Naukowcy wskazali model komórkowy, który może poprawić przedkliniczną ocenę leków

Komórki bydła mogą pod pewnymi względami bardziej przypominać komórki człowieka niż powszechnie wykorzystywane w badaniach komórki myszy. Naukowcy z Universität Leipzig wykazali takie podobieństwo w odniesieniu do białek BAX i BAK, które regulują mitochondrialną apoptozę. Wyniki mogą pomóc w trafniejszym wyborze modeli przedklinicznych stosowanych podczas oceny potencjalnych leków, jednak dotyczą ściśle określonego mechanizmu biologicznego i nie powinny być uogólniane na wszystkie procesy zachodzące w komórkach.

W artykule:

• Dlaczego apoptoza jest ważnym celem badań nad lekami
• Jakie gatunki i rodzaje materiału biologicznego porównano
• Jaką funkcję pełnią białka BAX i BAK
• Dlaczego komórki bydła mogą lepiej odzwierciedlać reakcje komórek ludzkich
• Jak wyniki mogą wpłynąć na badania przedkliniczne
• Jakie są ograniczenia i dalsze kierunki badań

Programowana śmierć komórki jako cel badań nad lekami

Apoptoza, czyli programowana śmierć komórki, jest naturalnym i ściśle kontrolowanym procesem umożliwiającym organizmowi usuwanie komórek uszkodzonych, zbędnych lub potencjalnie niebezpiecznych. Mechanizm ten ma podstawowe znaczenie dla utrzymania homeostazy tkanek, prawidłowego rozwoju organizmu oraz ochrony przed niekontrolowanym namnażaniem się komórek.

Zaburzenia apoptozy mogą uczestniczyć w patogenezie wielu poważnych chorób. Jeżeli mechanizmy prowadzące do śmierci komórki są nadmiernie hamowane, uszkodzone lub zmienione nowotworowo komórki mogą przeżyć i dalej się namnażać. Z kolei nadmierna aktywacja szlaków śmierci komórkowej może przyczyniać się do utraty prawidłowych komórek w chorobach degeneracyjnych i innych stanach patologicznych.

Z tego powodu naukowcy od wielu lat badają możliwość farmakologicznego oddziaływania na mechanizmy apoptozy. Jednym z najważniejszych wyzwań pozostaje jednak wybór odpowiedniego modelu doświadczalnego, który możliwie wiernie odzwierciedlałby procesy zachodzące w komórkach człowieka.

Komórki myszy nie zawsze najlepiej odzwierciedlają biologię człowieka

W badaniach nad potencjalnymi substancjami leczniczymi bardzo często wykorzystuje się komórki myszy. Modele mysie są dobrze poznane, dostępne i od wielu lat stanowią jeden z podstawowych elementów badań przedklinicznych. Nie oznacza to jednak, że wszystkie mechanizmy molekularne przebiegają w komórkach myszy dokładnie tak samo jak w komórkach człowieka.

Różnice międzygatunkowe mogą wpływać na aktywność białek, organizację struktur komórkowych oraz odpowiedź na badane substancje. W konsekwencji lek, który w modelu mysim wywołuje oczekiwany efekt, może działać inaczej w komórkach ludzkich. Możliwa jest również sytuacja odwrotna: potencjalnie wartościowa substancja może zostać odrzucona na wczesnym etapie rozwoju, ponieważ w komórkach myszy nie wywołuje reakcji obserwowanej u człowieka.

Zespół z Universität Leipzig postanowił zatem sprawdzić, czy komórki innych gatunków zwierząt mogą pod względem regulacji mitochondrialnej apoptozy wykazywać większe podobieństwo do komórek ludzkich.

Porównanie komórek człowieka, bydła, myszy, owiec i świń

Badaniami kierował prof. dr Frank Edlich z Veterinär-Physiologisch-Chemisches Institut, działającego w strukturach Veterinärmedizinische Fakultät der Universität Leipzig. Jego zespół zajmuje się mitochondrialną apoptozą, analizując ten proces z perspektywy porównawczej – zarówno u człowieka, jak i u różnych gatunków zwierząt.

