Quando Alexander Flemming scoprì una muffa su una piastra di coltura ricoperta di batteri nel 1928, non si aspettava di trovare uno dei principi attivi più utilizzati:la penicillina. Scoperte accidentali e identificazione di principi attivi da rimedi tradizionali, come la morfina del papavero da oppio, hanno plasmato la scoperta di nuovi farmaci per lungo tempo.

Scoperta moderna di farmaci:dal caso al sistema

Nel frattempo, sono stati compiuti importanti sviluppi in chimica e biologia molecolare che consentono una ricerca sistematica e mirata di potenziali sostanze attive nella moderna scoperta di farmaci. Primo, i progressi nel campo della chimica organica e soprattutto combinatoria hanno permesso di produrre enormi librerie di sostanze e di testarle per il loro effetto farmacologico in test ad alto rendimento. Seguendo i progressi tecnologici come il sequenziamento del genoma umano e lo sviluppo di nuovi metodi nella biologia molecolare, è stato possibile identificare i processi cellulari correlati alla malattia e i loro attori chiave molecolari. Questo ha aperto la strada alla scoperta di farmaci moderni, in cui grandi librerie di molecole vengono esaminate in modo ad alto rendimento per la loro influenza su molecole bersaglio rilevanti, per lo più proteine. Sostanze identificate, i cosiddetti successi, sono ottimizzati nella loro struttura chimica per condurre strutture che sono già efficaci a piccole dosi e sono ben assorbite e distribuite nell'organismo.

Nessun effetto senza effetti collaterali

Questo sviluppo di farmaci mirato ha molto successo nell'identificare nuovi farmaci candidati che impediscono alle proteine ​​bersaglio di funzionare o interagire con altre proteine. Però, i potenziali candidati a farmaci sono raramente specifici e molto spesso agiscono anche su proteine ​​correlate che hanno una funzione o una struttura simile. "Non è raro che un candidato farmaco inizialmente promettente mostri inaspettatamente gravi effetti collaterali in una fase successiva del suo sviluppo di lunga data, limitando o addirittura prevenendo il suo uso clinico, "dice Slava Ziegler.

Alla ricerca di bioattività sconosciute

Al fine di individuare possibili effetti collaterali durante lo sviluppo del farmaco, potenziali farmaci candidati vengono selezionati in saggi per il loro effetto su classi proteiche note, processi biologici e alcune proprietà cellulari. Però, questi test possono solo riflettere la bioattività prevista poiché il numero di molecole bersaglio conosciute nella cellula è limitato. I cosiddetti approcci di profilazione offrono ora la possibilità di rilevare uno spettro di attività più ampio. Questi test imparziali indagano l'influenza su centinaia di parametri cellulari o genetici registrati nel profilo di una sostanza che viene confrontato con i profili delle sostanze di riferimento con effetti noti.

Quando i profili dei farmaci corrispondono

Nel loro ultimo studio, il gruppo di Herbert Waldmann e Slava Ziegler ha combinato due di questi approcci di profilazione per identificare le sostanze bioattive da una libreria di circa 15000 molecole ispirate a prodotti naturali e le ha confrontate con i profili di noti, composti attivi. Applicazione del saggio di pittura cellulare, dove le aree funzionali della cellula vengono colorate e quindi esaminate al microscopio per rilevare eventuali cambiamenti, è stato identificato un ampio cluster di sostanze con profili simili. Però, non è stato possibile prevedere la modalità di azione del cluster poiché i composti di riferimento associati avevano diverse attività o molecole bersaglio. Con una successiva ricerca utilizzando il profiling del proteoma, in cui sono state esaminate le quantità e quindi la regolazione di migliaia di proteine, i ricercatori sono stati in grado di restringere il cluster a un'attività comune, la modulazione dell'omeostasi del colesterolo, un'attività biologica inaspettata per la maggior parte delle sostanze di riferimento nel cluster.

Due piccioni con una fava:identificare nuove bioattività ed effetti collaterali

Ma come possono sostanze con molecole bersaglio molto diverse innescare lo stesso effetto? I ricercatori hanno rivelato che la maggior parte dei composti nel cluster si accumula nel lisosoma, un organello in cui il colesterolo viene immagazzinato temporaneamente per la sua ulteriore funzione nella cellula. Il lisosoma ha un valore di pH inferiore rispetto al resto della cellula, e questo è cruciale per il funzionamento degli enzimi digestivi lisosomiali che processano le biomolecole estranee e proprie della cellula. Nel lisosoma, le sostanze del cluster descritto aumentano il valore del pH e quindi interrompono la funzione di questo organello e, in particolare, l'equilibrio del colesterolo della cellula. Il fatto che i composti si accumulino nel lisosoma non è dovuto a una specifica molecola bersaglio nel lisosoma ma alle loro proprietà chimiche e fisiche, che hanno ottenuto attraverso la loro ottimizzazione strutturale per una migliore solubilità.

"Interessante, l'equilibrio alterato del colesterolo è già stato collegato ad alcuni farmaci sul mercato, come gli antipsicotici" nota Tabea Schneidewind, primo autore dello studio. " Con la combinazione delle due strategie di ricerca, possiamo prendere due piccioni con una fava:svelare effetti collaterali sconosciuti e identificare nuovi principi attivi e modalità d'azione" afferma Slava Ziegler.

Mirare all'omeostasi del colesterolo potrebbe anche disturbare le infezioni da SARS-CoV-2

L'influenza sull'omeostasi del colesterolo sembra essere una caratteristica comune di molti composti e dovrebbe essere presa in considerazione quando si valutano gli effetti collaterali dei principi attivi. Però, l'attività osservata non è di per sé indesiderata. Attualmente, farmaci e composti con modalità d'azione note vengono studiati intensamente per l'inibizione dell'infezione da SARS-CoV-2 delle cellule ospiti, e molti composti del nostro cluster sono stati identificati per sopprimere questo processo. interessante, il colesterolo di membrana e quindi la corretta omeostasi del colesterolo sono cruciali per l'infezione da Sars-CoV-2, come dimostrato in diversi studi. I nostri dati molto probabilmente spiegano la ragione dell'attività di questi composti contro il virus:alterano la biosintesi e la localizzazione del colesterolo nelle cellule, che compromette l'infezione da Corona-Virus", dice Slava Ziegler.