Przełom w produkcji uznanego leku na raka osiągnięty przez naukowców ze Stanford

Związek ten, który naturalnie występuje tylko w jednym gatunku drzewa lasu deszczowego, może teraz znaleźć szersze zastosowanie w badaniach naukowych i zastosowaniach klinicznych. Naukowcy ze Stanford University odkryli szybki i zrównoważony sposób syntetycznej produkcji obiecującego związku zwalczającego raka bezpośrednio w laboratorium. Dostępność związku była ograniczona, ponieważ jego jedynym znanym obecnie naturalnym źródłem jest pojedynczy gatunek rośliny, który rośnie wyłącznie w małym regionie lasów deszczowych w północno-wschodniej Australii.

Związek ten, który naturalnie występuje tylko w jednym gatunku drzewa lasu deszczowego, może teraz znaleźć szersze zastosowanie w badaniach naukowych i zastosowaniach klinicznych. Naukowcy ze Stanford University odkryli szybki i zrównoważony sposób syntetycznej produkcji obiecującego związku zwalczającego raka bezpośrednio w laboratorium. Dostępność związku była ograniczona, ponieważ jego jedynym znanym obecnie naturalnym źródłem jest pojedynczy gatunek rośliny, który rośnie wyłącznie w małym regionie lasów deszczowych w północno-wschodniej Australii. Doktoranci Edward Njoo, David Fanelli, Zach Gentry i Owen McAteer. Ci naukowcy osiągnęli syntezę związku EBC-46 zwalczającego raka. (Źródło zdjęcia: Paul Wender) Związek oznaczony jako EBC-46 i technicznie nazywany tigilanol tiglate działa poprzez promowanie zlokalizowanej odpowiedzi immunologicznej przeciwko guzom. Odpowiedź rozbija naczynia krwionośne guza i ostatecznie zabija jego komórki rakowe. EBC-46 niedawno wszedł do badań klinicznych na ludziach po jego niezwykle wysokiej skuteczności w leczeniu pewnego rodzaju raka u psów. Biorąc jednak pod uwagę jego złożoną strukturę, EBC-46 wydawał się syntetycznie niedostępny, co oznaczało, że nie istniała żadna prawdopodobna ścieżka do jego produkcji w praktyce w laboratorium. Jednak dzięki sprytnemu procesowi naukowcy ze Stanford po raz pierwszy zademonstrowali, jak chemicznie przekształcić obfity, roślinny materiał wyjściowy w EBC-46. Jako bonus, proces ten może produkować „analogi” EBC-46 – związki, które są chemicznie podobne, ale które mogą okazać się jeszcze skuteczniejsze i potencjalnie leczyć zaskakująco szeroki zakres innych poważnych chorób. Te choroby, do których należą AIDS, stwardnienie rozsiane i choroba Alzheimera, wszystkie mają wspólne ścieżki biologiczne, na które oddziałuje cel EBC-46, kluczowy enzym zwany kinazą białkową C lub PKC. „Jesteśmy bardzo podekscytowani, mogąc poinformować o pierwszej skalowalnej syntezie EBC-46” — powiedział Paul Wender , profesor Francis W. Bergstrom w School of Humanities and Sciences , profesor chemii i, dzięki uprzejmości, chemii i biologii systemów na Uniwersytecie Stanforda oraz autor korespondencyjny badania opisującego wyniki w czasopiśmie Nature Chemistry . „Możliwość wytworzenia EBC-46 w laboratorium naprawdę otwiera ogromne możliwości badawcze i kliniczne”. Współautorami badania są Zachary Gentry, David Fanelli, Owen McAteer i Edward Njoo, wszyscy są doktorantami w laboratorium Wendera, wraz z byłym członkiem Quang Luu-Nguyen. Wender przekazał ogromną satysfakcję, jaką zespół badawczy odczuwał z powodu przełomu w syntezie EBC-46. „Gdybyś odwiedził laboratorium w pierwszych kilku tygodniach po ich sukcesie” — powiedział Wender — „zobaczyłbyś moich znakomitych kolegów uśmiechających się od ucha do ucha. Udało im się zrobić coś, co wiele osób uważało za niemożliwe”. Z odległego regionu Tigilanol tiglate początkowo pojawił się w zautomatyzowanym procesie badania kandydatów na leki przez QBiotics, australijską firmę. W naturze związek ten występuje w nasionach różowych owoców drzewa rumiankowego, Fontainea picrosperma . Torbacze, takie jak piżmowe kangury szczurze, które jedzą owoce rumianku, unikają nasion bogatych w tigilanol tiglate, które po spożyciu