Inflammasom NLRP3 pod kontrolą peptydu – wyniki badań nad astmą alergiczną

Naukowcy z Universität Bonn i Forschungszentrum Borstel, Leibniz Lungenzentrum opisali nieznany wcześniej mechanizm, dzięki któremu syntetyczny peptyd Pep19-2.5 ogranicza nadmierną reakcję zapalną związaną z astmą alergiczną. Badana cząsteczka oddziałuje na błony komórek odpornościowych i hamuje aktywację inflammasomu NLRP3 – jednego z kluczowych regulatorów odporności wrodzonej. Wyniki uzyskano w doświadczeniach na ludzkich komórkach oraz w mysim modelu astmy wywoływanej przez alergeny roztoczy kurzu domowego. Badanie ma charakter przedkliniczny, ale wskazuje nowy kierunek poszukiwania terapii przewlekłych chorób zapalnych dróg oddechowych.

Inflammasom NLRP3 jako regulator zapalenia

Przewlekłe zapalenie dróg oddechowych, występujące między innymi w astmie alergicznej, rozwija się w wyniku złożonego współdziałania komórek odpornościowych, mediatorów zapalnych, czynników środowiskowych i predyspozycji biologicznych pacjenta. W przebiegu choroby odporność wrodzona może utracić właściwą równowagę i reagować nadmiernie na bodźce, które u osób zdrowych nie wywołują tak silnej odpowiedzi.

Istotnym elementem tej nieprawidłowej reakcji jest inflammasom NLRP3 – wewnątrzkomórkowy kompleks białkowy wykrywający sygnały zagrożenia i uruchamiający reakcję zapalną. Po aktywacji inflammasom sprzyja dojrzewaniu i uwalnianiu cytokin prozapalnych oraz może nasilać napływ komórek odpornościowych do tkanek.

Mechanizm ten jest potrzebny do prawidłowej obrony organizmu. Problem pojawia się jednak wtedy, gdy inflammasom pozostaje nadmiernie lub przewlekle aktywny. W takich warunkach może podtrzymywać proces zapalny i przyczyniać się do uszkodzenia tkanek.

Z tego powodu NLRP3 jest rozpatrywany jako potencjalny cel farmakologiczny w leczeniu przewlekłych chorób zapalnych. Zahamowanie jego nadmiernej aktywacji mogłoby ograniczać zapalenie bez całkowitego wyłączania mechanizmów obronnych organizmu.

Peptyd Pep19-2.5 i błony komórek odpornościowych

Zespół z Forschungszentrum Borstel, Leibniz Lungenzentrum i Universität Bonn, współpracujący z badaczami z Universitätsklinikum Bonn, Universität Graz oraz Queen’s University Belfast, przeanalizował działanie syntetycznego peptydu Pep19-2.5.

Pep19-2.5 należy do grupy peptydów aktywnych błonowo. Cząsteczki tego rodzaju mogą wiązać się z lipidami tworzącymi błony biologiczne. Początkowo peptyd badano przede wszystkim ze względu na jego zdolność oddziaływania z błonami drobnoustrojów i neutralizowania składników bakteryjnych pobudzających układ odpornościowy.

Autorzy badania wykazali jednak, że Pep19-2.5 może oddziaływać również z błonami ludzkich komórek odpornościowych. Ma to szczególne znaczenie, ponieważ jeden z kluczowych etapów aktywacji inflammasomu NLRP3 zachodzi na wewnętrznych strukturach błonowych komórki, w tym w obrębie sieci trans-Golgiego.

Nie jest to klasyczny mechanizm „klucza i zamka”, w którym niewielka cząsteczka wiąże się bezpośrednio z pojedynczym białkiem. Pep19-2.5 wpływa na środowisko lipidowe błony, a poprzez zmianę jej właściwości oddziałuje na przebieg procesu zapalnego.

Badania na ludzkich komórkach odpornościowych

W pierwszej części eksperymentów badacze oceniali działanie peptydu w warunkach in vitro, wykorzystując linie komórkowe oraz pierwotne ludzkie komórki odpornościowe. Szczególną uwagę poświęcono monocytom i makrofagom.

Monocyty krążą we krwi i mogą przemieszczać się do tkanek, gdzie różnicują się między innymi w makrofagi. Makrofagi pełnią ważną funkcję w płucach: rozpoznają drobnoustroje i uszkodzone komórki, usuwają materiał obcy oraz uczestniczą w inicjowaniu i wygaszaniu reakcji zapalnych.

