DARPins: En ny medicinsk superhelt?

Proteiner spiller en afgørende rolle i biologiske processer.

De er involveret i en lang række funktioner, lige fra fordøjelsen af den mad vi spiser, til replikationen af DNA under celledeling og transport af molekyler inden i vores celler.

Antistoffer er meget vigtige proteiner, som hjælper immunsystemet i bekæmpelse af sygdomme ved at kunne genkende og derefter binde til fremmede molekyler med høj specifitet (det vil sige, at de kun binder én slags molekyle og ikke andre).

Traditionelle antistoffer har dog sine begrænsninger i forhold til deres størrelse og stabilitet.

Det er her, DARPins kommer ind i billedet. DARPins, der står for Designed Ankyrin Repeat Proteins, er en unik proteinskabelon (en bestemt type protein, der bruges som udgangspunkt til skabe nye proteiner), som har mange fordele i forhold til traditionelle antistoffer.

I denne artikel dykker vi ned i, hvad DARPins er, hvordan de blev opdaget, og det enorme potentiale disse små proteiner har.

Hvad er DARPins?

Historien bag DARPins startede i 1990’erne, hvor forskere opdager, at gentagelser af ankyrin-proteiner kan bruges som skabelon for at fremstille nye proteiner med forskellige funktioner.

Selvom DARPins ligner antistoffer på den måde, at de begge meget specifikt binder til bestemte typer molekyler, er DARPins modsat antistoffer små, stabile og billige at producere i større mængder.

Derudover buer den del af DARPins overflade, som binder til molekyler, indad, hvorimod antistoffers bindingsregion buer udad. Denne forskel giver DARPins en fordel i forhold til at binde små molekyler med høj specificitet.

Deres lille størrelse gør DARPins bedre til at trænge igennem kroppens væv, hvilket giver dem muligheden for at binde til molekyler, der ellers ikke kan nås af antistoffer.

Ankyriner: Nøglen til at finde DARPins

Proteiner med ankyrin-gentagelser er meget udbredte i naturen og findes i en bred vifte af organismer fra enkeltcellede bakterier til komplekse multicellulære organismer såsom mennesker.

Ankyriner består af flere gentagelser af den samme protein-sekvens. De er med til at skabe interaktioner mellem proteiner, hvis primære funktion er at stabilisere celler og væv ved at fungere som et molekylært stillads.

Forskere opdagede dog hurtigt, at disse ankyrin-gentagelser kunne blive manipuleret til at skabe nye proteiner med andre specifikke bindingsegenskaber, så de kan binde til andre molekyler.

Baseret på forskningen i ankyriner blev de første DARPins konstrueret i slutningen af 1990’erne.

Et hold forskere ved University of Zürich undersøgte millioner af forskellige DARPin-varianter for at finde én, der kunne binde sig til en bestemt celleoverflade receptor (HER2-receptoren), som der produceres for meget af i bestemte kræftyper.

Et middel mod Covid-19

DARPins er siden slutningen af 1990’erne blevet brugt i mange forskellige sammenhænge, blandt andet til forskning, diagnosticering og som behandling.

DARPins er faktisk allerede blevet brugt succesfuldt i behandlingen af adskillige sygdomme, heriblandt kræft, skade på nethinden (makula-degenerering) og COVID-19.

Forskere har i prækliniske studier vist, at DARPins effektivt kan binde til spike-proteinet på COVID-19 og dermed forhindre virussen i at inficere menneskeceller.

Denne opdagelse førte til udviklingen af vaccinen 'Envisobep', som nu er ved at undergå kliniske forsøg. Envisobep kan binde til alle COVID-19 varianterne, inklusivt den meget smitsomme OMICRON variant.

Vaccinen indeholder nemlig tre forskellige dele, hvor hver del kan binde sig til tre forskellige steder på spike-proteinet. Det resulterede i en høj beskyttelsesrate.

En interessant observation fremkom under de kliniske forsøg med Envisobep. Det viste sig, at der ikke var nogle større bivirkninger, såsom at immunsystemet reagerede på vaccinen, eller at vaccinen udviste en celledræbende effekt.

Kræftbehandling med færre bivirkninger

Det faktum, at Envisobep ikke udløser en immunrespons, påpeger blot DARPINs lave indvirkning på immunsystemet.

Dette skyldes muligvis den høje mængde af ankyrin-proteiner i menneskekroppen, da vores immunforsvar normalt er sensitivt overfor proteiner af ukendt oprindelse, mens proteiner, der normalt findes i menneskekroppen, tolereres.

DARPins er også blevet brugt til at behandle kræft, og her er de blevet designet til at binde specifikt til tumorceller, så de kan levere medicin direkte til cellerne. Dette minimerer bivirkninger og forbedrer medicinens effekt.