wywołują wymioty i biegunkę. Wstrzyknięcie znacznie mniejszych dawek EBC-46 bezpośrednio do niektórych guzów litych modyfikuje sygnalizację komórkową przez PKC. Konkretnie, EBC-46 ma aktywować pewne formy PKC, które z kolei wpływają na aktywność różnych białek w komórkach rakowych, przyciągając odpowiedź immunologiczną organizmu gospodarza. Powstały stan zapalny powoduje nieszczelność naczyń krwionośnych guza, a to krwawienie powoduje obumieranie guza. W przypadku zewnętrznych, skórnych nowotworów złośliwych guzy pokrywają się strupami i odpadają, a sposoby dostarczania EBC-46 do wewnętrznych guzów są badane. W 2020 r. Europejska Agencja Leków i Agencja Żywności i Leków w Stanach Zjednoczonych zatwierdziły lek oparty na EBC-46, sprzedawany pod marką Stelfonta, w leczeniu raka komórek tucznych, najczęstszych nowotworów skóry u psów. Badanie wykazało 75% wskaźnik wyleczeń po pojedynczym zastrzyku i 88% wskaźnik po drugiej dawce. Od tego czasu rozpoczęto badania kliniczne dotyczące raka skóry, głowy i szyi oraz tkanek miękkich u ludzi. Na podstawie tych pojawiających się badań i potrzeb klinicznych w połączeniu z ograniczeniami geograficznymi nasion źródłowych, naukowcy rozważali założenie specjalnych plantacji dla drzew rumianku. Ale takie działanie stwarza wiele problemów. Na początek drzewa wymagają zapylania, co oznacza, że ​​odpowiedni rodzaj zwierząt zapylających musi być dostępny, a drzewa muszą być sadzone w odpowiednich gęstościach i odległościach, aby wspomóc zapylanie. Ponadto, sezonowe i klimatyczne wahania wpływają na drzewa, wraz z patogenami. Wyznaczanie działek dla drzew rumianku dodatkowo stwarza problemy z użytkowaniem gruntów. „Aby zapewnić zrównoważoną i niezawodną produkcję EBC-46 w ilościach, których potrzebujemy”, powiedział Wender, „naprawdę musimy pójść drogą syntezy”. Tworzenie EBC-46 od podstaw Dobrym punktem wyjścia do wytworzenia EBC-46, jak zauważyli Wender i współpracownicy, jest związek pochodzenia roślinnego, forbol. Ponad 7000 gatunków roślin na całym świecie produkuje pochodne forbolu, a nasiona bogate w forbol są niedrogie w sprzedaży. Naukowcy wybrali Croton tiglium , powszechnie znany jako przeczyszczający kroton, zioło stosowane w tradycyjnej medycynie chińskiej. Pierwszy krok w przygotowaniu EBC-46, wyjaśnia Wender, pokrywa się z codziennym doświadczeniem. „Kupujesz worek tych nasion i to trochę jak robienie kawy rano” — powiedział Wender. „Rozdrabniasz nasiona i przepuszczasz przez nie gorący rozpuszczalnik, aby wyekstrahować składnik aktywny”, w tym przypadku olej bogaty w forbol. Po przetworzeniu oleju w celu uzyskania forbolu, naukowcy musieli następnie znaleźć sposób na pokonanie wcześniej nie do pokonania wyzwania, jakim było przyozdobienie części cząsteczki, zwanej pierścieniem B, starannie rozmieszczonymi atomami tlenu. Jest to wymagane, aby umożliwić EBC-46 interakcję z PKC i zmodyfikować aktywność enzymu w komórkach. Przy prowadzeniu badań chemicznych i biologicznych naukowcy posługiwali się sprzętem ze Stanford Neuroscience Microscopy Service, Stanford Cancer Institute Proteomics/Mass Spectrometry Shared Resource oraz klastrem Stanford Sherlock do modelowania komputerowego. Dzięki temu wskazówkom zespołowi udało się dodać dodatkowe atomy tlenu do pierścienia B forbolu, najpierw poprzez tzw. reakcję ene (wymawiane „een”) prowadzoną w warunkach przepływu, w której reagenty mieszają się podczas przepływu przez rurkę. Następnie zespół wprowadził inne grupy pierścienia B w sposób stopniowy i kontrolowany, aby uzyskać pożądane układy przestrzenne atomów. W sumie, do uzyskania analogów EBC-46 potrzebnych było tylko cztery do sześciu kroków, a do osiągnięcia samego EBC-46 kilkanaście kroków. Wender ma nadzieję, że znacznie szersza dostępność EBC-46 i jego kuzynów wpływających na PKC, jaką zapewnia to przełomowe podejście, przyspieszy badania nad potencjalnie rewolucyjnymi nowymi metodami leczenia. „W miarę jak dowiadujemy się coraz więcej o tym, jak funkcjonują komórki, dowiadujemy się więcej o tym, jak możemy kontrolować tę funkcjonalność” — powiedział Wender. „Ta kontrola funkcjonalności jest szczególnie ważna w przypadku komórek, które stają się nieobliczalne w chorobach od raka po chorobę Alzheimera”. Wender jest również członkiem Stanford Bio-X i Stanford Cancer Institute oraz członkiem  Sarafan ChEM-H .

