Nye muligheder for medicinsk brug af botulinun-toksin A1

PSI-forskere har opdaget et overraskende trick, der kunne udvide mulighederne for medicinsk brug af botulinun-toksin A1, bedre kendt under navnet Botox, som et aktivt middel. De har udviklet antistoflignende proteiner, der fremskynder enzymets effekt på overførslen af ​​nervesignaler. Dette tyder på, at Botox for eksempel kan være i stand til at lindre smerte hurtigere end før.

Artiklen er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

Botulinum neurotoxin A1, bedre kendt under varemærket Botox, er faktisk et nervegift produceret af bakterier. Det opnåede udbredt offentlig bevidsthed gennem dets brug som et kosmetisk hjælpemiddel. Mange mennesker får det sprøjtet ind i rynker for at få dem til at se yngre ud.

Stoffet blokerer for signaltransmission fra nerver til muskler og afspænder dem således, så ansigtstræk fremstår glatte. Hvad er mindre kendt:Botox bruges også meget ofte i terapeutisk medicin til behandling af tilstande, der kan spores tilbage til kramper i musklerne eller defekte nervesignaler, herunder smerter, spasmer, blæresvaghed, tænderskæren og skævheder, f.eks. øjne. Botox bruges endda til behandling af mavekræft, for at blokere vagusnerven og dermed bremse tumorvæksten.

I enhver terapi er det afgørende at bruge denne yderst effektive medicin på en meget målrettet måde med omhyggelig dosering, da Botox er det mest potente naturlige nervetoksin af alle, hvilket kan føre til farlig lammelse i et klinisk billede kaldet botulisme. Blot et hundrede nanogram eller deromkring administreret intravenøst ​​kan være nok til at dræbe en person, fordi toksinet lammer åndedrætsmusklerne sammen med andre.

Forskellige typer botox

Botulinum-neurotoksiner er kategoriseret i syv såkaldte serotypegrupper, der er betegnet med bogstaverne A til G. Botoxen, der bruges i kosmetik, kommer fra den første gruppe. For at være præcis er den betegnet undertype A1. Det er kendt, at tre andre serotyper – B, E og F – også kan føre til botulisme hos mennesker, hvor E og F virker betydeligt hurtigere, men ikke så længe som A og B.

Effekten sætter ind efter kun timer og varer et par uger, hvilket åbner op for vigtige muligheder inden for eksempelvis smertebehandling og ortopædi. Type C og D er effektive i nogle dyrearter såsom fugle; til dato er der ikke observeret tilfælde af botulisme med type G.

Serotyperne produceres hovedsageligt af forskellige stammer af bakterien Clostridium botulinum. Disse mikrober trives anaerobt, det vil sige i fravær af ilt, og findes hovedsageligt i jorden samt marine- og flodsedimenter. Hvis de kommer i fødevarer og opbevares i lufttætte beholdere, som det kan være tilfældet med konserverede produkter, er der risiko for forurening med giftstoffet. At spise det kan forårsage botulisme. Sygdommen optræder dog meget sjældent; i de seneste 10 år har der kun været et eller to tilfælde om året i Schweiz.

Overraskende resultater

I et forskningsprojekt ønskede et hold ledet af Richard Kammerer fra PSI's Laboratory for Biomolecular Research at undersøge, om det kunne være muligt at påvirke toksinets virkning.

"Til det har vi sammen med biokemiker Andreas Plückthun fra Universitetet i Zürich produceret 25 såkaldte DARPins," siger Kammerer. DARPiner er små, kunstigt producerede proteiner, der virker på samme måde som antistoffer. De bruges i terapi og diagnose såvel som i grundlæggende medicinsk forskning.

Ideen var at finde DARPiner, der selektivt binder til det såkaldte katalytiske domæne af Botox serotype A1, den del af enzymet, der er ansvarlig for dets virkning på nerverne, ved at skære visse proteiner op. DARPin'erne forventedes at hæmme denne funktion.

"In vitro - det vil sige på individuelle prøver i reagensglasset - har vi identificeret en passende kandidat, der begrænser funktionen af ​​botulinumtoksinet," rapporterer Kammerer.

Gennem undersøgelser ved PSI's schweiziske lyskilde SLS var forskerne i stand til præcist at observere komplekset af DARPin og det katalytiske domæne, ned til molekylært niveau, og finde ud af, hvordan DARPin forhindrer spaltning.

Men da forskerne også testede denne DARPin i cellekulturer, i samarbejde med et hold ved Institut for Biomedicin ved University of Padua i Italien, blev der pludselig en helt anden effekt – faktisk modsat – tydelig:Botoxens giftige virkning. — spaltningen af ​​proteiner, der er vigtige for nervernes signaloverførsel — trådte i kraft endnu hurtigere end normalt.

"Først troede vi, at vi havde gjort noget forkert," siger Oneda Leka, en postdoc-forsker i PSI Laboratory for Biomolecular Research og førsteforfatter af undersøgelsen. Men yderligere eksperimenter bekræftede det modstridende fund:I stedet for at aftage, accelererede den toksiske virkning af Botox-enzymet.

Nu gentog forskerne eksperimenterne med rigtige muskler, musenes mellemgulv. Disse forbliver intakte i lang tid i en næringsopløsning og er en yndet model til at teste virkningerne af nervetoksiner. Også her viste resultaterne, at med DARPin satte den lammende virkning af toksinet mere end dobbelt så hurtigt ind.

Nye muligheder for Botox-terapi

Nu var det store spørgsmål:Hvorfor er det sådan? Den mulige forklaring er meget kompleks biokemisk. Enkelt sagt er det, at DARPinerne faktisk destabiliserer toksinet på en sådan måde, at de transporteres hurtigere ind i nervecellernes indre. Som et resultat træder toksinet hurtigere i kraft.

"Af denne grund tror vi, at DARPin kan udvide spektret af mulige anvendelser af botulinum neurotoxin," siger Oneda Leka.

Selvom forskerne ikke udførte nogen sammenlignende test inden for rammerne af denne undersøgelse, ser det ud til, at botulinum neurotoxin A1 med DARPin virker betydeligt hurtigere end A1 uden antistofferne. Samtidig forbliver virkningens varighed væsentlig længere end for E og F.

Så tilføjelsen af ​​denne DARPin giver en mellemvariant mellem serotype A og serotype E og F. Resultatet – uventet som det var – åbner op for nye muligheder for behandling af en række forskellige sygdomme. Ifølge Richard Kammerer, "Inden for smertemedicin kunne et tilsætningsstof, der fremskynder virkningen af ​​et langvarigt, ekstremt effektivt lægemiddel, være interessant."

Flere oplysninger: Oneda Leka et al., A DARPin fremmer hurtigere indtræden af ​​botulinum-neurotoksin A1-virkning, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-44102-4

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Paul Scherrer Institute