Nuovi principi attivi farmaceutici da miliardi di molecole combinate di recente

Nuovi trattamenti spettacolari come la terapia personalizzata del cancro con cellule immunitarie o anticorpi modificati sono oggi sulla bocca di tutti. Tuttavia, sono molto complessi e costosi e sono quindi utilizzati solo in misura limitata. La maggior parte delle terapie mediche si basa quindi ancora su piccoli composti chimici che possono essere prodotti in grandi quantità e quindi a basso costo.

Miliardi di nuove molecole in poche settimane

Il collo di bottiglia nello sviluppo di nuove terapie molecolari è il numero limitato di nuove sostanze attive che possono essere trovate con i metodi attuali. Un metodo sviluppato ad Harvard e all'ETH di Zurigo negli anni 2000 per identificare nuovi principi attivi, le librerie chimiche codificate dal DNA (DEL), promette di porre rimedio a questa situazione.

In precedenza, era possibile produrre milioni di composti chimici con la tecnologia DEL e testarne l'efficacia in una sola volta. Tuttavia, ciò comportava lo svantaggio che i ricercatori potevano costruire solo piccole molecole a partire da pochi elementi chimici. Ora, i chimici dell'ETH di Zurigo hanno ulteriormente sviluppato e migliorato questo processo.

Con un nuovo metodo recentemente pubblicato sulla rinomata rivista Science, i ricercatori possono ora produrre e testare automaticamente non solo alcuni milioni, ma miliardi di sostanze diverse in poche settimane. Questo metodo consente anche di produrre molecole di farmaci più grandi, come i peptidi ciclici. In questo modo, è possibile individuare ulteriori bersagli farmacologici.

Produrre e testare tutte le combinazioni

"Attualmente, i primi composti sviluppati con la tecnologia DEL sono già in studi clinici avanzati. Il nuovo metodo DEL amplia ancora una volta le possibilità", spiega J?rg Scheuermann. Lui e il suo gruppo di ricerca presso l'Istituto di Scienze farmaceutiche sono tra i pionieri della tecnologia DEL. ? considerata la chiave per poter utilizzare le possibilità combinatorie nella produzione chimica di molecole nella pratica.

L'obiettivo della chimica combinatoria è quello di produrre il maggior numero possibile di varianti molecolari a partire da singoli elementi costitutivi. Da tutte queste combinazioni, i ricercatori pescano poi quelle che mostrano l'attività desiderata. Il numero di molecole diverse cresce esponenzialmente con il numero di cicli di sintesi e con il numero di diversi blocchi di costruzione che vengono combinati in ogni ciclo di sintesi.

Identificare le molecole efficaci con il codice del DNA

Per poter identificare i singoli composti attivi nella "zuppa molecolare" in rapida crescita nei test di efficacia, il metodo DEL allega un pezzo definito di DNA alla molecola in parallelo con ogni blocco di principio attivo. In questo modo si crea una sequenza unica di DNA come codice a barre per ogni combinazione di elementi costitutivi che può essere letta.

Ad esempio, è possibile testare l'intera zuppa molecolare per verificarne la capacità di legarsi a una specifica proteina, e persino singole sezioni di DNA possono essere amplificate e identificate chiaramente utilizzando la tecnica della PCR (reazione a catena della polimerasi), già nota nei test Covid.

Prevenzione della contaminazione a crescita esponenziale

Tuttavia, la realtà chimica ha finora limitato fortemente le possibilità della tecnologia DEL. Sebbene il collegamento dei pezzi di DNA con i blocchi chimici funzioni sempre in modo ugualmente affidabile, il collegamento chimico dei blocchi funziona in modo diverso a seconda della combinazione. Di conseguenza, il codice del DNA perde la sua unicità.

Lo stesso codice può codificare sia la molecola completa con tutti gli elementi costitutivi sia varianti abbreviate con solo alcuni degli elementi costitutivi. Queste impurità, inoltre, aumentano esponenzialmente a ogni ciclo di sintesi. In pratica, ciò ha limitato le dimensioni gestibili delle librerie DEL a combinazioni di tre o quattro blocchi di costruzione collegati tra loro e quindi a diversi milioni di composti diversi.

Autopulizia integrata

Scheuermann e il suo team hanno ora trovato un modo per prevenire la crescente contaminazione della libreria molecolare e per pulire virtualmente il DEL sintetizzato fino all'ultimo blocco di costruzione. Il metodo dei ricercatori dell'ETH si basa su due componenti principali: In primo luogo, la sintesi delle molecole è accoppiata a particelle magnetiche che possono essere manipolate facilmente e automaticamente. Ciò consente, tra l'altro, cicli di lavaggio. In secondo luogo, hanno introdotto un secondo componente di accoppiamento chimico sulle particelle, che può legarsi solo all'ultimo dei blocchi di costruzione previsti.

Tutte le molecole tronche che mancano dell'ultimo blocco di costruzione, ad esempio, possono essere eliminate in un'unica fase di lavaggio. Alla fine, la libreria contiene solo molecole che contengono anche tutti i blocchi di costruzione specificati nel codice del DNA.

Conflitto con la chimica dei composti

Per quanto il metodo sembri elegante sulla carta, è stato difficile da implementare, come sottolinea Scheuermann: "? stato particolarmente impegnativo trovare particelle magnetiche che non interferissero con l'accoppiamento enzimatico dei frammenti di DNA". Michelle Keller e Dimitar Petrov del mio gruppo hanno investito molto lavoro durante la loro tesi di dottorato finché il metodo non ha funzionato in modo affidabile".

L'idea di eseguire una chimica combinatoria di questo tipo sulle particelle è emersa già negli anni Novanta. Tuttavia, i ricercatori dell'ETH sono riusciti solo ora a realizzare l'implementazione pratica della sintesi DEL.

Molecole più diverse e più grandi

La tecnologia DEL autopulente non solo permette di gestire librerie molto più grandi, con diversi miliardi di molecole. Ora è anche possibile sintetizzare molecole composte da cinque o più blocchi di costruzione e quindi più grandi. "Ora possiamo non solo cercare piccole sostanze attive che si inseriscono come una chiave nella serratura del sito attivo di proteine terapeuticamente rilevanti, ma anche quelle più grandi. Queste sostanze attive più grandi possono agganciarsi non solo ai centri attivi delle proteine, ma anche a un'altra superficie specifica di una proteina e quindi, ad esempio, impedirle di legarsi a un recettore", spiega Scheuermann.

La capacità di trovare molecole che si legano a determinate superfici proteiche è molto utile anche per la ricerca biologica di base. I ricercatori possono così etichettare e analizzare le proteine direttamente nelle cellule. Il metodo dell'ETH potrebbe sostenere grandi progetti di ricerca internazionali come "Target 2035". L'obiettivo di questo progetto è trovare, entro il 2035, una molecola per ciascuna delle circa 20.000 proteine umane che si leghi in modo specifico alla proteina e possa influenzarne la funzione.

Apertura per l'industria e la scienza

Per mettere la tecnologia a disposizione dell'industria farmaceutica e della ricerca fondamentale nel modo più efficiente possibile, Scheuermann e il suo team creeranno un'azienda di apertura. Questa offrirà l'intero processo, dallo sviluppo delle collezioni DEL alla sintesi automatizzata, fino ai test di efficacia automatizzati e all'identificazione delle molecole basata sul DNA. "C'è un immenso interesse da parte dell'industria e della ricerca, soprattutto per le molecole cicliche, che finora non sono state disponibili in grandi quantità", afferma Scheuermann.