PSI-onderzoekers hebben een verrassende truc ontdekt die de mogelijkheden voor medisch gebruik van botulinetoxine A1, beter bekend onder de naam Botox, als actief middel zou kunnen vergroten. Ze hebben antilichaamachtige eiwitten ontwikkeld die het effect van het enzym op de overdracht van zenuwsignalen versnellen. Dit suggereert dat Botox bijvoorbeeld pijn sneller kan verlichten dan voorheen.

Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

Botulineneurotoxine A1, beter bekend onder de merknaam Botox, is eigenlijk een zenuwtoxine dat door bacteriën wordt geproduceerd. Het kreeg een wijdverbreid publiek bewustzijn door het gebruik ervan als cosmetisch hulpmiddel. Veel mensen laten het in rimpels inspuiten om ze er jonger uit te laten zien.

De stof blokkeert de signaaloverdracht van zenuwen naar spieren, waardoor deze ontspannen, zodat de gelaatstrekken er glad uitzien. Wat minder bekend is:Botox wordt ook heel vaak gebruikt in de therapeutische geneeskunde om aandoeningen te behandelen die terug te voeren zijn op spierkrampen of defecte zenuwsignalen, waaronder pijn, spasmen, blaaszwakte, tandenknarsen en verkeerde standen, bijvoorbeeld van de ogen. Botox wordt zelfs gebruikt bij de behandeling van maagkanker, om de nervus vagus te blokkeren en zo de tumorgroei te vertragen.

Bij elke therapie is het van cruciaal belang om dit zeer effectieve medicijn op een zeer gerichte manier en met een zorgvuldige dosering te gebruiken, omdat Botox het krachtigste natuurlijke zenuwtoxine van allemaal is, wat kan leiden tot gevaarlijke verlamming in een ziektebeeld dat botulisme wordt genoemd. Slechts ongeveer honderd nanogram intraveneus toegediend kan genoeg zijn om een ​​persoon te doden, omdat het toxine de ademhalingsspieren verlamt, samen met andere.

Verschillende soorten botox

Botulinumneurotoxinen worden onderverdeeld in zeven zogenaamde serotypegroepen, aangeduid met de letters A tot en met G. De Botox die in cosmetica wordt gebruikt, komt uit de eerste groep. Om precies te zijn wordt het subtype A1 genoemd. Het is bekend dat drie andere serotypen – B, E en F – ook bij mensen tot botulisme kunnen leiden, waarbij E en F aanzienlijk sneller werken, maar niet zo lang als A en B.

Het effect treedt al na enkele uren in en houdt enkele weken aan, wat bijvoorbeeld belangrijke mogelijkheden opent in de pijntherapie en de orthopedie. Typen C en D zijn effectief bij sommige diersoorten, zoals vogels; tot op heden zijn er geen gevallen van botulisme waargenomen bij type G.

De serotypen worden voornamelijk geproduceerd door verschillende stammen van de bacterie Clostridium botulinum. Deze microben gedijen anaëroob, dat wil zeggen bij afwezigheid van zuurstof, en worden voornamelijk aangetroffen in de bodem, maar ook in zee- en riviersedimenten. Als ze in voedsel terechtkomen en in luchtdichte containers worden bewaard, zoals het geval kan zijn bij geconserveerde producten, bestaat er een risico op besmetting met het toxine. Het eten ervan kan botulisme veroorzaken. De ziekte komt echter zeer zelden voor; in de afgelopen tien jaar zijn er in Zwitserland slechts één of twee gevallen per jaar geweest.

Verrassende resultaten

In een onderzoeksproject wilde een team onder leiding van Richard Kammerer van PSI's Laboratory for Biomolecular Research onderzoeken of het mogelijk zou zijn om de werking van het toxine te beïnvloeden.

“Daarvoor hebben we samen met biochemicus Andreas Plückthun van de Universiteit van Zürich 25 zogenaamde DARPins geproduceerd”, zegt Kammerer. DARPins zijn kleine, kunstmatig geproduceerde eiwitten die op dezelfde manier werken als antilichamen. Ze worden gebruikt bij therapie en diagnose, maar ook bij fundamenteel medisch onderzoek.

Het idee was om DARPins te vinden die selectief binden aan het zogenaamde katalytische domein van Botox serotype A1, het deel van het enzym dat verantwoordelijk is voor het effect ervan op de zenuwen, door bepaalde eiwitten in stukken te snijden. Er werd verwacht dat de DARPins deze functie zouden remmen.

"In vitro, dat wil zeggen, op individuele monsters in de reageerbuis, hebben we een geschikte kandidaat geïdentificeerd die de functie van het botulinetoxine beperkt", meldt Kammerer.

Door studies bij PSI's Zwitserse lichtbron SLS konden de onderzoekers het complex van DARPin en het katalytische domein nauwkeurig observeren, tot op moleculair niveau, en ontdekken hoe de DARPin splitsing voorkomt.

Maar toen de onderzoekers deze DARPin ook in celculturen testten, in samenwerking met een team van het Instituut voor Biogeneeskunde van de Universiteit van Padua in Italië, werd plotseling een heel ander effect – het tegenovergestelde zelfs – duidelijk:de toxische werking van Botox –de splitsing van eiwitten die belangrijk zijn voor de signaaloverdracht van de zenuwen –werd zelfs sneller dan normaal van kracht.

"Eerst dachten we dat we iets verkeerd hadden gedaan", zegt Oneda Leka, een postdoctoraal onderzoeker bij het PSI Laboratory for Biomolecular Research en eerste auteur van het onderzoek. Maar verdere experimenten bevestigden de tegenstrijdige bevinding:in plaats van af te nemen, werd het toxische effect van het Botox-enzym versneld.

Nu herhaalden de onderzoekers de experimenten met echte spieren, de diafragma’s van muizen. Deze blijven lange tijd intact in een voedingsoplossing en zijn een geliefd model voor het testen van de effecten van zenuwtoxines. Ook hier wezen de resultaten erop dat bij de DARPin de verlammende werking van het toxine ruim twee keer zo snel intreedt.

Nieuwe opties voor Botox-therapie

De grote vraag was nu:waarom is dit zo? De mogelijke verklaring is biochemisch zeer complex. Simpel gezegd komt het erop neer dat de DARPins het toxine daadwerkelijk op zo'n manier destabiliseren dat ze sneller naar het binnenste van de zenuwcellen worden getransporteerd. Hierdoor treedt het gif sneller in werking.

"Om deze reden denken we dat de DARPin het spectrum van mogelijke toepassingen van botulinumneurotoxine zou kunnen verbreden", zegt Oneda Leka.

Hoewel de onderzoekers in het kader van dit onderzoek geen vergelijkende tests hebben uitgevoerd, lijkt het erop dat botulinumneurotoxine A1 met de DARPin aanzienlijk sneller werkt dan A1 zonder de antistoffen. Tegelijkertijd blijft de duur van het effect aanzienlijk langer dan die van E en F.

De toevoeging van deze DARPin biedt dus een tussenvariant tussen serotype A en serotypen E en F. Het resultaat – hoe onverwacht het ook was – opent nieuwe mogelijkheden voor de behandeling van een verscheidenheid aan ziekten. Volgens Richard Kammerer:"In de pijngeneeskunde zou een additief dat het effect van een langdurig, uiterst effectief medicijn versnelt, van belang kunnen zijn."

Meer informatie: Oneda Leka et al, Een DARPin bevordert een sneller begin van de werking van botulinumneurotoxine A1, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-44102-4

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door het Paul Scherrer Instituut