Nieuwe inzichten uit neutronenanalyse van glaucoommedicijnen en hun enzymdoelwit kunnen wetenschappers helpen bij het ontwerpen van medicijnen die effectiever gericht zijn op agressieve kankers.

Een team van onderzoekers onder leiding van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy gebruikte neutronen-macromoleculaire kristallografie om de verschillende toestanden van drie glaucoommedicijnen te onderzoeken terwijl ze interageren met het beoogde enzym, humaan koolzuuranhydrase II (hCA II).

"Ons doel was om verschillen waar te nemen in de presentatie van drie klinisch gebruikte glaucoommedicijnen terwijl ze gebonden zijn aan het hCA II-enzym, " zei Andrey Kovalevsky, een instrumentwetenschapper bij ORNL en een senior co-auteur van de studie. "Door te kijken hoe goed deze medicijnen zich richten op hCA II in geprotoneerde, neutrale en gedeprotoneerde staten, we hoopten inzichten te verkrijgen die het mogelijk zouden maken om deze medicijnen te verbeteren, zodat ze zich beter kunnen richten op enzymen die verband houden met kanker."

Protonering verwijst naar de aanwezigheid, toevoeging of verlies van een proton, waardoor het medicijn een neutrale, positieve of negatieve lading, respectievelijk. Het veranderen van de lading van een medicijn kan zijn vermogen om het doeleiwit te herkennen en eraan te binden veranderen en bijgevolg, zijn effectiviteit.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Structuur , vond die temperatuur, pH, en de elektrische lading van de drie DrDeramus-geneesmiddelen beïnvloedde hun vermogen om zich te richten op en te binden aan het hCA II-enzym.

"Deze ontdekking was echt een proof of principle voor ons, " zei Robert McKenna, een professor aan de Universiteit van Florida en een senior co-auteur van de studie. "Het opende onze ogen voor hoe veranderingen in temperatuur en pH de protoneringstoestand van het medicijn kunnen beïnvloeden, wat het op zijn beurt min of meer effectief maakt."

Nieuwe informatie over de waterstofbindingsnetwerken die de actieve plaats van hCA II vormen, kan andere wetenschappers helpen nieuwe en betere geneesmiddelen voor de behandeling van kanker te ontwikkelen. De familie van hCA-enzymen bevat vergelijkbare eiwitten, zoals hCA IX en XII, die geassocieerd zijn met agressieve borstkankers, zoals triple negatieve borstkanker.

"We willen het verschil in verantwoordelijkheid benutten, pH en temperatuur om te zien of we medicijnen kunnen ontwerpen die effectiever zijn in het aanpakken van deze enzymen, " zei Kovalevsky. "Als we binding op atomair niveau kunnen begrijpen, we kunnen medicijnen herontwerpen en ze veranderen in sterkere en selectievere 'magneten' die worden aangetrokken door met kanker geassocieerde enzymen. Dergelijke medicijnen zouden veel effectiever zijn in het doden van kankercellen terwijl gezonde cellen ongedeerd blijven, wat de bijwerkingen voor patiënten aanzienlijk vermindert."

Veel wetenschappers hebben röntgenkristallografie gebruikt om de structuren van hCA-enzymen te analyseren, maar deze studies missen volledige atomaire informatie over medicijnbinding vanwege het onvermogen van röntgenstralen om waterstofatomen te visualiseren die overvloedig aanwezig zijn in eiwitten en enzymen.

Neutronen zijn gevoelig voor lichtere elementen, ze geven dus veel meer gedetailleerde informatie over de locatie van waterstofatomen. Het zien van waterstof is van cruciaal belang voor het bestuderen van protoneringstoestanden van een enzym en ligand - een molecuul dat bindt aan een biologisch macromolecuul - en voor het analyseren van de architectuur van waterstofbindingsnetwerken. Neutronen bieden ook andere experimentele voordelen.

"Als je neutronendiffractie gebruikt, heb je geen stralingsschade, zodat je je studie bij kamertemperatuur kunt doen, "zei McKenna. "Bovendien, bevriezingskristallen kunnen het medicijn en het enzym veranderen, het introduceren van een verkeerd beeld in de studie, terwijl studies bij kamertemperatuur meer lijken op de omgeving waarin het medicijn zal worden gebruikt."