Mappatura del Surfaceoma per scoprire potenziali bersagli farmacologici / Mapping the Surfaceome To Uncover Potential Drug Targets
Mappatura del Surfaceoma per scoprire potenziali bersagli farmacologici / Mapping the Surfaceome To Uncover Potential Drug Targets
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Molte delle classi di farmaci più promettenti in fase di sviluppo, dalle terapie con cellule CAR T ai coniugati anticorpo-farmaco, hanno come bersaglio le proteine espresse sulla superficie cellulare.
Si stima infatti che ben il 70% dei farmaci attualmente in commercio abbia come bersaglio le proteine di superficie cellulare. Ciò non sorprende, dato che garantire che una proteina bersaglio sia accessibile all'intervento è essenziale per trasformare un potenziale farmaco in una terapia efficace.
Anche al di fuori dell'industria farmaceutica, l'importanza biologica delle proteine di superficie cellulare non può essere sottovalutata, dato il loro ruolo chiave nel facilitare la comunicazione tra una cellula e l'ambiente circostante.
Considerati questi fattori, appare chiaro che la capacità di rilevare e identificare tutte le proteine accessibili sulla superficie della cellula – il cosiddetto “surfaceoma” – rappresenterebbe un passo importante per gli scienziati impegnati nei programmi di scoperta e sviluppo di farmaci.
Storicamente, nessuna tecnologia disponibile in commercio è stata in grado di raggiungere la precisione spaziale necessaria per caratterizzare il surfaceoma; l'enorme successo dei farmaci che prendono di mira le proteine della superficie cellulare è stato finora in gran parte casuale. Ma la tecnologia si sta evolvendo rapidamente, con l'avvento della proteomica spaziale e degli strumenti per l'analisi di singole cellule che offrono agli scienziati una maggiore capacità di concentrare i loro studi sulle proteine presenti in posizioni specifiche.
Questi sviluppi si sono rivelati un gradito complemento agli strumenti di vecchia generazione, capaci solo di analizzare le proteine in popolazioni cellulari di grandi dimensioni. Tuttavia, queste nuove piattaforme presentano notevoli differenze in termini di risoluzione e precisione
Sfide nel targeting delle proteine di superficie cellulare
Poiché l'accessibilità di una proteina è così importante, sembrerebbe ovvio che gli scienziati si concentrerebbero su quelle presenti sulla superficie cellulare. Tuttavia, identificare le proteine in quella zona ottimale è molto difficile.
Innanzitutto, molte proteine non rimangono inerti localizzate sulla membrana cellulare; si muovono al suo interno, spostandosi talvolta all'interno della cellula od all'esterno, influenzate da stimoli ambientali, condizioni patologiche e stato cellulare. Di conseguenza, le proteine di superficie cellulare possono cambiare posizione, abbondanza e persino funzione. La dinamica membrana cellulare è un ambiente in costante mutamento che non può essere compreso con una semplice istantanea biologica.
Un'altra sfida fondamentale nella caratterizzazione del surfaceoma deriva dalla relativa scarsa abbondanza di queste proteine, che rappresentano solo una piccola frazione della massa proteica cellulare totale.
Inoltre, le proteine di superficie cellulare sono difficili da isolare ed analizzare a causa della loro natura eterogenea ed idrofobica. Confermarne la posizione richiede una precisione millimetrica; il doppio strato lipidico della superficie cellulare ha uno spessore di soli ~5-10 nm. Pertanto, le proteine appena all'interno della membrana potrebbero essere facilmente scambiate per proteine di superficie, ma dal punto di vista della somministrazione di farmaci, potrebbero risultare inutili come bersagli terapeutici.
Nonostante queste difficoltà, l'identificazione corretta delle proteine di superficie cellulare è fondamentale per i programmi di scoperta di farmaci. I bersagli proteici ritenuti accessibili per l'intervento terapeutico, ma che in realtà non lo sono, possono portare a fallimenti nelle fasi avanzate delle sperimentazioni cliniche, con conseguenti perdite di milioni di dollari in termini di tempo ed investimenti per lo sviluppo.
Il surfaceoma rappresenta il pool ideale di bersagli: proteine con il potenziale di fungere da porte d'accesso biologiche per la terapia.
Approcci di analisi della superficie
Nella maggior parte dei casi, gli strumenti analitici convenzionali non riescono a raggiungere la precisione di localizzazione necessaria per rilevare tutte le proteine accessibili sulla superficie cellulare. Gli approcci comunemente utilizzati, come la microdissezione laser e la marcatura di prossimità, presentano a loro volta degli svantaggi. La microdissezione laser, ad esempio, può raggiungere una precisione a livello di singola cellula, ma non può essere utilizzata per focalizzarsi su un'area piccola come la superficie cellulare. Allo stesso tempo, la marcatura di prossimità può essere soggetta ad artefatti sperimentali ed ad un segnale insufficiente, mentre le problematiche associate al legame artificiale possono produrre risultati non specifici.
