In Silico Polypharmacological Profiling of Lupeol and 1-Heptatriacontanol from Probiotic Limosilactobacillus reuteri GM4 and Streptococcus equinus WC1 against Colorectal Cancer-Associated Targets

Kanker is een ziekte van kapotte signalen, waarbij cellen die zouden moeten stoppen met groeien, in plaats daarvan ongecontroleerd vermenigvuldigen. In de darm leidt deze ongecontroleerde groei tot colorectale kanker, een belangrijke doodsoorzaak wereldwijd. Hoewel de moderne geneeskunde behandelingen biedt zoals chirurgie en chemotherapie, kunnen deze benaderingen hard zijn, en vinden kankercellen vaak manieren om ertegen resistent te zijn. Dit heeft ertoe geleid dat wetenschappers op zoek gaan naar nieuwe oplossingen op onverwachte plaatsen, waaronder de biljoenen minuscule bacteriën die in de menselijke darm leven. Deze microben, bekend als het darmmicrobiota, doen meer dan alleen helpen bij de vertering van voedsel; ze produceren een enorme reeks chemische verbindingen die de menselijke gezondheid kunnen beïnvloeden. Sommige van deze bacteriële bijproducten hebben veelbelovende resultaten getoond in het bestrijden van ziekten, waarbij ze fungeren als natuurlijke instrumenten die op een dag kunnen helpen om te voorkomen dat kankercellen zich verspreiden of hen te dwingen te sterven.

Om te begrijpen hoe deze bacteriële chemicaliën zouden kunnen werken, maakten onderzoekers gebruik van een krachtige computergestuurde methode genaamd moleculaire docking. Stel je voor dat je probeert een sleutel te vinden die in een specifiek slot past; in het lichaam zijn de "sloten" eiwitten die celgroei controleren, en de "sleutels" zijn chemische moleculen. Als een molecuul strak in de actieve site van een eiwit past, kan het de manier waarop dat eiwit zich gedraagt veranderen. Door dit passende proces op een computer te simuleren, kunnen wetenschappers voorspellen welke bacteriële chemicaliën interactie kunnen hebben met de eiwitten die betrokken zijn bij colorectale kanker. Deze aanpak stelt onderzoekers in staat om duizenden potentiële kandidaten snel te screenen, waardoor de lijst wordt ingekort tot de meest veelbelovende voordat ze in een laboratorium of in levende organismen worden getest.

In een recente studie onderzochten onderzoekers Mona A. Ashour en Khaled Metwally van de Ain Shams Universiteit in Egypte deze mogelijkheid met behulp van twee specifieke stammen van gunstige bacteriën: Limosilactobacillus reuteri GM4 en Streptococcus equinus WC1. Deze bacteriën maken deel uit van de normale darmgemeenschap en staan bekend om hun vermogen om de gezondheid te ondersteunen. Het team kweekte deze bacteriën eerst in een gecontroleerde omgeving en verzamelde de vloeistof die zij produceerden, die de chemicaliën bevat die de bacteriën uitscheiden. Met behulp van een techniek die chemische stoffen identificeert op basis van hun gewicht en structuur, analyseerden zij het mengsel om te zien wat erin zat. Ze ontdekten dat de bacteriën verschillende complexe moleculen produceerden, maar twee vielen op als de meest overvloedige en interessante: een verbinding genaamd lupeol en een andere genaamd 1-heptatriacontanol. Lupeol maakte bijna 15 procent uit van de vluchtige chemicaliën van de ene stam, terwijl 1-heptatriacontanol ongeveer 5,5 procent in de andere vormde.

