Sulla base degli esami del sangue è possibile individuare malattie genetiche rare, riconoscere il cancro o determinare il livello di infiammazione nel corpo. Inoltre, a causa del rapido sviluppo della diagnostica medica basata sull'analisi dei biofluidi, in tutto il mondo si stanno compiendo molti sforzi per adattare gli approcci medici, rendendo la medicina personalizzata il paradigma dell'assistenza sanitaria futura.
Muovendosi in questa direzione, gli scienziati dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze (IPC PAS) hanno presentato la loro ricerca su peptidi unici da utilizzare in nuovi sensori per il rilevamento rapido e semplice di molte malattie.
L'infiammazione è il meccanismo di difesa naturale del corpo contro agenti patogeni o sostanze chimiche dannose che causano sintomi acuti come dolore, gonfiore, arrossamento o lividi. Questo meccanismo implica un'intensa produzione da parte dell'organismo di molecole specifiche, come le citochine, che vengono utilizzate contro le infezioni, e l'infiammazione può essere facilmente diagnosticata con tali sintomi.
Tuttavia, alcune reazioni infiammatorie non sono visibili e possono durare molto più a lungo di un’infezione improvvisa. Se le cellule infiammatorie permangono a lungo, può svilupparsi un'infiammazione cronica. L'infiammazione cronica può indicare una serie di problemi di salute, tra cui malattie autoimmuni e tumori, difficili da superare.
Il rilevamento del processo infiammatorio nel corpo può essere facilmente eseguito dal sangue, mentre il monitoraggio del decorso dell’infiammazione è una storia completamente diversa. Di solito, il tasso di infezione viene valutato concentrandosi sul livello di proteina C-reattiva nota come CRP, un biomarcatore comune a insorgenza precoce per varie condizioni infiammatorie nel corpo.
La sua comparsa nel plasma si basa sulla risposta del corpo all'aumento del livello di citochine durante l'infiammazione quando il fegato produce CRP. Il suo livello può anche distinguere la causa dell'infiammazione; ad esempio, l'aumento del livello di CRP può riguardare infezioni virali, mentre un livello molto elevato è caratteristico di infezioni batteriche.
I livelli ematici di questa molecola a forma di anello cambiano rapidamente e in modo pronunciato con qualsiasi difesa infiammatoria non solo per le infezioni ma anche come risposta al danno tissutale che innesca anche l’infiammazione in tutti i tipi di tessuti. Finora, il monitoraggio dei livelli di PCR può fornire informazioni preziose e precise sulla progressione della malattia.
In questo campo la ricercatrice dell'IPC PAS, la Dott.ssa Katarzyna Szot-Karpińska, ha studiato le interazioni proteina-peptide, in particolare tra CRP e materiali leganti CRP. Si è concentrata sui peptidi per via della loro maggiore stabilità in condizioni difficili alla degradazione, dei costi inferiori e della possibilità di un uso più efficiente nei sensori biomedici rispetto agli anticorpi, che sono i recettori CRP più comuni.
In un articolo pubblicato sulla rivista Analytical Chemistry , i ricercatori hanno utilizzato un metodo di visualizzazione dei fagi per identificare i fagi che legano la CRP. L'identificazione di tali fagi consente la determinazione della sequenza di peptidi esposti sulla superficie dei fagi con elevata affinità verso la CRP.
Un fattore chiave dello studio è stato il problema del monitoraggio dell’infiammazione a lungo termine utilizzando una piattaforma elettrochimica modificata con molecole stabili come alternativa agli anticorpi. I peptidi selezionati sono stati sintetizzati e completamente caratterizzati e sono state studiate le loro interazioni con la CRP, con conseguente identificazione delle tre molecole leganti la CRP più promettenti di derivazione fagica.
Il peptide con la massima affinità verso la CRP è stato immobilizzato su elettrodi per un utilizzo successivo come sensore elettrochimico della CRP. Sono state utilizzate tecniche biologiche e fisico-chimiche per comprendere i meccanismi delle interazioni proteina-peptide e proteina-peptide.
