Een nieuwe techniek voor het evalueren van de veiligheid van geneesmiddelen kan stress op cellen in eerdere stadia detecteren dan conventionele methoden, die meestal afhankelijk zijn van het detecteren van celdood. De nieuwe methode maakt gebruik van een fluorescerende sensor die in een cel wordt ingeschakeld wanneer verkeerd gevouwen eiwitten beginnen te aggregeren - een vroeg teken van cellulaire stress. De methode kan worden aangepast om eiwitaggregaten te detecteren die worden veroorzaakt door andere toxines, evenals ziekten zoals de ziekte van Alzheimer of Parkinson. Een paper waarin de nieuwe methode wordt beschreven, door een team van onderzoekers van Penn State University, verschijnt in het journaal Internationale editie van Angewandte Chemie .

"Drug-geïnduceerde eiwitstress in cellen is een sleutelfactor bij het bepalen van de veiligheid van geneesmiddelen, " zei Xin Zhang, assistent-professor scheikunde en biochemie en moleculaire biologie aan Penn State, de senior auteur van het artikel. "Drugs kunnen ervoor zorgen dat eiwitten - dat zijn lange reeksen aminozuren die precies moeten worden gevouwen om goed te kunnen functioneren - zich verkeerd vouwen en samenklonteren tot aggregaten die uiteindelijk de cel kunnen doden. We zijn begonnen met het ontwikkelen van een systeem dat deze aggregaten kan detecteren op zeer vroege stadia en maakt daarbij ook gebruik van technologie die voor veel laboratoria betaalbaar en toegankelijk is.”

Het nieuwe systeem is het eerste dat een fluorescerende sensor gebruikt die niet wordt ingeschakeld totdat de verkeerd gevouwen eiwitten beginnen te aggregeren. De onderzoekers ontwierpen een onstabiel eiwit - AgHalo genaamd - dat is gelabeld met een speciale fluorescerende kleurstof die actief wordt in een hydrofobe, d.w.z. waterafstotend, omgeving. Hydrofobe delen van eiwitten zijn meestal diep begraven in de structuur van een correct gevouwen eiwit, omdat de omgeving van de cel voornamelijk uit water bestaat. Wanneer het AgHalo-eiwit verkeerd begint te vouwen en te aggregeren, kan de kleurstof interageren met de hydrofobe delen van het eiwit en beginnen te fluoresceren.

Eerdere systemen gebruikten sensoren die altijd aan stonden. De cellen zouden een algemene diffuse fluorescentie hebben voorafgaand aan enige stress en de systemen zouden alleen eiwitstress kunnen detecteren wanneer de verkeerd gevouwen eiwitten aggregeerden, het vormen van helderdere fluorescentievlekken die groot genoeg waren om onder een microscoop te worden gezien.

"Een bijkomend voordeel van ons systeem is dat de mate van fluorescentie gecorreleerd is met de hoeveelheid eiwitaggregatie in de cel, zodat we het stressniveau kunnen kwantificeren", zei Yu Liu, een postdoctoraal onderzoeker bij Penn State en de eerste auteur van het artikel. "Ook, omdat onze methode het niveau van fluorescentie meet, in plaats van de fluorescentie onder een microscoop te moeten identificeren, het kan worden gedaan met behulp van meer toegankelijke technologie, zoals plaatlezers, en het is veel meer high-throughput."

De onderzoekers gebruikten hun sensor om het niveau van eiwitstress te testen dat wordt veroorzaakt door vijf veelgebruikte geneesmiddelen tegen kanker. Hoewel geen van de geneesmiddelen die ze testen significante celdood veroorzaakt in eerdere veiligheidstests voor geneesmiddelen, alle vijf produceerden een bepaald niveau van eiwitstress dat detecteerbaar was door de AgHalo-sensor.

"Omdat we de geneesmiddelen tegen kanker hebben getest in veel hogere doses dan gewoonlijk worden gebruikt voor behandeling, onze resultaten stellen niet noodzakelijkerwijs vraagtekens bij het voortgezette gebruik van deze medicijnen, "zei Liu. "Echter, omdat eiwitstress door langdurige behandelingen blijvende effecten kan hebben, het evalueren van medicijnen met onze nieuwe sensor zal helpen bij de ontwikkeling van veiliger medicijnen."

Eiwitstress kan worden veroorzaakt door vele andere factoren. Warmte, toxines, bacteriële infecties, kanker, en zelfs veroudering kan ervoor zorgen dat eiwitten zich verkeerd vouwen en aggregaten vormen in cellen. “Met onze methode we kunnen eiwitstress in cellen in veel eerdere stadia kwantitatief detecteren en daarom kunnen onderzoekers beginnen met het bestuderen van de mechanismen die cellen gebruiken om deze stress te bestrijden en verbindingen te ontwikkelen die het vermogen van de cel om eiwitstress aan te pakken kunnen verbeteren, " zei Zhang.