Enzymy w medycynie - potencjał terapeutyczny w walce z nowotworami

Enzymy - co to takiego?

To grupa związków, bez których nie moglibyśmy żyć. Przy­spieszają (katalizują) w spo­sób selektywny i skuteczny, podstawowe reakcje biochemiczne¹. Biorą udział w setkach stopniowych reakcji metabolicznych, zachowując i przekształcając energię chemiczną oraz wytwarzając makrocząsteczki biologiczne z prekursorów. Enzymy są wszechobecne w ludzkim organizmie, a ich działanie zależy od genów.

Dlatego, w wielu chorobach spowodowanych mutacjami genowymi, aktywność enzymów może być upo­śledzona². Ma to miejsce np. w choro­bach Gauchera, Fabry’ego, Battena czy Pompego oraz w zespołach Huntera, Hurlera, Morquio typu A, Maroteaux-La­my’ego, Sly’a, do których prowadzi brak lub niedobór konkretnych enzymów. Ich leczenie najczęściej polega na podawaniu leków ukierunkowa­nych na dysfunkcyjne enzymy³. Jednak już pod koniec XIX w. na­ukowcy pomyśleli: „a gdyby tak, zamiast leków bezpośrednio podawać choremu brakujący mu enzym”? I czym prędzej przetestowali ten koncept, podając cierpiącym na niestrawność pepsynę⁴.

Jednak na kolejne próby trzeba było poczekać prawie 100 lat. W 1987 r. Food and Drug Administration (FDA) za­twierdziła w Stanach Zjednoczonych użycie alteplazy – pierwszego rekombi­nowanego leku enzymatycznego do le­czenia ostrego udaru niedokrwiennego mózgu ze względu na jego zdolność rozpuszczania skrzepów i przywracania ukrwienia tkanek⁵. W Polsce od wielu lat jest on jedynym dostępnym lekiem fibrynolitycznym. Stosuje się go w le­czeniu niedrożności tętnic wieńcowych, masywnej zatorowości płucnej, za­krzepicy żył głębokich oraz u chorych z ostrym niedokrwieniem kończyn⁶.

Enzymy - kluczowe związki biochemiczne i ich rola w organizmie

Zdolność do usuwania zwłóknień ma nie tylko alteplaza. Naukowcy za­uważyli już jakiś czas temu, że degra­dację białkowych złogów w różnych typach tkanek warto pozostawić en­zymom peptydazowym. Szczególnie sprawdzają się tu kolagenozy i żelaty­nazy, szybko więc stały się obiektem zainteresowania badaczy w kontek­ście leczenia różnych schorzeń.

Ta pierwsza ma specyficzną zdolność do trawienia kolagenu. I tak miejscowe podawanie przez cewnik preparatu kolagenazy bakteryjnej otrzymywanej z Clostridium histolyticum (CCH) pozwa­la oczyścić światło tętnicy wieńcowej z blaszek kolagenowych⁷, a w przykur­czu Dupuytrena usunąć powięź włók­nistą znajdującą się pod skórą dłoni i palców⁸. CCH jest też nadzieją dla męż­czyzn cierpiących z powodu choroby Peyroniego, w której przebiegu dochodzi do zaburzeń w obrębie tkanki łącznej prącia, co prowadzi do jego skrzywienia. Enzym pozyskany z bakterii trawi odpo­wiedzialne za to struktury włókniste⁹.

Natomiast podanie go do oczu może zmniejszać lub usuwać zwłóknienia po operacji filtracji jaskry. Z kolei chondroitynaza, hialuronidaza, nat­tokinaza czy okryplazmina pozwalają na nieinwazyjne usunięcie ciała szkli­stego¹⁰. Zabieg ten bywa konieczny np. w leczeniu odwarstwienia siat­kówki lub retinopatii cukrzycowej. Nie bez znaczenia pozostaje fakt, że – jak wykazali uczeni z Boston Uni­versity i Creighton University School of Medicine – kolagenazy i metalo­peptydazy macierzy są bezpieczne i skuteczne w redukcji bliznowców¹¹.

Wykorzystanie enzymów w terapii nowotworów i chorób układu krążenia

Jednak nie można tak powiedzieć o wszystkich enzymach. Zwłasz­cza gdy na arenę wkracza rak. Wiele typów nowotworów indukuje metabo­liczne przeprogramowanie komórek w celu uzyskania energii i składników odżywczych potrzebnych komórkom do proliferacji i przetrwania w nie­skończoność. Swoje 3 grosze dorzucają geny kodujące konkretne białka. Leucyna, izoleucyna oraz walina, które tworzą grupę tzw. aminokwasów rozgałęzionych, w ludzkim organizmie mogą być poddane działaniu enzymu – transferazy aminokwasów rozgałę­zionych (ang. branched-chain amino acid transferase, BCAT). Dzięki temu możliwe jest ich późniejsze wykorzysta­nie w komórkowym cyklu oddechowym.

