Tarmen är kroppens aggressivaste miljö. Tabletter är bekväma att använda och cirka 70 procent av de läkemedel som säljs idag är avsedda för oralt bruk. Forskning över ämnesgränserna visar hur man kan utveckla nanopartiklar som hjälper läkemedel mot tarmsjukdomar klara den utmanande miljön och ta sig in i rätt celler.
Text: Nicklas Hägen
Läkemedelsutveckling består av några centrala delar. För det första behöver man känna sjukdomen ända ner på molekylär nivå, för att förstå hur den fungerar och varför den är problematisk. För det andra behöver man hitta en aktiv molekyl som har den effekt man önskar, så att den avbryter eller rättar till de skadliga skeendena i kroppen. För det tredje behöver man utveckla läkemedlet så att den aktiva molekylen förs till rätt plats i kroppen, det vill säga till den plats där sjukdomen finns och där den behöver verka.
Åbo Akademis farmaciprofessor Jessica Rosenholm, forskningsledare i cellbiologi Cecilia Sahlgren och akademilektor i cellbiologi Diana Toivola har tillsammans visat hur man kan utveckla nanopartiklar som kan bära med sig läkemedel mot olika tarmsjukdomar genom tarmens utmanande miljö och sedan ta sig in i tarmceller av ett specifikt slag. Partiklarna för alltså inte bara de aktiva molekylerna till rätt plats i kroppen, utan tar dem också in i cellerna för att där verka mot de proteiner som orsakar sjukdomen. Detta gör att mindre mängder läkemedel räcker och att mindre mängder av de aktiva molekylerna tar sig in i friska celler. Resultaten är unika i sitt slag.
– Det finns sedan tidigare tabletter som har olika höljen så att tabletterna sönderfaller på ett visst ställe i tarmen. Det unika med de bärarpartiklar vi utvecklat är att de frigör läkemedlet först efter att de upptagits av de specifika tarmcellerna. Det finns inte sedan tidigare, säger Jessica Rosenholm.
En aggressiv miljö
Med ett lågt pH-värde och en mängd olika enzymer är magen kroppens aggressivaste miljö. Dessutom skyddas mag- och tarmkanalen av en slemhinna, som gör tarmcellerna svåra att komma åt även om läkemedlet nått fram till rätt ställe i tarmen.
– För att du ska orka genom dagen måste dina tarmceller bryta ned näringen och sönderdela födan ordentligt så att vi kan ta upp den i tunntarmen. För att det ska ske behövs många enzymer, som produceras av kroppen och kommer ut i tarmkanalen, säger Diana Toivola.
– Tarmcellerna kan inte ta upp näringen som större bitar, utan proteiner, fetter och kolhydrater bryts ner till sina grundmolekyler. Men det innebär att tarmen också bryter sönder de läkemedel vi tar oralt.
Det här betyder att det är en lång och utmanande väg för läkemedlen att ta sig, när målet är olika sjukdomar i tarmen.
– De största och vanligaste sjukdomarna i tarmkanalen är i tjocktarmen, det vill säga den sista biten av tarmen. Främst handlar det om tarminflammation och tjocktarmscancer. Magsår förekommer högre upp i mag-tarmkanalen, tunntarmen kan vara inflammerad och i ovanliga fall förekommer det cancer också där. Men den absoluta majoriteten av tarmcancer förekommer i tjocktarmen, säger Toivola.
Överaktiva signaler och målstyrning
Tarmen är en mycket aktiv vävnad. Det sker en ständig förnyelse, så kallad regenerering, i vävnaderna och här pågår också en konstant rörelse för att föra maten framåt. Ser man på sjukdomarna i tarmen på molekylär nivå är de, som många andra sjukdomar, inte unika till sin natur. Vanligtvis handlar det om vanliga processer som gått överstyr.
– De flesta molekylära mekanismerna pågår också i en helt vanlig utvecklingsprocess och under de regenereringsprocesser som sker i tarmen. Sjukdomar uppstår när processerna blir överaktiva eller hyperaktiva, säger Cecilia Sahlgren.
