Als moleculair bioloog begin je met het leren van de grondbeginselen van de DNA-code. Lezen en vertalen van de code komen eerst, en dan kun je overgaan tot het doen van je eigen zorgvuldige bewerking met behulp van knippen en plakken en kopiëren en plakken. Zodra je deze vaardigheden hebt verworven, kun je genen, genomen en eiwitten manipuleren om te onderzoeken hoe cellen “werken” en om de manier waarop ze werken aan te passen. De kracht, veelzijdigheid en betaalbaarheid van deze technieken zijn de afgelopen jaren met sprongen vooruitgegaan, parallel aan de verbeteringen in de informatietechnologie. DNA-sequencing bijvoorbeeld, of de mogelijkheid om een volledig genoom te “lezen”, is nu toegankelijk voor elk onderzoeksteam dat over redelijk wat middelen beschikt.
De technieken zijn belangrijk, maar het is echt wat je ermee doet dat tot de verbeelding kan spreken. De ontdekking van belangrijke, met ziekten geassocieerde genen, vaak vele jaren nadat de gevolgen van hun handelen of niet-handelen bekend zijn, is voor mij persoonlijk een bron van inspiratie geweest. Ik herinner mij met name het lezen over de identificatie van het cystische fibrose-gen in 1989, toen ik met mijn doctoraat begon, en het horen over de identificatie van het leptine-gen, dat in verband wordt gebracht met zwaarlijvigheid, als post-doc in 1995. Daarna zag ik welke impact gen-ontdekking kon hebben op mijn eigen moleculaire parasitologie-gemeenschap: de malaria parasiet var genen in 1995, het Afrikaanse trypanosoom menselijk serum resistentie-geassocieerd gen in 1998, en de malaria parasiet chloroquine resistentie-transporter in 2000 zijn maar een paar voorbeelden. Het blijft echter een uitdaging om genen te identificeren die betrokken zijn bij een bepaald proces van belang. De ontdekking van een nieuw en belangrijk gen is ook slechts de eerste stap in onderzoek dat gericht is op een volledig begrip van de functie en het potentieel als bijvoorbeeld therapeutisch doelwit of kandidaat-vaccinatie. De nog niet opgeloste uitdagingen zijn echter precies wat de technologische innovatie in de biowetenschappen blijft aandrijven.
Dus hoe is de situatie voor de eencellige trypanosomatide parasieten waaraan wij in Dundee werken? Deze zeer beweeglijke cellen, ongeveer 1/50ste van een millimeter lang, worden tussen zoogdieren verspreid door bloedzuigende insecten. Zij hebben een verwoestend effect op de armen in de wereld en veroorzaken de “verwaarloosde tropische ziekten” Afrikaanse trypanosomiasis, de ziekte van Chagas, en de leishmaniases. De gevolgen van deze reeks ziekten bij mens en dier zijn honderdduizenden sterfgevallen per jaar en ongeveer een miljoen gevallen per jaar van de misvormende laesies die in verband worden gebracht met cutane leishmaniasis. Trypanosomen beperken ook ernstig de invoer van vatbare paarden, runderen, schapen en geiten in heel Afrika.
We hebben ons in het bijzonder gericht op Afrikaanse trypanosomen en zien dat antiparasitaire aanpassingen in de gastheer en antiparasitaire geneesmiddelen voortdurend worden bedreigd door veroudering in de “wapenwedloop” tussen ons en de parasieten. In de hoop in deze wedloop de overhand te kunnen nemen, hebben wij een genetische screening-aanpak aangepast die ons in staat stelt elk parasietgen te onderzoeken op zijn rol in de werking van geneesmiddelen en de resistentie tegen geneesmiddelen. Dit leverde >50 nieuwe genen op die gekoppeld zijn aan geneesmiddelen die klinisch worden gebruikt. De geneesmiddelen nifurtimox en eflornithine, bijvoorbeeld, worden veel gebruikt als combinatietherapie. Wij bevestigden dat nifurtimox wordt omgezet in een krachtiger geneesmiddel door een parasietenzym en, zoals ook onafhankelijk gerapporteerd door andere groepen, vonden wij dat eflornithine wordt opgenomen door een aminozuurtransporter van de parasiet.