Jednak – jak odkryli naukowcy z Szanghaju – chorym na raka trans­feraza aminokwasów rozgałęzionych nie tylko może szkodzić, ale wręcz jest dla nich śmiertelnie niebezpieczna. Już w 2017 r. Niemcy stwierdzili jej podejrzanie wysokie poziomy w komór­kach macierzystych ostrej białaczki szpi­kowej (AML), które są oporne na terapię. Zdaniem badaczy to właśnie BCAT1 od­grywa w tym kluczową rolę, a jego nadprodukcja zwiększa agresywność przerzutowych guzów mózgu i piersi¹². Z kolei w przypadku raka wątro­bowokomórkowego BCAT1 promuje proliferację komórek i zmniejsza ich wrażliwość na cisplatynę – jeden z najskuteczniejszych leków chemio­terapeutycznych szeroko stosowany w leczeniu nowotworów. Co cieka­we, uzyskuje to poprzez indukowa­nie autofagii w komórkach guza¹³. Tak oto mechanizm mający słu­żyć ochronie organizmu zostaje obrócony przeciwko niemu.

Inhibitor kontra katalizator

Nasz organizm działa na zasadzie ze­stawiania ze sobą przeciwieństw – zgi­nacz ma swój prostownik, zwiększenie poziomu jednego hormonu, aktywuje jego antagonistę (np. wzrost glukagonu uruchamia wydzielanie insuliny) i nie inaczej rzecz ma się w przypadku enzy­mów – one mają swoje inhibitory. Są to substancje chemiczne, które powodują zwolnienie lub zatrzymanie reakcji che­micznej, mogą też obniżać aktywność katalizatorów. Regulują aktywność wielu szlaków metabolicznych w komórce, dzięki czemu utrzymują wewnętrz­ną równowagę, zwaną homeostazą. Polimeraza poli(ADP-rybozy) – PARP to rodzina enzymów zdolnych do do­łączania rozgałęzionych łańcuchów ADP-rybozy do białek. Istnieje 16 genów kodujących te strukturalnie spokrew­nione białka^14. Enzymy te przenoszą dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (NAD+) na reszty glutaminianu i lizyny w białkach akceptorowych, modyfiku­jąc ich właściwości funkcjonalne¹⁵.

Już przed ponad 30 laty wykaza­no, że pęknięcia w nici DNA akty­wują PARP¹⁶. Naukowcy stwierdzili, że PARP odgrywają nie tylko istotną rolę w naprawie DNA, ale również utrzyma­niu stabilności genomu oraz apoptozie (czyli zaprogramowanej śmierci komór­ki)¹⁷. PAPR1 jest szybko rekrutowana do różnych uszkodzeń w DNA. Jeśli jest ono poważnie uszkodzone, w trakcie syntezy poli(ADP-rybozy) komórka zu­żywa znaczące ilości NAD+, co może prowadzić do indukcji różnych odmian śmierci komórkowej. Z takim zjawi­skiem mamy do czynienia np. w przy­padku incydentów niedokrwiennych¹⁸.

Niestety, w przebiegu wielu no­wotworów dochodzi do nadekspresji PARP na poziomie mRNA, białka i re­gulacji aktywności enzymu w guzach¹⁹. Największe różnice zaobserwowano w rakach piersi, jajnika, trzonu ma­cicy, płuc, skóry, chłoniakach nie­ziarniczych, białaczkach oraz raku wątrobowokomórkowym. Naukowcy porównali zdrowe tkanki z nacie­czonymi nowotworem. Okazało się, że poziom mRNA genu PARP1 jest wyższy w tkankach zmienionych no­wotworowo niż w prawidłowych²⁰.

To spostrzeżenie legło u podstawy nowej strategii terapeutycznej. Ucze­ni doszli do wniosku, że hamowanie aktywności tego enzymu zmusi chore komórki do uruchomienia apoptozy. Kolejne badania dowiodły, że wyko­rzystanie inhibitorów PARP może nasilać działanie leków cytotok­sycznych i uwrażliwiać nowotwór na działanie radioterapiⁱ²¹, co więcej pozwala na ograniczenia uszkodzeń wynikających z niedokrwienia. Zdaniem międzynarodowego ze­społu naukowców pomocny może tu też być enzym deubikwitynujący USP15, który – jak udowodnili – jest w stanie modyfikować odpowiedź ko­mórek rakowych na inhibitory PARP.

Jak tłumaczą autorzy publikacji, in­hibitory PARP selektywnie zabijają raki piersi i jajnika z defektami rekombinacji homologicznej spowodowanymi muta­cjami BRCA1/2. Istnieją również dowo­dy kliniczne na ich użyteczność w no­wotworach tych narządów u osób bez mutacji BRCA, choć mechanizmy leżące u podstaw tej zależności nie są jasne. Jednocześnie wskazują, że „istnieje ciągłe zapotrzebowanie na poszukiwa­nie biomarkerów, które mogą skutecznie identyfikować guzy, które z najwięk­szym prawdopodobieństwem zareagują na leczenie inhibitorami PARP”.