Dzięki współpracy z Universitätsmedizin Leipzig naukowcy mogli porównać ludzkie próbki krwi z komórkami oraz tkankami pochodzącymi od bydła, myszy, owiec i świń. Badacze skoncentrowali się na białkach BAX i BAK, które odgrywają zasadniczą rolę w inicjowaniu mitochondrialnego szlaku programowanej śmierci komórki.

Przy wykorzystaniu biochemicznych analiz białek zespół oceniał, gdzie w komórkach poszczególnych gatunków znajdują się BAX i BAK oraz w jaki sposób są one rozmieszczone i zorganizowane w obrębie błony mitochondrialnej.

W doświadczeniach prowadzonych na komórkach wątroby bydła naukowcy zastosowali również różne substancje czynne. Następnie obserwowali przebieg programowanej śmierci komórki, wykorzystując kilka niezależnych parametrów pomiarowych oraz mikroskopię wysokiej rozdzielczości.

Znaczenie białek BAX i BAK w mitochondrialnej apoptozie

BAX i BAK należą do rodziny białek BCL-2 regulujących integralność zewnętrznej błony mitochondrialnej. W warunkach prowadzących do apoptozy białka te ulegają aktywacji i zmianom przestrzennym, a następnie tworzą struktury umożliwiające zwiększenie przepuszczalności błony mitochondrium.

Proces ten prowadzi do uwolnienia z przestrzeni międzybłonowej mitochondrium czynników proapoptotycznych, w tym cytochromu c. W cytoplazmie uczestniczą one w aktywacji kaskady kaspaz, czyli enzymów odpowiedzialnych za uporządkowany demontaż komórki.

Sposób regulacji, lokalizacja oraz organizacja BAX i BAK mogą mieć bezpośredni wpływ na wrażliwość komórki na substancje pobudzające albo hamujące apoptozę. Z tego względu międzygatunkowe różnice dotyczące tych białek mogą zniekształcać ocenę potencjalnego działania leku u człowieka.

Komórki bydła bardziej podobne do komórek człowieka

Analizy wykazały, że pod względem dwóch centralnych białek regulujących śmierć komórki – BAX i BAK – komórki bydła były bardziej podobne do komórek ludzkich niż powszechnie stosowane komórki myszy.

Badacze wskazali dwa zasadnicze obszary podobieństwa. Po pierwsze, bydlęce białko BAX wykazywało większe podobieństwo do ludzkiego BAX niż jego odpowiednik występujący u myszy. Po drugie, rozmieszczenie i organizacja białek BAX oraz BAK w obrębie błony mitochondrialnej były zbliżone w komórkach bydła i człowieka.

Wyniki sugerują, że komórki bydła mogą stanowić wartościowy, uzupełniający system badawczy w ocenie substancji wpływających na mitochondrialny szlak apoptozy. Potencjalnie mogłyby pomagać w trafniejszym przewidywaniu zarówno działania terapeutycznego, jak i działań niepożądanych badanych związków u człowieka.

Mechanistyczne kryterium wyboru modelu przedklinicznego

Zdaniem prof. Franka Edlicha badanie pozwoliło wskazać konkretny parametr mechanistyczny, który może być uwzględniany podczas wyboru odpowiedniego modelu przedklinicznego. Chodzi o podobieństwo regulacji białek BAX i BAK oraz ich organizacji w błonie mitochondrialnej.

Takie podejście może mieć znaczenie na wczesnych etapach rozwoju leków. Jeżeli model komórkowy różni się od człowieka w zakresie mechanizmu będącego bezpośrednim celem działania badanej substancji, wyniki doświadczeń mogą prowadzić do błędnej oceny skuteczności lub bezpieczeństwa związku.

