Immagine microscopica del sarcoma di Ewing, un tipo di cancro pediatrico che si forma nell’osso o nei tessuti molli. Credito: LindseyRN/Shutterstock
Le oncoproteine di fusione, come quelle che causano il raro cancro sarcoma di Ewing, sono bersagli promettenti per nuovi farmaci antitumorali. Tuttavia, la natura di queste molecole anomale pone sfide nella scoperta e nello sviluppo di farmaci.
A volte due cose buone sono terribili se combinate. Considerate i geni EWSR1 e FLI1, che svolgono ruoli indipendenti, ma importanti nella regolazione della crescita e della proliferazione cellulare. In rare occasioni, i cromosomi che portano EWSR1 e FLI1 si scambiano frammenti di DNA, combinando componenti di questi geni per produrre un gene ibrido innaturale che codifica una “oncoproteina di fusione” nota come EWS::FLI1, che ha potenti proprietà tumorigeniche. La neoplasia risultante, il sarcoma di Ewing, un tipo di cancro alle ossa o ai tessuti molli, colpisce principalmente bambini e adolescenti. Sebbene la terapia iniziale offra attualmente un tasso di sopravvivenza a cinque anni dell’82%, un quarto di tutti i pazienti alla fine ricadrà con malattia metastatica e attualmente non ci sono opzioni efficaci per il trattamento di follow-up.
Il Pediatric Cancer Research Group (PCRG) all’interno del Child Health Research Institute è una partnership tra l’University of Nebraska Medical Center (UNMC) e il Children’s Nebraska. Il PCRG riunisce ricercatori di tumori pediatrici per accelerare i progressi nei trattamenti attraverso una collaborazione multidisciplinare. Il PCRG sta lavorando per sviluppare farmaci che potrebbero riscrivere la prognosi dei pazienti con sarcoma di Ewing e, così facendo, spera di creare un modello più ampio per affrontare altri tumori pediatrici difficili da trattare causati da oncoproteine di fusione.
Obiettivi unici
Questo sforzo è stato avviato dagli scienziati dell’UNMC Amar Natarajan, un chimico specializzato nello sviluppo di farmaci e Gargi Ghosal, un genetista che studia le cause e le conseguenze del danno genomico. “Volevamo sviluppare strategie che non erano state testate, per creare nuovi composti che potessero effettivamente colpire EWS-FLI1”, afferma Ghosal.
In un certo senso, le oncoproteine di fusione come EWS::FLI1 sono un bersaglio ideale per i farmaci antitumorali. “Sono uniche per la cellula cancerosa”, spiega Natarajan, il che significa che gli agenti che prendono di mira questa proteina dovrebbero lasciare intatte le cellule sane, consentendo un dosaggio più aggressivo con una tossicità inferiore. Ma pongono anche una serie di sfide spinose. “Queste sono proteine intrinsecamente disordinate”, afferma Natarajan. “Non hanno tasche di legame definite”. Ciò le pone fuori dalla portata delle strategie convenzionali di scoperta di farmaci, che mirano a identificare molecole che si legano fortemente e selettivamente a siti funzionali critici su una proteina bersaglio.
Per affrontare questa combinazione unica e potenzialmente mortale, Natarajan e Ghosal hanno assemblato una potente combinazione tutta loro, lavorando con il Direttore del PCRG, Don Coulter. Questo team eterogeneo di ricercatori, con le competenze necessarie per sviluppare farmaci candidati efficaci per obiettivi difficili, è diventato il Nebraska Pediatric Drug Discovery Group (NPDDG). La rete NPDDG comprende complessivamente 12 laboratori, specializzati in settori quali chimica farmaceutica, biologia strutturale, biologia computazionale e modelli animali, insieme a un team di oncologia pediatrica di livello mondiale presso l’UNMC. Questo è uno dei numerosi gruppi di ricerca collaborativi che sono stati formati attraverso le connessioni create all’interno del PCRG. “La ricerca scientifica è normalmente svolta in modo un po’ isolato“, afferma Natarajan. “La bellezza del gruppo è che persone con background diversi lavorano insieme e cercano di affrontare i problemi a valle in anticipo“.
NPDDG sta utilizzando tutti gli strumenti a sua disposizione per progettare farmaci candidati pronti per la sperimentazione clinica che mostrino una potente attività contro il sarcoma di Ewing. EWS::FLI1 provoca scompiglio attraverso le sue interazioni con altre proteine nella cellula, alterando l’espressione di geni che alimentano la proliferazione cellulare incontrollata e la progressione del tumore. Il team inizierà quindi utilizzando metodi sperimentali come la spettrometria di massa per identificare quali segmenti dell’oncoproteina di fusione interagiscono con altre molecole.