Met deze twee chemische stoffen geïdentificeerd, stelden de onderzoekers een cruciale vraag: zouden zij kunnen binden aan de eiwitten die colorectale kanker aanjagen? Ze selecteerden tien verschillende menselijke eiwitten die bekend staan om hun betrokkenheid bij de ontwikkeling van kanker, waaronder die welke celdeling controleren, hormonen beheren en beschadigd DNA repareren. Met behulp van computersimulaties modelleerden ze hoe lupeol en 1-heptatriacontanol zouden interageren met elk van deze tien doelwitten. De resultaten toonden een duidelijk verschil tussen de twee chemische stoffen. Lupeol was een veel betere pasvorm voor de kankerverwante eiwitten dan 1-heptatriacontanol. In acht van de tien gevallen bond lupeol sterker, waarbij de sterkte van de binding varieerde van matig tot zeer sterk. De sterkste interactie vond plaats met een eiwit genaamd HSD11B1, dat helpt bij het reguleren van stresshormonen in het lichaam. In de simulatie nestelde lupeol zich in de actieve site van dit eiwit met een bindingsenergie van negatief 11,0 kilocalorie per mol, een waarde die wijst op een zeer stabiele verbinding. In contrast hiermee had 1-heptatriacontanol, in essentie een lange, flexibele keten van koolstofatomen, moeite om stabiele verbindingen te vormen met de meeste doelwitten, en vertoonde vaak veel zwakkere bindingsscores.

De onderzoekers bestudeerden de details van deze interacties om te begrijpen waarom lupeol zo effectief was. Ze ontdekten dat lupeol een rigide, multi-ringstructuur heeft die werkt als een solide blok, waardoor het comfortabel in de holle zakken van de eiwitten kan nestelen. Het vormde talrijke contacten met de omliggende aminozuren, voornamelijk door hydrofobe interacties, wat krachten zijn die niet-waterminnende delen van moleculen bij elkaar duwen. In sommige gevallen, zoals met het eiwit CDC25B, vormde lupeol ook een specifieke waterstofbinding, een sterker type verbinding, met een enkel aminozuur in het eiwit. Deze combinatie van een solide vorm en meerdere contactpunten stelde lupeol in staat om stevig vast te houden. Aan de andere kant miste 1-heptatriacontanol, met zijn lange en slappe keten, de rigide structuur die nodig is om effectief op zijn plaats te vergrendelen. Het kon slechts zwakke, losse verbindingen vormen, wat verklaart waarom het slecht presteerde in de simulaties.

Een van de meest significante bevindingen was de potentiële impact op HSD11B1. Dit eiwit staat bekend om zijn betrokkenheid bij het metabool syndroom en is gelinkt aan de overleving van kankercellen. De simulatie suggereerde dat lupeol de activiteit van dit eiwit zou kunnen blokkeren, wat de signalen die kankercellen helpen groeien, zou kunnen verstoren. De studie benadrukte ook interacties met andere belangrijke doelwitten, zoals de androgeenreceptor, die betrokken is bij celgroei, en TRPM8, een kanaal dat kou en pijn waarneemt. Hoewel de computermodellen lieten zien dat lupeol in deze eiwitten zou kunnen passen, merkten de onderzoekers er zorgvuldig bij op dat dit voorspellingen zijn. De simulaties bewijzen niet dat lupeol daadwerkelijk deze eiwitten in een levend menselijk lichaam doet stoppen met werken, noch laten ze zien dat het kankercellen direct doodt. De studie stelt expliciet dat deze resultaten een startpunt zijn, een manier om hypothesen te genereren die getest moeten worden met echte experimenten in de praktijk.

De auteurs concludeerden dat hoewel beide chemicaliën uit dezelfde bron komen, lupeol de veel veelbelovendere kandidaat is voor verder onderzoek. Het vermogen om aan een breed scala aan kankerverwante eiwitten te binden, suggereert dat het via meerdere routes tegelijk zou kunnen werken, een strategie die nuttig kan zijn tegen complexe ziekten zoals kanker. Het artikel maakt echter duidelijk dat dit slechts de eerste stap is. De bevindingen zijn puur computationeel, gebaseerd op wiskundige modellen van hoe moleculen met elkaar kunnen interageren. Om van een computerscherm naar een echte behandeling te gaan, moeten wetenschappers deze interacties in een laboratorium bevestigen, testen hoe het lichaam de chemische stof verwerkt en zien of het daadwerkelijk de kankergroei vertraagt of stopt in levende systemen. Voor nu biedt de studie een overtuigende reden om nauwer te kijken naar de chemicaliën geproduceerd door darmbacteriën, wat suggereert dat de natuur mogelijk al enkele van de instrumenten heeft geleverd om ziekten te bestrijden, verborgen in het volle zicht binnen ons eigen microbioom.