La fotofarmacologia è un nuovo campo della medicina con un futuro brillante. Grazie ad essa, malattie come il cancro potrebbero essere trattate in modo ancora più efficace rispetto ai farmaci attuali. I farmaci fotofarmacologici sono dotati di un interruttore sensibile alla luce. L’ingrediente attivo viene attivato da un impulso di luce solo quando è arrivato nel punto in cui deve agire nell’organismo. Una volta che ha svolto il suo compito, può essere nuovamente disattivato da un altro impulso luminoso.
Ciò contribuisce a limitare i possibili effetti collaterali e a ridurre lo sviluppo di resistenze, ad esempio agli antibiotici.
Farmaci con interruttore fotosensibile
Per renderli sensibili alla luce, nei principi attivi convenzionali viene incorporato un interruttore molecolare che reagisce alla luce. Per la loro analisi, i ricercatori, guidati da Maximilian Wranik, principale autore dello studio, e Jörg Standfuss, hanno utilizzato il principio attivo combretastatina A-4, attualmente in fase di sperimentazione clinica come farmaco antitumorale. Si lega alla tubulina, una proteina che si assembla per formare i microtubuli. Questi formano la struttura di base delle cellule dell’organismo e promuovono anche la divisione cellulare. La Combretastatina A-4 (abbreviata in CA4) destabilizza i microtubuli e può quindi bloccare la divisione incontrollata delle cellule tumorali, rallentandone la crescita.
La molecola di CA4 modificata è completata da un ponte composto da due atomi di azoto, che la rende particolarmente fotosensibile. Allo stato inattivato, questo ponte azoico tiene uniti i componenti molecolari in una catena allungata. Quando reagisce a un impulso luminoso, il composto si piega e avvicina le due estremità della catena, come un muscolo che contrae e flette un’articolazione. Il punto chiave è che quando adotta la forma allungata, la molecola non può inserirsi nei siti di legame della tubulina, che sono cavità sulla superficie della proteina a cui la molecola si lega per esercitare il suo effetto. Tuttavia, quando adotta la forma curva, può inserirsi perfettamente all’interno come una chiave in una serratura. Queste molecole, così specificamente adattate ai corrispondenti siti di legame, sono chiamate ligandi.
L’eroe del film: un possibile agente antitumorale
Ma i processi in atto vanno ben oltre il semplice principio della serratura, come dimostra lo studio: "Contrariamente a quanto si legge in letteratura, qui la chiave e la serratura si comportano in modo dinamico e cambiano continuamente forma", spiega Maximilian Wranik. La proteina nel suo complesso è tutt’altro che statica. Spesso i siti di legame sono appena socchiusi, il ligando vi si lega solo brevemente e poi si stacca di nuovo, prima di poter dispiegare completamente il suo effetto. Oppure si verifica un "adattamento indotto", secondo il motto: "Quello che non va bene, lo facciamo andare bene". Il ligando deforma il sito in modo da potersi insediare e rimanere lì. I ricercatori hanno ora filmato virtualmente come, una volta disattivato, il ligando passi dalla forma piegata a quella allungata e come la cavità del sito di legame si adatti a questa forma fino a un certo punto, prima che il ligando si stacchi di nuovo. Poi la cavità collassa e si riformerà nel tempo. È chiaro che più la forma del ligando si adatta, più a lungo rimane agganciato.
In ogni caso, la conoscenza più precisa di questi processi, appena visualizzati per la prima volta, offre la possibilità di progettare principi attivi con una forma più adatta, migliorando così il tempo di legame e l’efficacia di un farmaco.
Determinazione della struttura su una nuova scala
I processi si svolgono in millisecondi a livello atomico. Per osservarli, i ricercatori hanno utilizzato le grandi strutture di ricerca ultraprecise del PSI, uniche al mondo in questa combinazione: la sorgente di luce svizzera SLS e il laser svizzero a elettroni liberi a raggi X SwissFEL. Queste strutture non solo consentono di effettuare riprese individuali su scale temporali e dimensionali minime, ma le numerose riprese ottenute possono anche essere montate insieme per creare un film. "Abbiamo scattato nove foto tra un nanosecondo e 100 millisecondi dopo la disattivazione dell’ingrediente attivo", spiega il responsabile del progetto Jörg Standfuss. È in questo intervallo di tempo che avvengono i processi fotobiologici più importanti.
Tra le altre cose, il suo team ha utilizzato l’SLS per analizzare la struttura delle molecole coinvolte fino al livello atomico e ha usato lo SwissFEL per misurare i processi con una precisione di 100 femtosecondi, cioè un decimo di miliardesimo di secondo. "Senza l’eccellente supporto e la collaborazione degli specialisti di SwissFEL e SLS, la realizzazione di un progetto così unico non sarebbe stata possibile", afferma Jörg Standfuss.
Filmare i principi attivi contro la gotta o la Covid-19
Poter filmare i principi attivi in funzione apre già la possibilità di acquisire molte conoscenze importanti nel campo della medicina: "Naturalmente, vogliamo anche vedere cosa succede dopo l’attivazione del principio attivo", spiega Jörg Standfuss. Ma questo è più complicato. Pertanto, esamineremo questo aspetto in una seconda fase". Inoltre, lo studio si concentra solo su uno dei numerosi siti di legame noti della tubulina. Tuttavia, non si tratta solo di un sito di aggancio per i farmaci antitumorali. Allo stesso sito si legano anche principi attivi come la colchicina, utilizzata per il trattamento della gotta e di altre malattie reumatiche infiammatorie, e la sabizabulina, un nuovo farmaco in fase di sviluppo per la lotta contro la Covid-19. Questo nuovo metodo permetterebbe di visualizzare altri principi attivi e altri siti. La speranza, riassume Jörg Standfuss, è che questo metodo aiuti la ricerca clinica a sviluppare trattamenti più efficaci per un’ampia gamma di malattie. "Con l’aiuto delle nostre grandi strutture di ricerca, vogliamo aprire una nuova dimensione temporale nella determinazione delle strutture dei principi attivi, in modo da poterli comprendere e ottimizzare ancora meglio", conclude.
Testo: Jan Berndorff