Naukowcy wywoływali aktywację inflammasomu za pomocą substancji uruchamiającej wewnątrzkomórkowy szlak zapalny. Następnie krok po kroku analizowali poszczególne etapy aktywacji NLRP3, poszukując punktu, w którym działa Pep19-2.5.

Przy zastosowaniu czułych metod biofizycznych, modeli błon komórkowych i żywych komórek zidentyfikowano strukturę będącą celem działania peptydu. Badanie wykazało, że wpływ Pep19-2.5 na lipidy błonowe może hamować dalszą aktywację inflammasomu.

Efekt nie ograniczał się do reakcji wywołanej przez modelową substancję laboratoryjną. Podobne działanie obserwowano po zastosowaniu ekstraktu roztoczy kurzu domowego. Alergen ten może silnie pobudzać odpowiedź zapalną komórek odpornościowych, a u osób uczulonych uczestniczy w rozwoju zapalenia dróg oddechowych i objawów astmy.

Wyniki w modelu astmy wywoływanej przez roztocze

W drugiej części badania działanie Pep19-2.5 oceniono w mysim modelu astmy wywoływanej przez alergeny roztoczy kurzu domowego. Peptyd podawano przez drogi oddechowe w postaci preparatu donosowego.

Podanie Pep19-2.5 hamowało aktywację inflammasomu NLRP3. Efekt ten wiązał się ze zmniejszeniem uwalniania mediatorów prozapalnych zarówno w ludzkich komórkach odpornościowych, jak i w modelu zwierzęcym.

U zwierząt otrzymujących peptyd stwierdzono również osłabienie reakcji zapalnej w drogach oddechowych oraz poprawę czynności płuc. Wyniki wskazują, że wpływ na organizację lipidów błonowych może przekładać się na mierzalne zmiany fizjologiczne w układzie oddechowym.

Możliwe znaczenie terapeutyczne

Znaczenie odkrytego mechanizmu może wykraczać poza astmę wywoływaną przez alergeny roztoczy kurzu domowego. Inflammasom NLRP3 uczestniczy również w patofizjologii innych przewlekłych chorób zapalnych, w tym części chorób układu sercowo-naczyniowego, procesów neurozapalnych oraz nieswoistych chorób zapalnych jelit.

Günther Weindl z Pharmazeutisches Institut Universität Bonn podkreślił, że zastosowanie peptydu do kontrolowania inflammasomu stanowi całkowicie nowe podejście farmakologiczne. Dotychczas poszukiwania inhibitorów NLRP3 koncentrowały się przede wszystkim na małych cząsteczkach syntetycznych, zaprojektowanych do bezpośredniego wiązania się z określonym celem molekularnym.

Peptyd o właściwościach zbliżonych do naturalnych cząsteczek biologicznych może stanowić alternatywną platformę terapeutyczną. Jego działanie polegałoby nie na bezpośrednim blokowaniu pojedynczego enzymu, lecz na modyfikowaniu właściwości błony, od których zależy prawidłowe złożenie i aktywacja kompleksu NLRP3.

Takie podejście rodzi jednak również pytania dotyczące selektywności. Lipidy błonowe uczestniczą w wielu podstawowych procesach komórkowych, dlatego przyszłe badania powinny wykazać, czy wpływ peptydu pozostaje dostatecznie ograniczony do pożądanego szlaku zapalnego i nie zaburza innych funkcji komórek.

Pochodzenie peptydu i finansowanie badania

Pep19-2.5, znany również pod nazwą Aspidasept, został opracowany w Forschungszentrum Borstel, Leibniz Lungenzentrum. Początkowo rozwijano go z myślą o leczeniu zakażeń ogólnoustrojowych, w tym sepsy, oraz zakażeń skóry i tkanek miękkich.

Odkrycie, że peptyd może działać jako inhibitor inflammasomu NLRP3, otwiera dla tej stosunkowo dobrze poznanej cząsteczki nowe możliwe zastosowanie terapeutyczne. Dla nowo opisanej funkcji Pep19-2.5 jako inhibitora inflammasomu złożono zgłoszenie patentowe.

Badanie zostało sfinansowane przez Deutsche Forschungsgemeinschaft w ramach Graduiertenkolleg GRK2873, European Research Council oraz Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder w ramach Exzellenzcluster ImmunoSensation. Dodatkowego wsparcia udzieliły Leibniz-Forschungsallianz „Leibniz Health Technologies” oraz Studienstiftung des deutschen Volkes.

Źródło: Advanced Science, Membrane-Active Peptide Protects Against Inflammation by Targeting NLRP3 Activation at the Trans-Golgi Network.
DOI: https://doi.org/10.1002/advs.76587