Sahlgren är specialiserad på en viss form av signalprocesser i cellerna som kallas notchsignalering. Det är en specifik form av kommunikation som pågår på molekylnivå mellan cellerna, och som visat sig vara ur balans i samband med många sjukdomar – bland annat tarmcancer.
– Mutationer i gener som kodar för de olika komponenterna i notchprocessen är anknutna till en massa olika sjukdomar, som hjärt- och kärlsjukdomar, cancersjukdomar och alla former av regenerativa sjukdomar, säger Sahlgren.
– Stora läkemedelsföretag som Merck, Genentech och Eli Lilly har länge utvecklat läkemedel för att kunna inhibera den här signalräckan, men det finns ännu inga kliniska läkemedel i användning på grund av att de ger så svåra biverkningar. Det är ett vanligt problem när de molekylära processer man försöker påverka också pågår i friska vävnader.
När vi sväljer läkemedel i form av tabletter löses de upp och sprids, beroende på deras karaktär, på olika sätt i kroppen. Det här betyder att läkemedlet också kommer att tas upp av och påverka kroppens friska celler. Ett läkemedel som har en positiv effekt på en sjuk cell, behöver inte ha det på en frisk cell. Läkemedlets spridning runtom i kroppen kan tvärtom förorsaka biverkningar som i värsta fall skadar de friska cellerna.
För att minska på biverkningarna är det alltså viktigt att man får en så stor del som möjligt av läkemedlets aktiva molekyler att nå de sjuka cellerna. Detta görs genom att kemiskt utveckla läkemedlen så att de i så stor utsträckning som möjligt träffar sitt mål.
Som exempel i partiklarna har trion använt sig av en molekyl som blockerar enzymet ”gammasekretas”. Det är en cancermedicin som ursprungligen utvecklades för behandling av alzheimer men drogs bort under den tredje fasen av kliniska försök, den sista fasen innan ett läkemedel släpps på marknaden. Orsaken var att biverkningarna var så svåra.
– Läkemedlet inhiberar notchprocesserna. Bland biverkningarna fanns immunologiska problem, diarré och vaskulära tumörer. Dessa var direkt kopplade till att notchprocesserna inhiberades också i de fall där det inte alls var det ursprungliga målet, säger Sahlgren.
I den nu aktuella undersökningen använde man alltså en aktiv molekyl som är av fortsatt intresse för läkemedelsindustrin, men vars användning ger svåra biverkningar när det befinner sig på fel ställe i kroppen. På det här sättet ville man visa att man kan minska de negativa effekterna genom att packa in läkemedlet i partiklar och styra det till rätt plats, så att man bara dämpar notchsignalerna på de ställen där man vill att de ska minska. Denna effekt lyckades man åstadkomma.
Ansamlingen av läkemedel till de sjuka cellerna förbättrades ytterligare genom att man lyckades få bärarpartiklarna att ta sig in i cellen före läkemedlet frigjordes. På det här sättet minskade mängden fritt cirkulerande läkemedel som kunde söka sig till ställen i kroppen där det inte var önskvärt.
– Ett normalt läkemedel distribueras jämnt mellan cellerna, så att man får samma koncentration av läkemedel i sjuka och friska delar av kroppen. Genom att sätta in läkemedlet i nanopartiklar kan man förbättra hur läkemedlet hittar fram till rätt plats så att koncentrationen i de sjuka cellerna är hög. Det blir en bättre balansering som minskar på den mängd läkemedel patienten behöver ta för att nå önskad effekt, säger Sahlgren.
Nästa steg är att kunna designa läkemedlet så att det uteslutande tas upp av de sjuka cellerna. För att kunna göra det behöver man lära känna sjukdomsbilden och de molekylära mekanismerna ännu bättre och se om man hittar markörer som är specifika för de sjuka cellerna.
