De magische kogel

ILLUSTRATIE: ANNEMARIE ROOS

Eiwitten zijn therapeutisch inzetbaar tegen een scala aan ziektes, zoals kanker, artritis, allergieën en astma. Door hun unieke, driedimensionale structuren zijn ze uiterst doelgericht en leveren ze vaak minder bijwerkingen op dan medicijnen die berusten op kleinere moleculen. Onderzoekers noemen ze daarom ook wel ‘magische kogels’. Met de komst van kunstmatige intelligentie-software zoals AlphaFold – dat nieuwe eiwitten helpt ontwerpen – neemt het aantal mogelijkheden voor therapeutica alleen maar toe. Toch blijft de grote uitdaging om de eiwitten niet alleen in het lab maar ook in het lichaam werkend te krijgen. Om daar vaker doel te treffen, werken onderzoekers aan technieken die de kogels op hun reis moeten beschermen en tot in cellen krijgen; de ultieme ‘magie’.

Afgiftesystemen
Farmaceutisch biotechnoloog Enrico Mastrobattista van de Universiteit Utrecht werkt aan afgiftesystemen om eiwitten efficiënt in het lichaam te bezorgen. ‘Het probleem is dat het lichaam eiwitten afbreekt, waardoor ze van nature niet erg lang blijven leven in de bloedsomloop’, zegt Mastrobattista. ‘Daarnaast moet je eiwitten heel gericht op de juiste plek weten af te leveren.’

Hiervoor ontwerpen de onderzoekers met de computer nieuwe peptiden die ze vervolgens in het lab synthetiseren. De peptiden vormen kooitjes die de therapeutische eiwitten insluiten en zo stabiliteit bieden in de bloedsomloop. Mastrobattista: ‘Het lichaam breekt eiwitten onder andere af met specifieke enzymen, proteases. Wij ontwerpen de peptidekooitjes op zo’n manier dat ze minder vatbaar zijn voor deze afbraak.’

Eiwitkooien
Naast peptiden werken de onderzoekers ook met liposomen; blaasjes van fosfolipiden die eveneens eiwitten insluiten. Om te onderzoeken welke eiwitkooien de gewenste plek van bestemming het beste weten te bereiken, testen de onderzoekers hun verschillende deeltjes in meerdere modellen. Ze testen de deeltjes in twee- en driedimensionale celkweek en gaan vervolgens over op proefdieren, om te zien of ze ook door biologische barrières bij de longen of het brein heen kunnen. ‘Soms komen we erachter dat we iets hebben ontwikkeld dat niet doet wat we willen, maar bijvoorbeeld wel in een ander orgaan ophoopt’, vertelt Mastrobattista. ‘Dan draaien we ons idee om. Stel dat we bijvoorbeeld zien dat onze deeltjes in de lever terecht komen, dan nemen we contact op met artsen die aan leveraandoeningen werken en kijken we of ons afgiftesysteem daar toe te passen is.’

Maskeren
Chemicus Joachim Van Guyse van de Universiteit Leiden werkt met zijn groep aan afgiftesystemen die de werking van een eiwit kunnen maskeren in de bloedcirculatie en het op de gewenste plek onthullen. Dit doen ze onder andere door de eiwitten met biocompatibele polymeren te omhullen, wat ze beschermt tegen nadelige omgevingsfactoren (zie kader Polymeerverpakking). ‘Om de eiwitten op de gewenste plek vrij te kunnen laten, verbinden we ze met polymeren aan de hand van selectief splitsbare koppelingen – in het Engels cleavable linkers’, zegt Van Guyse. ‘Deze gespecialiseerde chemische bindingen breken enkel onder bepaalde omstandigheden, zoals een verandering in pH of door specifieke enzymen. Zo kunnen we ervoor zorgen dat het eiwit enkel vrijkomt wanneer het de juiste omgeving heeft bereikt.’

Endosomale ontsnapping
Deze soort polymeereiwittherapeutica hebben voornamelijk een extracellulaire werking. Maar voor intracellulaire afgifte moeten andere wegen bewandeld worden. Als een cel een eiwit opneemt, komt het terecht in een endosomaal blaasje dat het vervoert naar de lysosomen voor afbraak. De grote uitdaging is om het eiwit op tijd vrij te krijgen uit het blaasje, zogeheten endosomale ontsnapping. Dat moet gebeuren op een manier die zo min mogelijk schadelijk is voor de cel (zie kader Endosomale ontsnapping). ‘Om dit te bereiken werken we aan dragers voor eiwitten die in het endosoom uiteenvallen en kleine molecuul-drugs vrijlaten waardoor het blaasje openbreekt’, zegt Van Guyse. ‘Ook hierbij maken we gebruik van selectief splitsbare koppelingen, dit keer om de molecuul-drug te verbinden aan het eiwit. Pas bij een zure pH, wat het endosoom automatisch tegenkomt tijdens zijn reis, breekt de koppeling, waardoor de molecuul-drug vrijkomt en deze het endosoom open maakt.’

‘Wat je wilt, is dat de vrijgave snel plaatsvindt in de gewenste cellen en niet op andere plaatsen’

Van Guyse ziet intracellulaire afgifte als de grootste uitdaging binnen het veld van eiwitafgifte. ‘Wat je wilt, is dat de vrijgave snel plaatsvindt in de gewenste cellen en niet op andere plaatsen gebeurt. Maar dat is altijd wikken en wegen. Als je gebruikte techniek te instabiel is, komen eiwitten vrij waar dat niet moet. Als het te stabiel is, is de vrijgave te traag. Die balans is erg moeilijk te vinden.’

