verwachten de auteurs dat gistcellen in de toekomst een schaalbaar platform zullen zijn voor het produceren van meer dan 3.000 natuurlijk voorkomende MIA's en miljoenen nieuw-naar-natuur-analogen.

"In dit project waren we op zoek naar nieuwe manieren om complexe chemie te produceren die essentieel is voor de menselijke gezondheid, hoewel de technologie ook nuttig kan zijn in de landbouw en materiaalwetenschappen. Biotechnologie biedt iets opwindends omdat chemische synthese moeilijk op te schalen is en natuurlijke hulpbronnen eindig zijn We zijn van mening dat er een derde benadering nodig is:fermentatie of fabricage van hele cellen. De assemblagelijnen die uit de natuur bekend zijn, worden aangesloten op microbiële cellen en stellen de cellen in staat enkele van deze complexe chemicaliën te produceren", zegt Michael Krogh Jensen.

Volgens de auteurs zijn onder de vele nieuwe essentiële MIA's die nu kunnen worden geproduceerd op basis van hun nieuwe platform de chemotherapeutische geneesmiddelen vincristine, irinotecan en topotecan. Deze staan ​​allemaal samen met vinblastine op de lijst van essentiële geneesmiddelen van de Wereldgezondheidsorganisatie.

Het onderzoek onderstreept verder recente ontwikkelingen binnen de synthetische biologie, waar gemanipuleerde gist wordt gebruikt voor de productie van medicijnen. Andere moleculen die celfabrieken nu kunnen produceren, zijn onder meer potentiële medicijnen voor de behandeling van kanker, pijn, malaria en de ziekte van Parkinson.

Het produceren van medicijnen die anders afkomstig zijn van fabrieken in fermentoren op industriële schaal met behulp van goedkope en hernieuwbare substraten, kan toekomstige tekorten verlichten en een duurzamere economie creëren die onafhankelijk is van gekweekte of zeldzame organismen.

Corresponderende auteur Jay D. Keasling, hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering aan de University of California, Berkeley en wetenschappelijk directeur bij DTU Biosustain, is al lang een pionier op het gebied van synthetische biologie in het gebruik ervan om essentiële moleculen te produceren. Voorbeeld:in 2003 heeft hij met succes E. coli-bacteriën ontwikkeld om een ​​voorloper te produceren van artemisinine, een medicijn tegen malaria. Later zou hij het hele pad in gistcellen construeren, net zoals gistcellen nu kunnen worden gebruikt om vindoline en catharanthine te produceren.

"De metabole route die we in gist hebben geconstrueerd, is de langste biosynthetische route die ooit in een micro-organisme is gereconstitueerd. Dit werk toont aan dat zeer lange en gecompliceerde metabolische routes van bijna elk organisme kunnen worden genomen en in gist kunnen worden gereconstitueerd om de broodnodige therapieën te leveren die zijn te ingewikkeld om te synthetiseren met behulp van synthetische chemie.Omdat gist inherent schaalbaar is, zou deze gemanipuleerde gist op een dag vinblastine kunnen leveren, evenals de 3.000 andere verwante moleculen in deze familie van natuurlijke producten. Dit zal niet alleen het aanbod vergroten en de kosten van deze producten voor consumenten, maar de productie is ook milieuvriendelijk omdat het de noodzaak elimineert om soms zeldzame planten uit gevoelige ecosystemen te oogsten om de moleculen te verkrijgen." + Verder verkennen

Mijlpaalonderzoek naar maagdenpalm in Madagaskar onthult weg naar kankerbestrijdende medicijnen