De bröt mot reglerna för att hitta ny cancerbehandling

Andres Petros och Phil Hajduk är rebeller, men det är inte helt uppenbart vid första anblicken. De har ägnat sina yrkesliv – 29 år respektive 19 år hittills – som läkemedelsforskare på AbbVie, och har tränats i att följa vetenskapliga regler och principer, uppfattningar som anses sanna tills någon bevisat motsatsen.

Men trots att forskning kräver disciplin, krävs också förmågan att se när gängse regler behöver utmanas, eller rent av brytas, för att hitta nya vägar framåt. Om Petros, Hajduk och deras kollegor hade hållit sig till det rådande konventionella vetenskapliga synsättet hade de sannolikt inte lyckats med sitt uppdrag att hitta ett sätt att tvinga cancerceller att dö.

Tidigt 1990-tal arbetade Petros och Hajduk som forskare på AbbVie (dåvarande Abbott) och hade som fokusområde att förstå apoptos, programmerad celldöd, och att kartlägga de proteinstrukturer som har betydelse i den cellulära processen kring apoptos.

Cancerceller skiljer sig från vanliga friska celler på flera sätt, och en av de viktigaste skillnaderna är cancercellernas förmåga att undgå att dö. Alla celler i kroppen är programmerade att förstöra sig själva vid givna tidpunkter – när de blir gamla, när de inte fungerar som de ska, eller när de inte längre behövs. Den här funktionen är kortsluten, förbikopplad, i cancerceller. Och utan förmågan att dö fortsätter de växa okontrollerat.

Motståndskraften mot att dö har länge varit ett välkänt kännetecken för cancerceller. Men forskare har inte vetat vad man ska göra åt det.

Teamet på AbbVie hade en teori att om de hittade en behandling som riktar sig mot proteiner som är viktiga för programmerad celldöd, apoptos, skulle de kunna återställa dödsförmågan och förmå de sjuka cellerna att begå självmord.

Men precis som alltid vid ett nytt spår inom forskningen så ledde arbetet till fler frågor än svar. Och hade de hållit sig till den rådande uppfattningen inom cancerforskning vid den tiden, hade de mycket väl kunnat ge upp den här teorin. Men istället fortsatte teamet, och längs vägen kunde de även motbevisa några andra högt ansedda vetenskapliga uppfattningar.

Som forskarna visste, är det många proteiner som deltar i den apoptopiska processen, och medan några av dem förhindrar celldöd finns andra som triggar igång den. De här proteinerna kommunicerar med varandra i ett komplext system. Vid den här tiden trodde många att dessa proteiner var för svåra att påverka med små läkemedelsmolekyler (small molecule medicines), och att de därmed skulle vara omöjliga måltavlor för behandling.

En orsak är att ytan på de här proteinerna är stor och utan särdrag, jämfört med de strukturer små läkemedelsmolekyler brukar kunna binda till. Dessutom skiljer sig sättet som proteinerna interagerar jämfört med det sätt som enzymer eller kinaser (enzymer som påverkar den biologiska funktionen hos proteiner) interagerar, som är mer typiska måltavlor för små läkemedelsmolekyler.

– Tanken att vi skulle kunna designa en liten läkemedelsmolekyl som kunde störa en interaktion mellan två proteiner var något helt nytt och oprövat, men vi trodde att det skulle vara möjligt, säger Petros, numera senior huvudforskare på AbbVie.
– Vi började genom att använda kraftfulla analysverktyg som NMR-spektroskopi och röntgenkristallografi för att skapa oss en karta över BCL-xL, det mest lättillgängliga proteinet i den apoptopiska processen, så vi verkligen kunde komma åt vilka aktiva ytor som fanns på ytan, och som vi skulle kunna ha som måltavlor för att blockera funktionen med hjälp av ett läkemedel.

När teamet väl hade en karta över proteinytan, behövde de hitta en molekyl som skulle kunna binda till den, för att hindra funktionen hos BCL-proteiner på cancercellernas yta.

– Vi tog ett steg tillbaka för att fundera över varför protein-protein interaktioner var så svårt, säger Hajduk, som numera arbetar som vice President på R&D information Research på AbbVie.
– Vi letade egentligen efter en befintlig molekyl, som skulle kunna störa interaktionerna på ett flertal ställen på ytan, och vi letade i ett bibliotek som innehöll miljontals av molekyler.

Så teamet närmade sig problemet som ett pussel.

– Istället för att hitta alla bitar på en gång tänkte vi, låt oss titta här först, och hitta en molekyl som binder hit. Sen kan vi hitta ett närliggande ställe senare, säger Hajduk.
– Det gjorde att vi fick ett linjärt problem, där du först kan lösa det första problemet, sen det andra, och sen lista ut hur du krokar samman alltihop.

Forskare använder olika metoder för att screena ämnen för att se vilka som kan binda till en särskild målstruktur och hur starkt de kan binda. Traditionella högeffektiva metoder – sätt som gjorde att forskare kunde screena ett stort antal ämnen snabbt – fungerade bra när måltavlorna var enzymer och kinaser, men inte för proteiner.

Att inte ha nödvändiga verktyg skulle kunna ha lett till att de gav upp, men istället bestämde sig teamet för att själva skapa de verktyg de behövde. De skapade en teknologi som kallas SAR genom NMR (structure-activity relationships by nuclear magnetic resonance) som använder NMR-spektroskopi – ett sätt att mäta interaktioner mellan molekyler med hjälp av radiovågor – för att identifiera mycket små organiska molekyler, eller fragment, som binder svagt till målproteinet.

När de identifierat de fragment som binder till BCL-xL kunde teamet använda NMR-spektroskopi igen för att samla information om hur fragmenten binder till proteinet. Sen kunde de använda kemiska metoder för att länka samman de här svaga bindande fragmenten, och på så vis skapa en större molekyl med en starkare bindning till BCL-xL-proteinet.

Det här verktyget har inte bara gjort att teamet kunde lösa sitt problem, utan har på senare tid hjälpt forskare över hela världen att skapa innovativa läkemedel.

– SAR genom NMR har blivit ett standardverktyg på företag för att hitta en startpunkt, säger Petros – Det finns till och med företag nu som sysslar enbart med detta, som numera kallas för fragment-baserad läkemedelsutveckling.

Fyra-regeln, eller ”Lipinski´s rule of four”, skapdes av Pfizer-forskaren Christopher Lipinski 1997 och är en tumregel för om ett läkemedels kemiska och biologiska egenskaper gör det lämpligt som ett oralt läkemedel (läkemedel som kan tas via munnen, till exempel som tablett eller kapsel). Ett biologiskt aktivt läkemedel som har dessa fyra egenskaper – allt från hur det absorberas i kroppen till hur det utsöndras – anses ha bättre förutsättningar att fungera när man sen testar läkemedlet kliniskt.

– När vi hade kartlagt BCL-xL-proteinets struktur och hade en uppfattning om vad vi hade att jobba med, visste vi att vi inte skulle kunna ha en molekyl som uppfyller fyra-regeln på grund av egenskaperna hos bindningsstället. Men i slutändan visade vår forskning att det var möjligt att utveckla en molekyl som inte följde fyra-regeln, men ändå hade effekt, säger Petros.
– Inte en enda av de molekyler vi bestämde oss för att studera kliniskt följde de normala reglerna vid läkemedelsutveckling.