Uczeni z Chin i USA dokonali dwóch interesujących obserwacji. Po pierwsze, atlas genomu raka wskazuje, że delecje (mutacje polegające na utracie fragmen­tu DNA) w genie kodującym enzym USP15 występują w 16% przypadków raków piersi i 5% przypadków nowo­tworów trzustki. Po drugie, zwiększają one wrażliwość komórek rakowych na działanie inhibitorów PARP. Ozna­cza to, że USP15 może być stosowany jako biomarker w leczeniu z ich udzia­łem raków piersi, trzustki i jajnika²².

Enzymy kontra aminokwasy

Komórki rakowe próbują wykorzy­stywać różne źródła paliwa, aby utrzymać szybką i nieprawidłową proliferację²³. Dlatego też niekiedy mikrośrodowisko guza charakteryzu­je się podwyższonym metabolizmem aminokwasów. Jednak niektóre ko­mórki nowotworowe tracą zdolność syntezy określonych aminokwasów, takich jak asparagina, arginina i metionina (czyli stają się auksotro­ficzne)²⁴. To zaś pozwala medykom na zastosowanie kolejnej strategii antyrakowej. Polega ona na pozba­wieniu guza – za pomocą enzymów – tych aminokwasów, których sam nie umie zsyntetyzować, co skutkuje zahamowaniem i upośledzeniem jego wzrostu.

Podczas gdy normalne komórki są utrzymywane w dobrym stanie ze względu na swoją zdolność do syntezy tych specyficznych ami­nokwasów poprzez syntezę endo­genną. Zabieg ten fachowo określany deprywacją aminokwasów²⁵ może być doskonałym podejściem terapeu­tycznym w leczeniu raka złośliwego. L-asparaginaza była pierwszym enzymem rozkładającym aminokwa­sy, zatwierdzonym przez amerykań­ską Agencję ds. Żywności i Leków (FDA) w leczeniu ostrej białaczki limfoblastycznej²⁶.

Niestety ta metoda leczenia nie­sie pewne problemy. Otóż coraz więcej prac naukowych ujawnia, że autofagię można wywołać w od­powiedzi na stres metaboliczny spowodowany pozbawieniem ami­nokwasów. Jedną z największych przeszkód napotykanych przez medycynę jest rozwój oporności guza na leki. Wiele wskazuje na to, że jest ona powiązana właśnie z au­tofagią – procesem katabolicznym odpowiedzialnym za degradację dysfunkcyjnych białek i organelli. Nic więc dziwnego, że mani­pulacja autofagią w połączeniu z enzymami rozkładającymi ami­nokwasy jest aktywnie badana jako potencjalne podejście terapeutyczne w testach przedklinicznych. Onko­lodzy są zgodni: rzucenie światła na sposób, w jaki autofagia napędza metabolizm guza podczas depry­wacji aminokwasów, umożliwi więcej potencjalnych kombinowa­nych strategii terapeutycznych²⁷.

Zespół rozpadu guza (TLS) to stan, w którym na skutek gwałtownego rozpadu komórek nowotworowych i uwolnienia dużych ilości skład­ników wewnątrzkomórkowych do przestrzeni pozakomórkowej do­chodzi do zaburzeń biochemicznych we krwi chorego. Konsekwencją tego może być hiperurykemia, czyli nadmiar kwasu moczowego. Enzym oksydaza moczanowa, który katali­zuje utlenianie kwasu moczowego do 5-hydroksyizouranu, oraz jego rekombinowana wersja, rasburyka­za, są stosowane w leczeniu TLS²⁸.

Enzmymy na wzmocnienie odporności

Naukowcy z University of Texas w Austin opracowali nowe podejście do leczenia raka za pomocą terapii enzymatycznej. Wyszli z założenia, że zdrowy, w pełni funkcjonujący układ immunologiczny może samo­dzielnie zwalczać rozprzestrzenianie się komórek nowotworowych i eli­minować nowotwory. Jednak guzy ewoluowały na wiele sposobów i nauczyły się tłumić układ odpor­nościowy, prowadząc do wzrostu i przerzutów komórek nowotwo­rowych. Jedną z takich strategii, jest wydzielanie kinureniny, która blokuje działanie komórek odpor­nościowych i utrudnia im nadzór. Enzym, PEG-KINaza, nie zabija bezpośrednio komórek nowotwo­rowych, ale powoduję degradację kinureniny oraz stymuluje układ immunologiczny do samodzielnego usuwania niechcianych komórek²⁹. Teraz badacze chcą rozpocząć ba­dania kliniczne, aby sprawdzić bez­pieczeństwo i skuteczność enzymu. 

Enzymoterapia - terapia z potencjałem

Enzymy rozpuszczają zwłóknienia i złogi, pozbawiają guzy aminokwa­sów, usuwają toksyczne metabolity powstałe w wyniku ich rozpadu, degradują szkodliwe aminokwa­sy (jak w przypadku kinureniny), zmuszają komórki do apoptozy, uwrażliwiają komórki rakowe na cy­tostatyki – to potężne leki, które, działając na wielu płaszczyznach, otwierają przed nami całkowicie nowe możliwości terapeutyczne, pod warunkiem, że nauczymy się, jak je kontrolować, tak by zachować sku­teczność i bezpieczeństwo leczenia.