La dottoressa Katarzyna Szot-Karpińska, una scienziata che lavora su questo progetto, ha dichiarato:"Nei nostri studi, per la prima volta, abbiamo dimostrato che un singolo peptide di 12-meri identificato da una libreria fagica è stato utilizzato per il riconoscimento della CRP. I peptidi identificati sono stati caratterizzati e le loro interazioni con la CRP sono state studiate per l'applicazione in una piattaforma di rilevamento che mostra il nuovo approccio allo sviluppo di sensori biomedici."
I risultati furono sorprendenti e mostrarono un nuovo campo per la ricerca elettrochimica. Il nuovo materiale sull'elettrodo ha mostrato un'affinità per la CRP fino a due ordini di grandezza superiore rispetto agli anticorpi utilizzati nell'ELISA. Inoltre, l'efficienza di rilevamento del peptide selezionato era promettente, anche in presenza di tre proteine interferenti. Inoltre, non sono state necessarie sostanze chimiche aggiuntive, rendendo il rilevamento più rispettoso dell'ambiente rispetto alle tecniche classiche.
Inoltre, le simulazioni teoriche, comprese le analisi di modellazione computazionale eseguite in collaborazione con il Prof. Sławomir Filipek dell'Università di Varsavia, sono state implementate per integrare gli studi biologici e fisico-chimici e hanno fornito risultati sorprendenti.
Gli studi in silico hanno spiegato le specificità del legame di particolari peptidi alla CRP. I risultati mostrano quale peptide da un elenco di opzioni è il miglior legante CRP e confermano lo studio sperimentale. Finora, la combinazione di studi sperimentali e teorici ha ottimizzato il processo di screening, accelerando così la ricerca.
"Il valore aggiunto di questo lavoro è l'integrazione di metodi sperimentali con analisi di modellazione computazionale. La modellazione da sequenze di aminoacidi note di peptidi conferma che il peptide P3 è il miglior legante per CRP. Un simile approccio combinato non è stato riportato in precedenza e dimostra come i metodi numerici e l'analisi in silico possono sostituire o migliorare le laboriose tecniche sperimentali."
"L'utilizzo del docking molecolare per identificare i migliori leganti elimina l'applicazione di sostanze chimiche, che è vitale per lo sviluppo di una chimica più ecologica. Questo studio convalida l'approccio numerico per identificare le proprietà di legame dei peptidi e rappresenta un passo importante sulla strada verso sensori basati sui peptidi. Inoltre, se sappiamo come funziona il docking, in futuro, potremmo personalizzare la sequenza del peptide cambiando, ad esempio, uno degli amminoacidi per ottenere la migliore molecola che si lega al bersaglio studiato, come biomarcatori della malattia," dice il Dott. Szot Karpińska
Un simile approccio computazionale al rilevamento della CRP utilizzando peptidi non è mai stato descritto prima e illustra una nuova tendenza nella ricerca in cui i calcoli possono supportare tecniche sperimentali ardue.
Il metodo proposto consente il monitoraggio del decorso dell'infiammazione, consentendo di controllare il livello di CRP in modo selettivo e sensibile utilizzando molecole molto più piccole e più stabili di quelle attualmente utilizzate. Questo lavoro non sarebbe possibile senza l'utilizzo di molti metodi e tecniche diversi provenienti da vari campi, dimostrando la profonda necessità di interdisciplinarietà nella scienza, in particolare nella tutela della salute.
Mostra l’importanza di combinare studi sperimentali con uno studio approfondito delle interazioni intermolecolari. La ricerca descritta può rappresentare un punto di svolta nella diagnostica e nel trattamento dell’infiammazione, soprattutto nel caso di cicli di infiammazione a lungo termine o anche di nuovi dispositivi lab-on-the-chip per la medicina personalizzata, lo sviluppo di farmaci e la somministrazione di farmaci. Il team è alla ricerca di nuovi recettori per marcatori di malattie e nuove soluzioni per studiare le interazioni molecolari.
Ulteriori informazioni: Katarzyna Szot-Karpińska et al, Indagine sui peptidi per il riconoscimento molecolare della proteina C-reattiva:studi teorici e sperimentali, Chimica analitica (2023). DOI:10.1021/acs.analchem.3c03127
Informazioni sul giornale: Chimica Analitica
Fornito dall'Accademia Polacca delle Scienze