’MP0250’ er et DARPin, som er designet til at binde til to såkaldte ’vækstfaktorer’:

• HGF (Hepatocyte Growth Factor)
• VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor)

De er begge signalproteiner som forstærker væksten og spredningen af kræftceller.

Når MP0250 binder til disse proteiner, hjælper den med at stoppe væksten og spredningen af kræftceller ved at hæmme dannelsen at nyt kræftvæv.

Bruges mod synstab

DARPins er også blevet udviklet som et alternativ til behandlingen af en bestemt type skade på nethinden kaldet makula-degenerering, da DARPins har bedre stabilitet end nuværende lægemidler.

Makula-degenerering er en fremadskridende øjenlidelse, der påvirker den centrale del af nethinden, makula, som er ansvarlig for det centrale syn, der bruges til at se skarpt med. Det er en hyppig årsag til synstab og synsnedsættelse, især hos ældre.

Medicinen ’Abicipar’, som nåede kliniske fase III-forsøg før det blev afvist, er et eksempel på denne type af medicin. Firmaet Molecular Partners AG, som har rettighederne til Abicipar, er på trods af denne afvisning antageligt forsat med at udvikle medicinen.

Det store potentiale

DARPins anvendes i stigende grad indenfor sundhedsforskning. Det skyldes især fremskridt indenfor udviklingen af in-vitro (i reagensglas) screeningsmetoder og ’rekombinante DNA-teknikker’, som begge vil blive forklaret herunder.

Til sammen kan de to teknikker finde flere brugbare DARPins og masseproducere dem.

Screeningsmetoder bruges til at finde relevante DARPins. Det fungerer ved at man tilsætter det protein, man vil screene for, til en stor mængde af forskellige DARPins, og herefter udvælger den DARPin, som binder stærkest til proteinet.

Udviklingen indenfor screeningsmetoder tillader en hurtigere identifikation af relevante DARPins til en poteintel behandling.

Rekombinante DNA-teknikker gør det muligt at klippe og sammensætte DNA-stykker, som derefter indsættes i målorganismer for at skabe modificeret DNA med de ønskede egenskaber.

Det modificerede DNA-stykke indeholder generne for det ønsket proteinprodukt, eksempelvis en DARPin, der binder til COVID-spike-protienet eller et slangetoksin.

DNA-stykket, der nu indeholder den genetiske kode for de ønskede proteiner, kan herefter klones og indsættes i organismer som bakterier eller gær, der er i stand til at producere det ønskede protein hurtigt og effektivt.

AI kan finde nye DARPins

I den nærmeste fremtid kan nye computerbaserede screeningteknikker, såsom RF Diffusion også bruges til at udvikle DARPins til behandling af sygdomme, fordi DARPins stabile struktur gør modelleringen af dem let.

RF Diffusion er et generativt AI-program, hvilket betyder, at det på baggrund af et kæmpe eksisterende datasæt af proteinstrukturer kan genere nye strukturer, som er skræddersyet til en funktion, såsom binding til et bestemt protein.

Computerbaseret screening kan derfor bidrage til opdagelsen af nye DARPin-bindere, og dermed spare tid ved at fremskynde udviklingen af lægemidler.

Behov for mere viden om langsigtede effekter

Den meget hårde konkurrence indenfor medicinalindustrien og de store aktørers konservative holdning, udgør en udfordring for den hurtige implementering af DARPins.

Selvom DARPins har vist lovende resultater i prækliniske studier og tidlige kliniske forsøg, så er der kun en begrænset mængde data tilgængeligt om de langsigtede risici og effektiviteten af behandligen.

Derfor er der et behov for yderligere kliniske forsøg, der kan bekræfte brugbarheden af DARPins og vise potentielle ulemper.

For selvom deres lille størrelse kan hjælpe dem med at trænge ind i vævet og blive distribueret hurtigt rundt i kroppen, har de relativt korte halveringstider i blodbanen (kun et par timer), og virker derfor kun i kort tid.

Det kan være tilstrækkeligt til visse akutte sygdomme, men det kan være et problem i brugen af DARPins til kroniske lidelser. Her kan det være nødvendigt med hyppige doseringer eller kontinuerlige infusioner for at opretholde virkningen af behandlingen.

Dette problem kan dog løses på mange måder, for eksempel ved at koble større molekyler til DARPins, eller ved at fusionere flere DARPins sammen, ligesom man gjorde i udviklingen af Envisobep.

Alt i alt, med fortsat forskning og udvikling, har DARPins potentialet til at spille en vigtig rolle i behandlingen af ​​fremtidige sygdomme, og det giver os et spændende nyt redskab til at behandle en lang række sygdomme.