Machientjes
Vanwege deze complexiteit voorziet Mastrobattista dat eiwitafgifte in de toekomst wel eens een heel andere richting in zou kunnen slaan. In het beeld dat hij schetst zet men cellen zelf in als medicijnafgifte-machientjes, die heel gericht ergens naar toe migreren en daar de nodige therapeutische eiwitten uitscheiden. ‘We leren steeds meer hoe cellen via signalen en gradiënten van moleculen in bepaalde richtingen migreren. Dit heet chemotaxis en kunnen we synthetisch nabootsen in de cel. Zo zou je een genetisch gemodificeerde cel die therapeutische eiwitten produceert naar een bepaalde plek in weefsels of organen kunnen sturen. Het mooiste zou zijn om zo van onze eigen cellen medicijnkastjes te maken die je aan- en uitzet op dna-niveau.’

Prijzig
Als voorbeeld noemt hij antilichaamtherapie voor mensen met chronische ziekten, auto-immuunziekten of ontstekingsziekten. Deze patiënten moeten regelmatig naar het ziekenhuis voor een infuus met antilichamen of zelf thuis met een naald te werk gaan. ‘Dat is prijzig en vervelend’, zegt Mastrobattista. ‘Wij willen dat met een enkele injectie oplossen, bestaande uit nanodeeltjes die de genetische code voor de antilichamen in cellen brengt. Je zou deze cellen vervolgens met het slikken van een tabletje aan kunnen zetten om de antilichamen te produceren. Al moet je ook voor dit proces ergens biomoleculen in de cellen krijgen, waardoor we nog steeds eerst de uitdaging van endosomale ontsnapping zullen moeten kraken.’

‘Stel dat we bijvoorbeeld zien dat onze deeltjes in de lever terecht komen, dan nemen we contact op met artsen die aan leveraandoeningen werken’

Om eiwitten in cellen af te leveren, werkt Enrico Mastrobattista met collega’s aan technieken die eiwitten na endosomale opname uit de endosomale blaasjes moet helpen ontsnappen. Hierbij laten ze zich inspireren door membraanactieve eiwitten uit de natuur. ‘Denk bijvoorbeeld aan mellitine, een peptide in bijengif’, zegt Mastrobattista. ‘Dit stofje maakt celmembranen kapot.’ De onderzoekers bouwden in het lab een soortgelijk synthetisch peptide na die alleen membranen lek maakt bij lage pH en lieten zien hoe dit het Cas9-eiwit in cellen wist te bezorgen. De peptiden vormden een complex dat het eiwit beschermde tijdens endocytose. Vervolgens maakten de peptiden de endosomale blaasjes in een lage pH-omgeving doelgericht kapot, waardoor het eiwit vrijkwam en gencorrectie uit kon voeren. Hierbij was het openbreken van het endosoom niet het daadwerkelijke probleem, vertelt Mastrobattista. ‘Je kan een endosoom bij wijze van spreken ook openmaken met zeep, maar dan legt de cel het loodje. Onze ontwikkelde methode werkt tot op zekere hoogte, maar kan bij hoge concentraties ook heel toxisch zijn. Het gaat om een heel nauw therapeutisch venster.’ Zo moet het peptide – of eender welke techniek voor intracellulaire afgifte – krachtig genoeg zijn om voldoende eiwitten te helpen ontsnappen, maar subtiel genoeg om niet schadelijk te zijn voor de rest van de cel. Hoe hoger de werkende concentratie, hoe hoger de toxiciteit. ‘Deze balans hebben we nog niet genoeg onder de knie. Wat dat betreft zijn huidige methodes voor endosomale ontsnapping erg grof: we schieten met hagel om de blaasjes lek te krijgen. Maar je wil niet dat ook de toxische inhoud uit het endosoom vrijkomt in het cytosol. Het vinden van dit subtiele evenwicht is de grote uitdaging.’

Met zijn onderzoeksgroep ontwikkelt Joachim Van Guyse polymeren die eiwitten tijdens hun circulatie in het lichaam moeten beschermen. Door de eiwitten met een jasje van biocompatibele polymeren te omhullen, verlengt hun circulatietijd en wordt een nadelige immuunrespons voorkomen. Van Guyse zoekt momenteel naar alternatieven voor het vaak gebruikte polyethyleenglycol (PEG), dat ondanks het succes in verschillende medicijnen nog steeds niet optimaal is. ‘PEG was bijvoorbeeld ook aanwezig in de coronavaccins’, zegt Van Guyse. ‘Nu treden meer en meer antilichamen naar voren die dit polymeer in een vaccin kunnen herkennen. Dat kan leiden tot een snellere verwijdering uit de bloedsomloop of alsnog een mogelijke immuunrespons opleveren.’ Om dit probleem te omzeilen werken de onderzoekers aan twee mogelijke alternatieven: poly(2-oxazoline)s en polysarcosine. Waar poly(2-oxazoline)s een hoge stabiliteit en structurele variabiliteit hebben, bestaat polysarcosine uit het lichaamseigen aminozuur sarcosine waardoor het biodegradeerbaar is. De onderzoekers bestuderen de werking van deze polymeren op verschillende niveaus: in celculturen, in zebravisembryo’s – die vanwege hun transparantie geschikt zijn om de circulatie en distributie van de eiwitten zichtbaar te maken – en in muizen. Daarbij botsen Van Guyse en zijn collega’s nog op meerdere uitdagingen. ‘Helaas komen in vitro resultaten zelden overeen met wat er in vivo gebeurt. Het blijft uitdagend om de eiwitten in muizen op de juiste plek te krijgen en de werking enkel lokaal te bewerkstelligen. Het lichaam is een bijzonder complex wezen waar we nog steeds veel niet van begrijpen.’