Tali interazioni possono bloccare proteine altrimenti disordinate in una struttura definita, il che semplifica la comprensione della funzione della proteina e la progettazione di terapie mirate. Natarajan afferma che la rete UNMC cercherà di modellare queste configurazioni di EWS::FLI1 e dei suoi partner di legame utilizzando metodi computazionali all’avanguardia come AlphaFold, uno strumento software basato sull’intelligenza artificiale in grado di prevedere le strutture di proteine e complessi proteici con notevole accuratezza. Questo approccio può aiutare a identificare sacche transitorie nell’oncoproteina di fusione che potrebbero essere bersaglio di agenti chimici. Natarajan afferma che la rete UNMC simulerà e prevederà computazionalmente il legame di un gran numero di possibili candidati farmaci a EWS::FLI1 con un altro strumento basato sull’intelligenza artificiale chiamato VirtualFlow, sviluppato nel laboratorio del collaboratore esterno Haribabu Arthanari presso il Dana-Farber Cancer Institute. “In realtà è possibile esaminare miliardi di composti“, afferma Natarajan. I candidati più promettenti di questo processo di “screening virtuale” saranno valutati sperimentalmente dal team di Ghosal utilizzando modelli di xenotrapianti derivati da pazienti, in cui cellule tumorali umane vengono impiantate nei topi, generando surrogati animali vivi per casi di cancro reali.
Il Nebraska Pediatric Drug Discovery Group è stato fondato come gruppo dedicato alla “chimica di nuova generazione” incentrato sulle oncoproteine di fusione. Credito: University of Nebraska Medical Center.
Il laboratorio di Natarajan è principalmente focalizzato sullo sviluppo dei farmaci candidati stessi. “Possiamo praticamente realizzare qualsiasi molecola di cui si abbia bisogno”, afferma, “e siamo interessati a costruire piccole molecole con molte diverse modalità terapeutiche“. Tra queste ci saranno farmaci convenzionali che si legano in modo reversibile al loro bersaglio, così come farmaci “covalenti” che si legano in modo permanente a EWS::FLI1. Natarajan afferma che quest’ultima categoria di agenti può potenzialmente indurre una serie di risultati benefici oltre all’inattivazione del loro bersaglio proteico, come l’elicitazione di una potente risposta immunitaria antitumorale o l’induzione di una crisi fatale nelle cellule tumorali promuovendo l’accumulo di proteine inattive e non ripiegate. Altre possibili strategie includono l’uso di categorie di farmaci emergenti come i “PROTAC”, chimere che mirano alla proteolisi, che inducono la modifica delle proteine bersaglio con un tag biochimico che le contrassegna per una rapida degradazione.
Il team ha recentemente completato il primo ciclo di screening dei farmaci candidati e Ghosal afferma di aver già identificato tre composti promettenti con una varietà di meccanismi d’azione. È in corso anche un secondo ciclo di sintesi e screening dei composti. Tuttavia, avverte che è improbabile che un farmaco identificato da questo processo possa dare un colpo mortale al sarcoma di Ewing da solo. “Non credo che si possa più curare il cancro con un singolo agente“, afferma, “osservando che i trattamenti moderni più efficaci sono in genere somministrati come terapie combinate”.
EWS::FLI1 offre un banco di prova eccellente per questo flusso di lavoro di sviluppo di farmaci perché il sarcoma di Ewing non è esclusivamente un tumore pediatrico, ma si manifesta anche nei giovani adulti. “È piuttosto impegnativo sviluppare farmaci specificamente per i bambini“, afferma Natarajan. “La maggior parte dei farmaci viene sviluppata per gli adulti e poi, una volta che hanno un farmaco approvato che non è tossico, si capisce la dose che funziona nei bambini”. Ma lui e Ghosal sperano che le lezioni apprese da questo processo aiuteranno anche a guidare la scoperta di terapie efficaci per altri tumori pediatrici che derivano da oncoproteine di fusione, come il rabdomiosarcoma e il sarcoma sinoviale.
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Natarajan spera anche di sfruttare una campagna di scoperta di farmaci di successo contro EWS::FLI1 in finanziamenti federali che possano sostenere il funzionamento a lungo termine e la crescita della loro rete come gruppo dedicato di “chimica di nuova generazione” focalizzato sulle oncoproteine di fusione. “Ma vogliamo arrivarci in modo metodico“, afferma. “L’obiettivo non è la velocità, l’obiettivo è il rigore e assicurarci di fare le cose per bene“.
Fonte: Nature