Een veel ouder geneesmiddel, suramine, bleek mee te liften in de cel op een parasiet-oppervlakte-eiwit. Dit was een bijzonder bevredigende ontdekking omdat Paul Ehrlich, “de vader van de chemotherapie”, die meer dan 100 jaar geleden zowel de “magische kogel”-hypothese als de voorlopers van suramine ontwikkelde, verklaarde: “Wanneer we eenmaal bekend zijn met de meerderheid van de chemioreceptoren van een bepaald soort parasiet…zullen we verregaande mogelijkheden hebben voor een gelijktijdige aanval door verschillende agentschappen” (Ehrlich, 1913). We hebben dus een van Ehrlich’s “chemioreceptoren” gevonden, en dit biedt inderdaad nieuwe mogelijkheden voor therapeutische ontwikkeling.
Een andere vondst had betrekking op nog twee oude geneesmiddelen waarvoor al meer dan 60 jaar geleden kruisresistentie was gerapporteerd. Deze kruisresistentie tegen melarsoprol en pentamidine werd in verband gebracht met een defect in een aquaglyceroporine, een andere membraantransporter van de parasiet. Resistentie tegen melarsoprol, een tamelijk giftig maar overigens werkzaam arseenhoudend geneesmiddel, was in sommige streken bij wel 50% van de patiënten geconstateerd. Teams die resistente parasieten uit heel Afrika verzamelden en opsloegen, waren in staat om snel defecten in deze transporteur te identificeren en deze terug te voeren tot het midden van de jaren 1970. De genetische veranderingen die trypanosomen in staat stelden om weerstand te bieden aan deze specifieke therapie zijn nu dus bekend, de impact van deze veranderingen kan in detail worden onderzocht, en de verspreiding en verspreiding van resistente parasieten kan effectief worden gevolgd.
Het is heel opmerkelijk hoe biologische processen vaak op onverwachte manieren experimenteel toegankelijk worden, waarschijnlijk omdat we over veel van die processen nog zoveel te leren hebben. Dit is ook mijn persoonlijke ervaring. In het geval van onze eigen bevindingen was het ons werk aan DNA-reparatie dat ons in staat stelde de hierboven beschreven genetische screening-benadering te ontwikkelen. Bovendien was onze aanvankelijke motivatie om deze aanpak te ontwikkelen de wens om een heel andere genexpressie-kwestie aan te pakken; gelukkig konden we samenwerkingsverbanden aangaan met collega’s die al gevestigde deskundigen waren op het gebied van geneesmiddelenresistentie.
Wat duidelijk is, is dat weten hoe geneesmiddelen werken en hoe ze ophouden te werken de vooruitzichten op het bedenken van effectievere en duurzamere therapieën helpt verbeteren en ook de vooruitzichten verbetert voor het bewaken en aanpakken van resistentie wanneer die zich voordoet. Als hoofdzakelijk “basisonderzoekers” zullen wij, in samenwerking met onze partners in de Dundee Drug Discovery Unit, onze inspanningen voortzetten om in de trypanosomatiden biologie te ontdekken en te ontleden die geschikt is voor geneesmiddelen. Er zijn nu inderdaad instrumenten en technologieën beschikbaar om deze chemisch-biologische interacties te onderzoeken met een grotere verwerkingscapaciteit dan ooit tevoren.
Omdat ons werk voortdurend steunt op het werk en de ontdekkingen van vele collega’s – te veel om op te noemen, vrees ik – eindig ik met te herhalen wat waarschijnlijk nogal voor de hand ligt: impact tegen deze en andere menselijke en dierlijke ziekteverwekkers vereist een gemeenschap van onderzoekers, kritische massa, open interactie, samenwerking, en toegang tot krachtige technologie, zowel op fundamenteel als translationeel niveau. Wat ook duidelijk is, is dat experimenten met pathogenen inzichten zullen blijven opleveren die van veel breder belang zijn voor de biowetenschappen en daarbuiten.
- PowerPoint slide
- grotere afbeelding
- originele afbeelding
https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1005430.g001