PSI-forskare har upptäckt ett överraskande knep som skulle kunna utöka möjligheterna för medicinsk användning av botulinun-toxin A1, mer känt under namnet Botox, som ett aktivt medel. De har utvecklat antikroppsliknande proteiner som påskyndar enzymets effekt på överföringen av nervsignaler. Detta tyder på att Botox till exempel kan lindra smärta snabbare än tidigare.
Artikeln är publicerad i tidskriften Nature Communications .
Botulinumneurotoxin A1, mer känt under varumärket Botox, är egentligen ett nervgift som produceras av bakterier. Den fick bred medvetenhet hos allmänheten genom att den användes som ett kosmetiskt hjälpmedel. Många människor får det injicerat i rynkor för att få dem att se yngre ut.
Ämnet blockerar signalöverföringen från nerver till muskler och slappnar på så sätt av så att ansiktsdragen ser mjuka ut. Vad som är mindre känt:Botox används också mycket ofta inom terapeutisk medicin för att behandla tillstånd som kan spåras tillbaka till kramper i muskler eller felaktiga nervsignaler, inklusive smärtor, spasmer, svag blåsa, gnissling av tänder och felställningar, t.ex. ögon. Botox används till och med för att behandla magcancer, för att blockera vagusnerven och därmed bromsa tumörtillväxten.
I all terapi är det avgörande att använda denna mycket effektiva medicin på ett mycket riktat sätt med noggrann dosering, eftersom Botox är det mest potenta naturliga nervgiftet av alla, vilket kan leda till farlig förlamning i en klinisk bild som kallas botulism. Bara ett hundra nanogram eller så administrerat intravenöst kan vara tillräckligt för att döda en person, eftersom toxinet förlamar andningsmusklerna, tillsammans med andra.
Botulinumneurotoxiner delas in i sju så kallade serotypgrupper betecknade med bokstäverna A till G. Botoxen som används i kosmetika kommer från den första gruppen. För att vara exakt betecknas den undertyp A1. Det är känt att tre andra serotyper – B, E och F – också kan leda till botulism hos människor, där E och F verkar betydligt snabbare men inte så länge som A och B.
Effekten sätter in efter bara timmar och varar några veckor, vilket öppnar upp för viktiga alternativ inom till exempel smärtterapi och ortopedi. Typerna C och D är effektiva hos vissa djurarter såsom fåglar; hittills har inga fall av botulism observerats med typ G.
Serotyperna produceras huvudsakligen av olika stammar av bakterien Clostridium botulinum. Dessa mikrober trivs anaerobt, det vill säga i frånvaro av syre, och finns främst i marken samt marina och flodsediment. Om de hamnar i mat och förvaras i lufttäta behållare, vilket kan vara fallet med konserver, finns det risk för kontaminering med giftet. Att äta det kan orsaka botulism. Sjukdomen förekommer dock mycket sällan; under de senaste 10 åren har det bara förekommit ett eller två fall per år i Schweiz.
I ett forskningsprojekt ville ett team under ledning av Richard Kammerer från PSI:s Laboratory for Biomolecular Research undersöka om det kan vara möjligt att påverka verkan av toxinet.
"För det har vi, tillsammans med biokemisten Andreas Plückthun från universitetet i Zürich, producerat 25 så kallade DARPins", säger Kammerer. DARPins är små, artificiellt producerade proteiner som fungerar på samma sätt som antikroppar. De används i terapi och diagnos samt i grundläggande medicinsk forskning.
Tanken var att hitta DARPins som selektivt binder till den så kallade katalytiska domänen av Botox serotyp A1, den del av enzymet som är ansvarig för dess effekt på nerverna, genom att skära upp vissa proteiner. DARPinerna förväntades hämma denna funktion.
"In vitro - det vill säga på enskilda prover i provröret - har vi identifierat en lämplig kandidat som begränsar funktionen av botulinumtoxinet", rapporterar Kammerer.
Genom studier vid PSI:s schweiziska ljuskälla SLS kunde forskarna exakt observera komplexet av DARPin och den katalytiska domänen, ner till molekylär nivå, och ta reda på hur DARPin förhindrar klyvning.
Men när forskarna även testade detta DARPin i cellkulturer, i samarbete med ett team vid Institutet för biomedicin vid universitetet i Padua i Italien, blev plötsligt en helt annan effekt – tvärtom faktiskt – uppenbar:Botoxens toxiska verkan. —klyvningen av proteiner som är viktiga för nervernas signalöverföring — trädde i kraft ännu snabbare än vanligt.
"Först trodde vi att vi hade gjort något fel", säger Oneda Leka, postdoktor vid PSI Laboratory for Biomolecular Research och första författare till studien. Men ytterligare experiment bekräftade det motsägelsefulla fyndet:Istället för att minska, accelererade den toxiska effekten av Botox-enzymet.
Nu upprepade forskarna experimenten med riktiga muskler, diafragman hos möss. Dessa förblir intakta under lång tid i en näringslösning och är en favoritmodell för att testa effekterna av nervgifter. Även här indikerade resultaten att med DARPin satte den förlamande effekten av toxinet in mer än dubbelt så snabbt.
Nu var den stora frågan:Varför är det så? Den möjliga förklaringen är mycket komplex biokemiskt. Enkelt uttryckt är det att DARPinerna faktiskt destabiliserar toxinet på ett sådant sätt att de transporteras snabbare in i nervcellernas inre. Som ett resultat träder toxinet i kraft snabbare.
"Av denna anledning tror vi att DARPin kan bredda spektrumet av möjliga användningar av botulinumneurotoxin", säger Oneda Leka.
Även om forskarna inte utförde några jämförande tester inom ramen för denna studie, verkar det som att botulinumneurotoxin A1 med DARPin fungerar betydligt snabbare än A1 utan antikropparna. Samtidigt förblir effektens varaktighet betydligt längre än för E och F.
Så tillägget av denna DARPin ger en mellanvariant mellan serotyp A och serotyp E och F. Resultatet – oväntat som det var – öppnar upp för nya möjligheter för behandling av en mängd olika sjukdomar. Enligt Richard Kammerer, "Inom smärtmedicin kan en tillsats som påskyndar effekten av ett långvarigt, extremt effektivt läkemedel vara av intresse."
Mer information: Oneda Leka et al, A DARPin främjar snabbare insättande av botulinumneurotoxin A1-verkan, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-44102-4
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Paul Scherrer Institute