Breakthrough in the production of an acclaimed cancer-treating drug achieved by Stanford researchers Found naturally only in a single rainforest tree species, the compound can now have expanded availability for research and clinical uses. Stanford University researchers have discovered a rapid and sustainable way to synthetically produce a promising cancer-fighting compound right in the lab. The compound’s availability has been limited because its only currently known natural source is a single plant species that grows solely in a small rainforest region of Northeastern Australia. PhD students Edward Njoo, David Fanelli, Zach Gentry, and Owen McAteer. These researchers achieved the synthesis of the cancer-fighting compound EBC-46. (Image credit: Paul Wender) The compound, designated EBC-46 and technically called tigilanol tiglate, works by promoting a localized immune response against tumors. The response breaks apart the tumor’s blood vessels and ultimately kills its cancerous cells. EBC-46 recently entered into human clinical trials following its extremely high success rate in treating a kind of cancer in dogs. Given its complex structure, however, EBC-46 had appeared synthetically inaccessible, meaning no plausible path seemed to exist for producing it practically in a laboratory. However, thanks to a clever process, the Stanford researchers demonstrated for the first time how to chemically transform an abundant, plant-based starting material into EBC-46. As a bonus, this process can produce EBC-46 “analogs” – compounds that are chemically similar, but which could prove even more effective and potentially treat a surprisingly wide range of other serious maladies. These diseases, which include AIDS, multiple sclerosis, and Alzheimer’s disease, all share biological pathways impacted by EBC-46’s target, a key enzyme called protein kinase C, or PKC. “We are very excited to report the first scalable synthesis of EBC-46,” said Paul Wender, the Francis W. Bergstrom Professor in the School of Humanities and Sciences, professor of chemistry and, by courtesy, of chemical and systems biology at Stanford, and corresponding author of a study describing the results in the journal Nature Chemistry. “Being able to make EBC-46 in the lab really opens up tremendous research and clinical opportunities.” Co-authors of the study are Zachary Gentry, David Fanelli, Owen McAteer, and Edward Njoo, all of whom are PhD students in Wender’s lab, along with former member Quang Luu-Nguyen. Wender conveyed the immense satisfaction the research team felt over the EBC-46 synthesis breakthrough. “If you were to have visited the lab the first few weeks after they succeeded,” said Wender, “you would’ve seen my stellar colleagues smiling from ear to ear. They were able to do something many people had considered impossible.” From a remote region Tigilanol tiglate initially turned up through an automated drug candidate screening process by QBiotics, an Australian company. In nature, the compound appears in the seeds of the pink fruit of the blushwood tree, Fontainea picrosperma. Marsupials such as musky rat-kangaroos that eat blushwood fruit avoid the tigilanol tiglate-rich seeds, which when ingested trigger vomiting and diarrhea. Injecting far smaller doses of EBC-46 directly into some solid tumors modifies the cellular signaling by PKC. Specifically, EBC-46 is proposed to activate certain forms of PKC, which in turn influence the activity