Zastosowanie dodatkowego modelu o większym podobieństwie molekularnym mogłoby ograniczyć ryzyko zarówno fałszywie dodatnich, jak i fałszywie ujemnych wyników badań przedklinicznych. Nie oznacza to jednak, że komórki bydła powinny całkowicie zastąpić modele mysie lub inne systemy eksperymentalne. Bardziej zasadne byłoby ich wykorzystanie jako modelu komplementarnego, dobieranego do konkretnego mechanizmu działania leku.

Wyników nie można uogólniać na wszystkie procesy komórkowe

Autorzy podkreślają, że stwierdzone podobieństwo między bydłem a człowiekiem dotyczy wyłącznie regulacji białek BAX i BAK w mitochondrialnym szlaku apoptozy. Badanie nie dowodzi, że komórki bydła są ogólnie bardziej podobne do komórek ludzkich niż komórki myszy ani że lepiej nadają się do badania wszystkich leków i chorób.

Podobieństwo jednego mechanizmu molekularnego nie przesądza o zgodności w zakresie metabolizmu leków, ekspresji receptorów, funkcjonowania układu odpornościowego, transportu substancji przez błony, toksyczności narządowej czy innych szlaków sygnałowych.

Każdy model przedkliniczny powinien być zatem oceniany w odniesieniu do konkretnego pytania badawczego i mechanizmu, który ma zostać przeanalizowany. W przypadku substancji oddziałujących na mitochondrialną apoptozę komórki bydła mogą okazać się szczególnie użyteczne, ale ich wartość w innych zastosowaniach wymaga odrębnej weryfikacji.

Możliwość uzupełniania i częściowego zastępowania doświadczeń na zwierzętach

W kolejnych etapach badań naukowcy zamierzają ocenić, czy podobieństwo między komórkami bydła i człowieka utrzymuje się również w innych typach komórek oraz po zastosowaniu kolejnych substancji czynnych.

Jeżeli wyniki zostaną potwierdzone, możliwe będzie opracowanie standaryzowanych modeli opartych na komórkach bydła. Takie systemy mogłyby bardziej precyzyjnie uzupełniać przedkliniczne doświadczenia na zwierzętach, a w odpowiednio zdefiniowanych obszarach także częściowo je zastępować.

Kluczowe znaczenie będzie miało określenie zakresu zastosowania takich modeli oraz ich ograniczeń. Dopiero walidacja obejmująca różne tkanki, substancje i warunki eksperymentalne pozwoli ocenić, czy obserwowane podobieństwo jest powtarzalne i wystarczająco stabilne, aby wykorzystać je w standaryzowanych procedurach rozwoju leków.

Znaczenie dla rozwoju farmakoterapii

Wyniki badania zwracają uwagę na potrzebę bardziej mechanistycznego podejścia do wyboru modeli przedklinicznych. Zamiast zakładać, że jeden gatunek stanowi najlepszy model dla wszystkich procesów biologicznych, można dobierać system eksperymentalny na podstawie podobieństwa konkretnego szlaku molekularnego do odpowiadającego mu mechanizmu u człowieka.

Takie podejście może zwiększyć wiarygodność wczesnych badań nad lekami i ułatwić identyfikowanie sytuacji, w których standardowo stosowany model zwierzęcy może prowadzić do niepełnych lub mylących wniosków.

Badanie ma obecnie charakter przedkliniczny i mechanistyczny. Nie dostarcza jeszcze danych dotyczących skuteczności określonego leku u pacjentów ani nie uzasadnia zmian w praktyce klinicznej. Pokazuje jednak, że wybór gatunku i rodzaju komórek może istotnie wpływać na interpretację wyników badań nad substancjami modulującymi apoptozę.

Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Archives of Toxicology”. Projekt był finansowany przez Deutsche Forschungsgemeinschaft.

Źródło: Archives of Toxicology, A bovine in vitro platform improves species comparability of mitochondrial apoptosis drug-response readouts.
DOI: https://doi.org/10.1007/s00204-026-04506-9