– Om de sjuka cellerna uttrycker vissa bestämda receptorer på sin yta så kan vi koppla ligander till partikeln som kopplar specifikt till dessa receptorer på cellytan, säger Rosenholm.
Sahlgren fortsätter:
– Då får man också en berikning av upptaget och kanske man förhindrar att det tas upp av friska celler. Men det är mycket svårare. Om du får läkemedlet till rätt ställe och sedan har ett effektivt upptag så får du en väldigt hög koncentration av läkemedlet i de sjuka cellerna. Nu har vi inte använt en specifik sjukdomsmodell. Det är nästa utmaning.
Ett samarbete som visar vad som behövs
Jessica Rosenholm, Cecilia Sahlgren och Diana Toivola har publicerat arbetet med utvecklingen av ett nanoläkemedel mot tarmsjukdomar i en artikel i International Journal of Nanomedicine, och fler artiklar är under arbete.
– Mitt team har nyligen utvecklat en ny modell för tjocktarmscancer som Cecilia och jag utnyttjar för att titta närmare på sjukdomsmekanismerna. Jag är för tillfället i kontakt med gastroenterologer bland annat vid Åbo universitetscentralsjukhus för att lära mig om behoven och problemen, säger Diana Toivola.
Det här gränsöverskridandet har varit centralt för arbetet. Det förgrenar sig från Åbo Akademi och Åbo Bioteknikcentrum ut till Turku Center for Disease Modeling vid Åbo universitet, Technische Universiteit Eindhoven, samt det europeiska visualiseringsprojektet EuroBioimaging, vars finländska avdelning Åbo Akademi nyligen fick finansiering för att koordinera.
Där Toivola bidragit med kunskap om tarmarna, deras sjukdomar och de molekylära processerna i dem, har Sahlgren bidragit med kunskap om specifikt notchsignaleringen i sjukdomen och olika biologiska modellsystem som krävs för att testa och utveckla nanomediciner. Rosenholm har bidragit med designen av nanoläkemedlet.
– Det här samarbetet visar vilken typ av expertis du behöver. Du behöver kemiexpertis för att designa läkemedlet och farmaci för att förstå vilka parametrar som är centrala. Du behöver kunskap om sjukdomsmodeller och hur de uppstår, men också kunskap om de molekylära mekanismerna för att förstå exakt hur sjukdomen uppkommer, säger Sahlgren.
Hon påpekar att vikten av ett forskningsarbete inte bara går att mäta i en färdig produkt, i det här fallet om ett läkemedel tar sig ut på marknaden.
– Det är fråga om utbildning, samhällsklimat och hur du möter patienter och människor, säger Sahlgren.
– Det här har varit ett jätteroligt tvärvetenskapligt arbete med ett gemensamt mål där alla kan bidra med något, men också en skolningsprocess av nästa generations forskare och samhällsaktörer. De måste kunna mera än att vara experter på sitt eget område. De måste kunna kommunicera och ha ödmjukheten, förståelsen och respekten för andra ämnen. Man kommer ingenstans om man inte har de egenskaperna.
Toivola tillägger att de studerande som på olika sätt varit involverade i arbetet, har haft en mycket viktig roll.
– Jag vill särskilt lyfta fram farmacidoktorand Diti Desai. Hon har varit jätteviktig här, hon har gjort det mesta i arbetet. Hon är smart, snabb och noggrann – utan henne skulle vi aldrig ha fått det färdigt. Hon hade inte sett en cell när hon kom, men nu har hon till och med arbetat med möss, säger Toivola.
Något utifrån finansierat beställningsarbete är partiklarna inte. Trion har tagit initiativ till det på egen hand, enligt eget intresse.
– Man kan inte beställa innovationer. De måste komma på det här sättet, säger Sahlgren.
– Forskningen följer inte alltid till hundra procent beskrivningen i forskningsplanen. När man kommit en bit kan man märka att man behöver dra det åt något annat håll, säger Toivola.