Anche con queste nuove piattaforme di biologia spaziale e di analisi delle singole cellule, l'analisi delle proteine è solitamente limitata a bersagli noti. Per caratterizzare il surfaceoma, che può contenere molte proteine inaspettate od addirittura sconosciute, è necessaria una vera e propria tecnica di scoperta.
Un altro nuovo approccio sfrutta i punti di forza di queste diverse tecnologie per raggiungere la precisione necessaria a identificare in modo affidabile le proteine di superficie cellulare. In questo caso, la microscopia ad alta risoluzione viene utilizzata per identificare una regione biologica di interesse con una precisione fino a decine di nanometri. Successivamente, la luce emessa da un laser, in combinazione con un reagente fotoattivato, fotobiotinila le proteine specificamente all'interno di quella regione. Queste proteine marcate vengono quindi arricchite e analizzate mediante spettrometria di massa, consentendo la scoperta e l'identificazione delle proteine esattamente nella posizione di interesse.
In occasione del congresso statunitense di quest'anno dell'Organizzazione per il Proteoma Umano , gli scienziati hanno presentato i risultati di uno studio in cui questo approccio proteomico guidato dalla microscopia è stato utilizzato per la scoperta di biomarcatori e bersagli terapeutici. Un'analisi di cellule HeLa ha identificato almeno 3500 proteine, di cui oltre 1600 erano note proteine di superficie cellulare. Un'analisi di Gene Ontology ha rilevato che oltre la metà delle proteine più arricchite era localizzata nei compartimenti della membrana plasmatica; una modifica al protocollo di lavoro, volta ad aumentarne la specificità, ha portato tale percentuale a circa il 70% delle proteine più arricchite. Lo studio ha inoltre permesso agli scienziati di scoprire nuove proteine di superficie cellulare che potrebbero essere di interesse per future attività di identificazione di bersagli terapeutici.
Applicazioni nella scoperta di farmaci
Nel settore biofarmaceutico, la capacità di caratterizzare le proteine di superficie cellulare sarà fondamentale per l'identificazione dei bersagli farmacologici e la scoperta di biomarcatori.
Le attività di identificazione del bersaglio possono trarre vantaggio dalla garanzia dell'accessibilità fisica di una proteina di superficie cellulare, un elemento cruciale per la selezione di un bersaglio efficace. L'identificazione con successo delle proteine di superficie cellulare eliminerà la necessità di affrontare in seguito le problematiche relative al rilascio intracellulare.
Nella scoperta di biomarcatori, la capacità di selezionare le proteine in base alla loro localizzazione sulla membrana cellulare aumenterà la probabilità che questi biomarcatori siano accessibili per successivi test clinici. Le proteine di superficie tendono inoltre ad essere più rilevanti dal punto di vista biologico per determinati aspetti della malattia, con cambiamenti che indicano la progressione della patologia o il successo dell'intervento. Molti dei biomarcatori più noti utilizzati nella medicina di precisione – che permette di abbinare i pazienti alle terapie con maggiori probabilità di essere efficaci per i loro casi specifici – sono proteine presenti sulla superficie cellulare.
La caratterizzazione del surfaceoma nelle prime fasi del processo di scoperta di farmaci contribuirà a garantire che solo i target o i biomarcatori con maggiore affidabilità vengano portati alle fasi di sviluppo più costose. Avere la certezza che una proteina di interesse sia presente sulla superficie cellulare è un'informazione utile e fruibile che può contribuire a minimizzare i fallimenti nelle fasi avanzate e potenzialmente tradursi in miglioramenti significativi in termini di efficacia.
ENGLISH
A novel method identified thousands of cell-surface proteins, surpassing previous surfaceome exploration efforts.
Many of the most promising classes of drugs in development—from CAR T-cell therapies to antibody-drug conjugates—target proteins expressed on the cell surface.
In fact, it’s estimated that as many as 70% of drugs on the market today target cell-surface proteins. That’s not terribly surprising, since ensuring that a protein target is accessible to intervention is essential for developing a candidate into a successful therapy.
Even outside of the pharmaceutical industry, the biological importance of cell-surface proteins cannot be underplayed, given their key role in facilitating communication between a cell and its surroundings.
Given these factors, it seems clear that the ability to detect and identify all proteins that are accessible on the surface of the cell—described as the “surfaceome”—would be an important step for scientists in drug discovery and development programs.
