Computational study of phytocompounds derived from Glycine max as potential inhibitors of Estrogen Receptor alpha of breast cancer

Stellen Sie sich den menschlichen Körper als eine geschäftige Stadt vor, in der Zellen die Bürger sind, die ständig Anweisungen erhalten, wann sie wachsen, wann sie ruhen und wann sie aufhören sollen. Manchmal bleibt eine spezifische Anweisung auf „wachsen“ hängen, was zu einer chaotischen Baustelle führt, die man Krebs nennt. In vielen Fällen von Brustkrebs wird dieses unkontrollierte Wachstum durch einen Hauptschalter namens Östrogenrezeptor-alpha (ERα) angetrieben. Betrachten Sie den ERα als ein hochmodernes Türschloss an der Haustür einer Zelle. Normalallerweise passt ein Schlüssel namens Östrogen in dieses Schloss, um die Tür für eine gesunde Entwicklung zu öffnen. Doch bei Krebs ist dieses Schloss in der Position „offen“ festgesteckt, was die Zelle dazu bringt, sich unkontrolliert zu vermehren. Um das Chaos zu stoppen, müssen Wissenschaftler einen „Dummy-Schlüssel“ oder einen Stopfen finden, der perfekt in das Schloss passt und es blockiert, sodass der echte Schlüssel nicht hineingelangen kann. Das ist die Aufgabe eines Wirkstoff-Inhibitors.

Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach diesen perfekten Stopfen und greifen dabei oft auf die Apotheke der Natur zurück – auf Pflanzen, die im Laufe der Evolution komplexe Chemikalien entwickelt haben, um mit lebenden Systemen zu interagieren. Eine solche Pflanze ist Glycine max, besser bekannt als Sojabohne. Sie ist vollgepackt mit natürlichen Verbindungen, die dem Östrogen ähneln, was sie zu interessanten Kandidaten macht, um gegen das ERα-Schloss zu testen. Das Testen jeder einzelnen Chemikalie einer Pflanze in einem echten Labor ist jedoch so, als würde man versuchen, eine bestimmte Nadel in einem Heuhaufen zu finden, indem man jeden Strohhalm mit einem riesigen Stock ansticht; es ist langsam, teuer und erfordert viele Tiere. Hier kommt die Informatik ins Spiel. Durch den Einsatz leistungsstarker Simulationen können Forscher ein virtuelles Labor aufbauen, in dem sie tausende Moleküle in Sekundenschnelle testen können, um zu sehen, welches am besten in das Schloss passt, noch bevor sie jemals ein Reagenzglas berühren. Dieser Ansatz, bekannt als „In-silico“-Forschung, fungt als ein superschneller Filter, der den Heuhaufen auf nur wenige vielversprechende Nadeln einschränkt.

In dieser Studie beschlossen Forscher, zu sehen, ob sie den ultimativen „Stopfen“ für das Brustkrebs-Schloss mithilfe der Sojapflanze finden könnten. Sie haben nicht einfach geraten; sie erstellten ein digitales Inventar von 84 verschiedenen chemischen Verbindungen, die in Glycine max vorkommen. Mithilfe eines virtuellen Screening-Tools simulierten sie, wie jedes dieser 84 Moleküle versuchen würde, in das ERα-Schloss zu schlüpfen. Es war, als würde man einen massiven Schlüsselbund aus 84 verschiedenen Schlüsseln an ein digitales Modell des Schlosses halten, um zu sehen, welche den Mechanismus am effektivsten drehen.

Die Ergebnisse waren spannend. Von den 84 Kandidaten stachen zwei spezifische Verbindungen als Champions hervor: Beta-Amyrin und Pseudotaraxasterol. In der Computersimulation zeigten diese beiden Moleküle eine Bindungsaffinität von -10,3 kcal/mol, was eine schicke Art und Weise ist zu sagen, dass sie unglaublich fest am Schloss hafteten. Um dies einzuordnen, verglichen die Forscher sie mit Tamoxifen, einem bekannten, real existierenden Medikament, das derzeit zur Behandlung dieser Art von Krebs eingesetzt wird. Tamoxifen erreichte einen Wert von -6.8 kcal/mol. In der Welt der molekularen Schlösser bedeutet eine negativere Zahl einen festeren, stärkeren Griff. Diese beiden aus der Sojabohne gewonnenen Verbindungen umarmten das Schloss im virtuellen Test im Wesentlichen viel fester als das aktuelle Standardmedikament.

