Computationally guided inhibition of the HIF-1α–CBP/p300 coactivator interface suppresses hypoxia signaling in Caki-1 renal carcinoma cells

Diep binnen het menselijk lichaam houden cellen constant de lucht in de gaten die ze inademen. Wanneer het zuurstofgehalte daalt, wordt er binnen de cel een hoofdschakelaar omgezet, wat een overlevingsprogramma activeert dat de weefsels helpt zich aan te passen aan de zuurstofarme omgeving. Deze schakelaar is een eiwit genaamd HIF-1. Onder normale omstandigheden houdt het lichaam deze schakelaar uitgeschakeld, maar bij bepaalde kankers staat de schakelaar vast in de "aan"-positie. Dit dwingt de kanker om nieuwe bloedvaten aan te leggen en van metabolisme te veranderen om te blijven groeien, zelfs wanneer zuurstof schaars is. Om deze schakelaar aan te zetten, moet HIF-1 fysiek contact maken met een helpereiwit, een moleculaire partner die fungeert als een co-piloot om de genetische instructies te starten. Als wetenschappers een manier zouden vinden om te voorkomen dat HIF-1 deze partner grijpt, zouden ze het overlevingsprogramma van de kanker kunnen uitschakelen zonder gezonde cellen te schaden.

Een team onderzoekers aan de King Khalid Universiteit in Saoedi-Arabië heeft een belangrijke stap gezet richting het vinden van een dergelijke blokkade. Ze richtten zich op de specifieke plek waar HIF-1 zich aan de helper hecht, een gebied dat bekend staat als de interface. Jarenlang geloofden wetenschappers dat dit type verbinding te glad en vormloos was om te worden gestopt door een klein medicijnmolecuul. Recente ontwikkelingen suggereren echter dat deze oppervlakken kleine, verborgen holtes hebben waar een medicijn zich in kan wringen. De onderzoekers gingen op zoek naar een molecuul dat in deze holte op het helpereiwit zou kunnen passen, om zo HIF-1 effectief te verdringen en de verbinding te verbreken.

Om een kandidaat te vinden, begon het team niet aan een fysieke laboratoriumtafel, maar met een krachtige computer. Ze bouwden een digitaal model van het oppervlak van het helpereiwit en scanden een enorme bibliotheek van ongeveer 250.000 verschillende natuurproduct-achtige verbindingen. Stel je voor dat je een enorme digitale opslagplaats van chemische structuren doorzoekt om de enige te vinden die in een specifieke slot past. De computer rangschikte deze verbindingen op basis van hoe goed ze in de holte leken te passen. Eén molecuul, genaamd SIHC926, kwam naar voren als de belangrijkste kandidaat. De onderzoekers voerden vervolgens een gedetailleerde computersimulatie van 100 nanoseconden uit om te zien of dit molecuul op zijn plaats zou blijven of zou wegdriften. De simulatie toonde aan dat SIHC926 stevig verankerd bleef in de voorspelde holte en stabiele verbindingen vormde met het oppervlak van het eiwit.

Met een veelbelovende digitale kandidaat in handen, ging het team naar het laboratorium om te testen of het in de echte wereld werkte. Ze testten het molecuul eerst op een gezuiverde versie van het helpereiwit in een reageerbuis. De resultaten waren bemoedigend: SIHC926 stopte succesvol de hechting van HIF-1 aan de helper. Sterker nog, het was effectiever in deze specifieke taak dan YC-1, een bekend medicijn dat voor vergelijking werd gebruikt, omdat het een lagere concentratie vereiste om hetzelfde niveau van inhibitie te bereiken. Vervolgens gingen de onderzoekers over naar levende cellen, specif도 een type nierkankercel dat bekend staat als Caki-1. Wanneer deze cellen in een zuurstofarme omgeving werden geplaatst om een tumor na te bootsen, activeren ze normaal gesproken hun overlevingsgenen. Echter, wanneer ze werden behandeld met SIHC926, daalde deze genetische activiteit aanzienlijk. De cellen produceerden ook minder van een eiwit genaamd VEGF, dat verantwoordelijk is voor het aanleggen van nieuwe bloedvaten, een belangrijke manier waarop tumoren zichzelf voeden.

De effecten van het molecuul gingen verder dan alleen het stoppen van de genetische schakelaar. De behandelde kankercellen begonnen sneller af te sterven dan onbehandelde cellen, waarbij tekenen van geprogrammeerde celdood en een toename van schadelijke interne oxidatie zichtbaar waren. De concentratie die nodig was om de helft van de kankercellen te doden was ongeveer 2,29 micromolair, wat een zeer kleine hoeveelheid is, wat suggereert dat het molecuul zeer potent is. Hoewel het molecuul beter presteerde dan het vergelijkingsmedicijn in deze specifieke tests, merkten de onderzoekers er voorzichtig bij op dat dit nog niet betekent dat het een genezing is. De studie was ontworpen als een eerste bewijs van concept (proof of concept), om aan te tonen dat een door de computer ontworpen molecuul fysiek kan interfereren met deze specifieke eiwitinteractie en ervoor kan zorgen dat kankercellen in moeilijkheden komen.

Ondanks deze veelbelovende resultaten benadrukken de auteurs dat er nog veel werk te doen is. De experimenten werden uitgevoerd op één enkel type nierkankercel, en het molecuul is nog niet getest op dieren of mensen. Bovendien, hoewel de computermodellen en laboratoriumexperimenten sterk suggereren dat het molecuul bindt aan het beoogde doelwit, is direct bewijs van deze binding in een levende menselijke cel nog nodig. De onderzoekers merkten ook op dat het vermogen van het molecuul om cellen te doden deels te kunnen komen door algemene toxiciteit in plaats van alleen door zijn specifieke werking op de HIF-1 schakelaar. Desalniettemin biedt dit werk een concreet startpunt. Het demonstreert dat de HIF-1 overlevingsschakelaar kwetsbaar is voor kleine moleculen en biedt een specifieke chemische structuur, SIHC926, die wetenschappers nu verder kunnen verfijnen en testen. Als toekomstige studies de veiligheid en specificiteit bevestigen, zou deze aanpak kunnen leiden tot een nieuwe klasse medicijnen die tumoren uithongeren door hun zuurstofgevoelige levenslijn door te snijden.