Historically, no commercially available technology has been capable of the spatial precision needed to characterize the surfaceome; the overwhelming success of drugs targeting cell-surface proteins so far has been largely serendipitous. But technology has been evolving quickly, with the advent of spatial proteomics and single-cell tools that give scientists a greater ability to focus their studies on proteins found in specific locations.
These developments have been welcome complements to the older generation of tools, capable only of protein analysis in bulk cell populations. Still, these newer platforms vary greatly in the resolution and precision they deliver
Challenges in targeting cell-surface proteins
Since accessibility of a protein is so important, it seems obvious that scientists would target those found on a cell’s surface. But identifying proteins within that sweet spot is very difficult.
For one thing, many proteins do not stay idly localized to a cell’s membrane; they move around, sometimes shuttling down into the cell or back out of it as they are influenced by environmental stimuli, disease conditions, and cell state. As a result, cell-surface proteins may change location, abundance, and even function. The dynamic cell membrane is a constantly shifting landscape that cannot be understood with a simple biological snapshot.
Another key challenge in characterizing the surfaceome stems from the relatively low abundance of these proteins, which represent just a small fraction of total cellular protein by mass.
Additionally, cell-surface proteins are difficult to isolate and analyze due to their heterogeneous and hydrophobic nature. Confirming their location requires pinpoint accuracy; the cell surface lipid bilayer is only ~5–10 nm thick. Therefore, proteins just inside the membrane could be easily mistaken for being on the surface, but from a drug-delivery perspective, they might be useless as therapeutic targets.
Despite these challenges, correctly identifying cell-surface proteins is vital for drug discovery programs. Protein targets believed to be accessible for therapeutic intervention but that ultimately aren’t can lead to failures in late-stage trials, costing millions in lost time and development investment.
The surfaceome represents the ideal pool of targets: proteins with the potential to serve as biological gateways for therapy.
Surfaceome analysis approaches
For the most part, conventional analytical tools cannot achieve the location precision needed to detect all proteins accessible on a cell surface. Commonly used approaches, such as laser capture microdissection and proximity labeling, have their own disadvantages. Laser microdissection, for example, can achieve single-cell precision, but it cannot be used to focus on an area as small as the cell surface. At the same time, proximity labeling can suffer from experimental artifacts and insufficient signal, while challenges associated with artificial binding can produce non-specific results.
Even with these newer spatial biology and single-cell platforms, protein analysis is usually limited to known targets. To characterize the surfaceome, which may contain many unexpected or even unknown proteins, a true discovery technique is required.
Another new approach leverages the strengths of these different technologies to achieve the precision needed to reliably identify cell-surface proteins. In this case, high-resolution microscopy is used to identify a biological region of interest with accuracy down to the tens of nanometers. Next, light emitted from a laser, in combination with a photoactivated reagent, photo-biotinylates proteins specifically within that region. These labeled proteins are then enriched and analyzed by mass spectrometry, enabling the discovery and identification of proteins from precisely the location of interest.
At this year’s United States meeting of the Human Proteome Organization, scientists presented results from a study in which this microscopy-guided proteomic approach was used for biomarker and target discovery. An analysis of HeLa cells identified at least 3500 proteins, of which more than 1600 were known cell-surface proteins. A Gene Ontology analysis found that over half of the most enriched proteins were localized to plasma-membrane compartments; an adjustment to the workflow protocol intended to increase specificity boosted that rate to about 70% of the most enriched proteins. The study also enabled scientists to discover novel cell-surface proteins that could be of interest for future target identification work.
Applications in drug discovery
In biopharmaceuticals, the ability to characterize cell-surface proteins will be most important for the identification of drug targets and discovery of biomarkers.
Target identification efforts can benefit from ensuring the physical accessibility of a cell-surface protein, a crucial component of selecting a strong target. Successfully identifying cell-surface proteins will eliminate the need to work out the challenges of intracellular delivery later down the line.
In biomarker discovery, the ability to select proteins based on their membrane localization will increase the likelihood that these biomarkers will be accessible for downstream clinical testing. Surface proteins also tend to be more biologically relevant for certain aspects of disease, with changes indicative of progression or successful intervention. Many of the best-known biomarkers used for precision medicine—matching patients with therapies most likely to be effective for their specific cases—are proteins found on the surface of cells.
Characterizing the surfaceome early in the drug discovery process will help to ensure that only the higher-confidence targets or biomarkers are advanced to the more costly stages of development. Having certainty that a protein of interest is found on the cell surface is useful, actionable information that can help minimize late-stage failures and potentially translate into meaningful improvements in efficacy.
Da:
https://www.technologynetworks.com/biopharma/articles/mapping-the-surfaceome-to-uncover-potential-drug-targets-413066
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