Integrierte Plattform verspricht, den Prozess der Arzneimittelentdeckung zu beschleunigen

Ein neuer Ansatz, der Molekularbiologie, analytische Chemie und Bioinformatik nutzt, um Informationen aus verschiedenen Screening-Plattformen zu integrieren, bewältigt einige der größten Herausforderungen bei der Entdeckung von Naturstoffen und Arzneimitteln, heißt es in einer am 30. November veröffentlichten Studie Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Eine große Herausforderung bestand darin, den Wirkmechanismus und das biologische Ziel einer neuen bioaktiven Verbindung zu bestimmen. Eine weitere zentrale Herausforderung besteht darin, das Molekül oder die Moleküle zu identifizieren, die die biologische Aktivität in einem komplexen Gemisch aus der Natur steuern.

„Diese beiden großen Konzepte standen im Mittelpunkt unseres Kooperationsprogramms, und dieser Artikel führt diese beiden Fragen in einem vollständig integrierten Ansatz zusammen“, sagte der korrespondierende Autor John MacMillan, Professor für Chemie und Biochemie an der UC Santa Cruz.

An der Zusammenarbeit sind neben MacMillan auch Scott Lokey, Professor für Chemie und Biochemie und Direktor des Chemical Screening Center an der UC Santa Cruz, Roger Linington von der Simon Fraser University in British Columbia und Michael White vom Southwestern Medical Center der University of Texas beteiligt.

Durch die Integration der Ergebnisse zweier völlig unterschiedlicher Screening-Plattformen und die Kombination mit der Metabolomics-Analyse der nächsten Generation ihrer Naturstoffbibliotheken schufen die Forscher einen einzigartigen und leistungsstarken Rahmen für die biologische Charakterisierung von Naturstoffen. Mithilfe dieses Ansatzes zum Screening einer kleinen Sammlung zufällig ausgewählter mikrobieller Naturstofffraktionen konnten sie eine bekannte Verbindung (Trichostatin A) identifizieren und ihren Wirkungsmechanismus bestätigen; eine bekannte Verbindung (Surugamid) mit einer neuen biologischen Aktivität verknüpfen (Cyclin-abhängige Kinase-Hemmung); und entdecken Sie neue Verbindungen (Parkamycine A und B) mit komplexer biologischer Aktivität.

„Das Finden einer bekannten Verbindung, die sich wie erwartet gruppiert, sagt uns, dass sie funktioniert, und dann konnten wir eine bekannte Verbindung mit einem neuen Wirkmechanismus in Verbindung bringen“, sagte MacMillan. „Schließlich haben wir eine neue chemische Verbindung mit einer einzigartigen biologischen Signatur entdeckt, die sich von allen bekannten Verbindungen unterscheidet. Das ist eine aufregende Entdeckung, die wir weiter untersuchen wollen.“

Die Forscher verwendeten eine bioinformatische Methode namens Similarity Network Fusion (SNF), die für die Integration komplexer Datensätze entwickelt wurde, um Daten von zwei von ihren Labors entwickelten Naturstoff-Screening-Plattformen zu kombinieren. Eine von MacMillans Labor entwickelte Plattform (Functional Signature Ontology oder FUSION) nutzt Genexpressionssignaturen, die in Zellen durch bekannte und unbekannte Verbindungen induziert werden, gekoppelt mit Mustervergleichstools, um Wirkmechanismen durch „Schuld durch Assoziation“ anzuzeigen.

„Wenn wir ähnliche Wirkungen wie bei einer dieser bekannten Verbindungen sehen, deutet das auf einen ähnlichen Wirkmechanismus hin. Wir haben diese Technologie effektiv genutzt, um die biologische Aktivität einer Reihe einzigartiger kleiner Moleküle zu verstehen“, sagte MacMillan.

Die andere Plattform, eine von Lokeys Labor entwickelte zytologische Profilierungstechnologie (CP), umfasst eine High-Content-Bildanalyse von Zellen, die den untersuchten Proben ausgesetzt und dann mit einer Reihe fluoreszierender Sonden gefärbt werden, um wichtige zytologische Merkmale hervorzuheben. Automatisierte Fluoreszenzmikroskopiebilder liefern insgesamt 251 einzigartige zytologische Merkmale für jede Probe.

Die Forscher nutzten die CP- und FUSION-Technologien, um komplexe Naturstoffbibliotheken zu screenen, die von den Labors von MacMillan und Linington entwickelt wurden. Diese Bibliotheken wurden aus Meeresbakterien gewonnen, die von den beiden Labors isoliert wurden.

Um nach bioaktiven Naturstoffen zu suchen, züchten die Forscher die Bakterienstämme im Labor, stellen einen Rohextrakt aller von jedem Stamm produzierten Verbindungen her und trennen dann jeden Extrakt mithilfe der Chromatographie in eine Reihe von Fraktionen, die jeweils zwei bis 20 Verbindungen enthalten.

Massenspektrometriemethoden werden häufig für die groß angelegte Untersuchung kleiner Moleküle („Metabolomik“) eingesetzt und können dabei helfen, die chemischen Bestandteile jeder Fraktion zu identifizieren. Ein von Linington und anderen entwickelter Ansatz namens Compound Activity Mapping kombiniert massenspektrometrische Metabolomik mit biologischen Screening-Daten, um zu identifizieren, welche Verbindungen in einer Mischung eine bestimmte biologische Signatur auslösen.

In der neuen Studie entwickelten die Forscher einen Probenverarbeitungs-Workflow unter Verwendung von Massenspektrometrie und einer modifizierten Version ihrer Compound Activity Mapping-Plattform, die die integrierten Ergebnisse ihrer Screening-Technologien, die mit Similarity Network Fusion gewonnen wurden, einbezieht.

„Die Frage ist, können wir all das nutzen, um die Chemikalien herauszufiltern, die eine bestimmte Signatur auslösen, und um verlässlichere Vorhersagen über den Wirkungsmechanismus zu treffen? Unser Ansatz ermöglichte es uns, dies auf ziemlich substanzielle Weise zu erreichen“, sagte MacMillan .

Zu den Co-Autoren des Papiers gehören neben MacMillan, Lokey und Linington auch Michael White, Suzie Hight, Elizabeth McMillan, Anam Shaikh, Rachel Vaden, Jeon Lee und Shuguang Wei vom University of Texas Southwestern Medical Center; Trevor Clark, Kenji Kurita, Jake Haecki und Fausto Carnevale-Neto an der Simon Fraser University; und Walter Bray, Aswad Khadilkar, Scott La und Akshar Lohith an der UC Santa Cruz. Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health unterstützt.