Doch fest zu haften reicht nicht aus; der Stopfen muss auch dort bleiben, wenn sich die Zelle bewegt und schüttelt. Um dies zu überprüfen, führten die Forscher eine 100-Nanosekunden-Molekulardynamik-Simulation durch. Stellen Sie sich dies als einen Hochgeschwindigkeitsfilm in Zeitlupe vor, bei dem man beobachtet, wie der Schlüssel und das Schloss gemeinsam tanzen. Sie verfolgten, wie stabil die Verbindung war, indem sie Messungen wie RMSD (das prüft, ob der Schlüssel zu sehr wackelt) und Rg (das prüft, ob die gesamte Struktur kompakt bleibt) verwendeten. Die Simulation zeigte, dass Beta-Amyrin und Pseudotaraxasterol ihre Position bemerkenswert gut hielten, stabil und fest verriegelt blieben, während das Kontrollmedikament in der virtuellen Umgebung mehr Wackeln und Instabilität aufwies. Sie berechneten auch die Energie, die erforderlich ist, um sie zu trennen (MM/PBSA), und fanden heraus, dass die Soja-Verbindungen viel höhere Bindungsenergien (103,348 kJ/mol und 115,638 kJ/mol) aufwiesen als die 20,247 kJ/mol der Kontrolle, was darauf hindeutet, dass sie viel schwerer zu lösen sind.

Bevor sie feierten, mussten die Forscher sicherstellen, dass diese neuen „Schlüssel“ auch sicher sind. Sie unterzogen die Verbindungen einer digitalen Sicherheitsprüfung, um zu sehen, ob sie wie ein gutes Medikament oder wie ein Gift wirken würden. Sie prüften Dinge wie, ob der Körper sie aufnehmen könnte, ob sie in der Leber stecken bleiben würden oder ob sie selbst Krebs verursachen könnten. Die Ergebnisse waren vielversprechend: Beide Verbindungen folgten den „Regeln“ für einen guten Medikamentenkandidaten (Lipinskis Regel der fünf), was bedeutet, dass sie die richtige Größe und Form haben, um vom Körper aufgenommen zu werden. Sie zeigten in den Computermodellen keine Anzeichen von Toxizität, Karzinogenität oder Mutagenität. Interessanterweise merkte die Studie an, dass sie zwar gute Kandidaten für eine orale Verabreichung sind, aber möglicherweise nicht die Besten darin sind, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden; da das Ziel jedoch das Brustgewebe und nicht das Gehirn ist, war dies kein Ausschlusskriterium.

Die Autoren weisen vorsichtig darauf hin, dass dies eine Geschichte ist, die ausschließlich von Computern erzählt wird. Während die virtuellen Ergebnisse nahelegen, dass Beta-Amyrin und Pseudotaraxasterol starke Inhibitoren sein könnten, die potenziell Brustkrebs behandeln können, indem sie das ERα-Schloss blockieren, sind diese Befunde derzeit nur ein sehr starker Hinweis. Die Arbeit stellt explizit klar, dass diese Verbindungen noch nicht in einer echten Petrischale (in vitro) oder in einem lebenden Organismus (in vivo) getestet wurden. Der „Beweis“ existiert nur in den Simulationsdaten. Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass diese beiden Soja-Derivate hervorragende Kandidaten sind, um zur nächsten Testphase überzugehen, in der reale Experimente bestimmen werden, ob sie in einem lebenden Körper tatsächlich das Krebswachstum stoppen können. Bis dahin bleiben sie die vielversprechendsten „digitalen Nadeln“, die im Heuhaufen der Sojabohne gefunden wurden.