of various proteins in the cancerous cells, attracting an immune response by the host’s body. The resulting inflammation makes the tumor’s vasculature, or blood vessels,  leaky, and this hemorrhaging causes the tumorous growth to die. In the case of external, cutaneous malignancies, the tumors scab up and fall off, and ways of delivering EBC-46 to internal tumors are being investigated. In 2020, both the European Medicines Agency and the Food and Drug Administration in the United States approved an EBC-46–based medication, sold under the brand name Stelfonta, to treat mast cell cancer, the most common skin tumors in dogs. A study showed a 75% cure rate after a single injection and an 88% rate following a second dose. Clinical trials have since commenced for skin, head and neck, and soft tissue cancers in humans. Based on these emerging research and clinical needs coupled with the source seeds’ geographical limitations, scientists have considered setting up special plantations for blushwood trees. But doing so presents a host of issues. For starters, the trees require pollination, meaning the right sort of pollinating animals must be on hand, plus trees must be planted in appropriate densities and distances to aid pollination. Furthermore, seasonal and climate variations affect the trees, along with pathogens. Setting aside plots for blushwood trees further poses land use problems. “For sustainable, reliable production of EBC-46 in the quantities we need,” Wender said, “we really need to go the synthetic route.” Making EBC-46 from scratch A good starting point for making EBC-46, Wender and colleagues realized, is the plant-derived compound phorbol. More than 7,000 plant species produce phorbol derivatives worldwide and phorbol-rich seeds are commercially inexpensive. The researchers selected Croton tiglium, commonly known as purging croton, an herb used in traditional Chinese medicine. The first step in preparing EBC-46, Wender explains, jibes with an everyday experience. “You buy a sack of these seeds, and it’s not unlike making coffee in the morning,” said Wender. “You grind up the seeds and run some hot solvent through them to extract the active ingredient,” in this case a phorbol-rich oil. After processing the oil to yield phorbol, the researchers then had to figure out how to overcome the previously insurmountable challenge of bedecking a part of the molecule, called the B ring, with carefully placed oxygen atoms. This is required to enable EBC-46 to interact with PKC and modify the enzyme’s activity in cells. To guide their chemical and biological studies, the researchers relied on instrumentation at the Stanford Neuroscience Microscopy Service, the Stanford Cancer Institute Proteomics/Mass Spectrometry Shared Resource, and the Stanford Sherlock cluster for computer modeling. With this guidance, the team succeeded in adding extra oxygen atoms to phorbol’s B ring, first via a so-called ene (pronounced “een”) reaction conducted under flow conditions, where reactants mix as they run together through tubing. The team then introduced other B ring groups in a stepwise, controlled manner to obtain the desired spatial arrangements of the atoms. In total, only four to six steps were required to obtain analogs of EBC-46 and a dozen steps to reach EBC-46 itself. Wender hopes that the far broader availability of EBC-46 and its PKC-influencing cousin compounds afforded by this breakthrough approach will accelerate research into potentially revolutionary new treatments. “As we learn more and more about how cells function, we’re learning more about how we can control that functionality,” said Wender. “That control of functionality is particularly important in dealing with cells that go rogue in diseases ranging from cancer to Alzheimer’s.”

https://news.stanford.edu/stories/2022/10/breakthrough-production-acclaimed-cancer-treating-drug