Waarom wetenschappers de oceaan afzoeken naar nieuwe medicijnen
Terwijl medische onderzoekers hun inspanningen voortzetten om de menselijke gezondheid te verbeteren, richten sommigen hun aandacht op de oceaan omdat ze geloven dat de zeeën van de aarde nieuwe ziektebestrijdende chemie kunnen herbergen.
De oceanen beslaan meer dan tweederde van de aarde. Zoals het gezegde luidt, weten we meer over het oppervlak van de maan dan over de bodem van de oceaan.
Het vermogen van de zee om over te gaan van donkere, explosieve woede naar serene, kristalheldere rust heeft de mensheid bang gemaakt en verleid sinds we voor het eerst het strand bezochten.
Gezien de uitgestrekte, onaangeboorde aard van de oceanen van de aarde, is het logisch om hun diepten te peilen op zoek naar nieuwe en innovatieve behandelingen.
Zeedieren, planten en microben hebben een uniek portfolio van chemicaliën ontwikkeld om zichzelf te verdedigen en communicatie te ondersteunen. Wetenschappers willen graag meer weten over deze nieuwe verbindingen.
Waarom naar de zee kijken?
Er zijn een aantal redenen waarom het leven in de zee een duidelijke selectie van moleculen heeft ontwikkeld. Dieren die aan de vloer verankerd zijn en geen bepantsering hebben, zoals sponzen en koralen, moeten bijvoorbeeld andere manieren vinden om zichzelf te verdedigen. In veel gevallen zijn chemicaliën hun favoriete wapen.
Bovendien hebben zeedieren de neiging om een relatief primitief immuunsysteem te hebben, en sommige leven in overvolle habitats, zoals koraalriffen, waar het verdedigen van zichzelf een fulltime baan is.
Tegelijkertijd moeten organismen in de oceaan sommige organismen aantrekken en andere afstoten. Ze moeten ook de voortplanting coördineren door de afgifte van eieren en sperma in de omgeving te synchroniseren. Al deze dingen vereisen actieve biologische moleculen.
Dieren en planten die in de oceaan leven, zitten en zwemmen in een bad van bacteriën, schimmels en andere organismen die er een maaltijd of een huis van willen maken.
Deze diversiteit aan bedreigingen heeft de evolutie gedwongen tot steeds complexere chemische veldslagen. Sommige van de resulterende verbindingen kunnen nuttig zijn voor onze eigen strijd tegen ziekten.
'Beschouw […] het universele kannibalisme van de zee; allen wier schepselen op elkaar jagen en eeuwige oorlog voeren sinds het begin van de wereld. "
Herman Melville, Moby Dick
Oude zeeën
De fascinatie van medische onderzoekers voor de zee is niets nieuws. Het eerste bewijs dat mensen medicijnen uit de oceaan gebruiken, komt uit China in 2953 v.G.T. Tijdens het bewind van keizer Fu Hsi was er een belasting op de winsten die afkomstig waren van van vis afgeleide medicijnen.
Een paar duizend jaar vooruit springend naar de jaren vijftig, isoleerde een organisch chemicus genaamd Werner Bergmann een aantal nucleosiden uit een Caribische spons, genaamd Cryptotethya crypta.
Deze chemicaliën inspireerden de creatie van een nieuwe generatie medicijnen, waarbij wetenschappers twee medicijnen genaamd Ara-A en Ara-C afleiden uit deze nucleosiden. Artsen gebruiken Ara-A om herpesinfecties te behandelen en Ara-C om acute myeloïde leukemie en non-Hodgkin-lymfoom te behandelen.
In de afgelopen jaren is de belangstelling voor het betrekken van medicijnen uit de oceaan weer toegenomen. Hieronder geven we enkele recente voorbeelden.
Gifstoffen van zeeslakken
Conus magus is een giftige zeeslak waarvan de kleine omvang en het decoratieve omhulsel zijn dodelijke reeks neurotoxines logenstraffen.
De chemische wapens van dit ongewervelde dier zijn conotoxinen - een zeer variabele familie van gifstoffen die, hoewel de slak ze gebruikt om vissen te doden, meer dan in staat zijn om een mens te doden.
Er zijn honderden andere soorten kegelslak, waaronder de geografiekegel. Mensen noemen dit weekdier soms de sigarettenslak omdat je na vergiftiging maar genoeg tijd hebt om een sigaret te roken voordat je sterft.
Ziconotide is een synthetische versie van conotoxine die werkt als pijnstiller en 1000 keer krachtiger is dan morfine. Mensen kunnen het gebruiken om chronische pijn te behandelen die het gevolg is van aandoeningen zoals kanker, stadium 3 HIV en bepaalde neurologische aandoeningen.
Belangrijk is, zoals een auteur schrijft, "langdurige toediening van ziconotide leidt niet tot de ontwikkeling van verslaving of tolerantie."
Omdat ziconotide echter alleen werkt als beroepsbeoefenaren in de gezondheidszorg het rechtstreeks in het ruggenmergvocht toedienen (intrathecaal), gebruiken ze het alleen als andere therapieën hebben gefaald of niet levensvatbaar zijn.
Kankerbehandelingen van onder de golven
Ondanks jaren van onderzoek blijkt kanker nog steeds een harde noot om te kraken. Hoewel de behandeling enorm is verbeterd, willen wetenschappers graag nieuwe bioactieve chemicaliën in handen krijgen die kunnen helpen bij de strijd. Sommige kankeronderzoekers steken hun tenen in de oceaan.
Onlangs onderzocht een groep onderzoekers moleculen die ze hadden gewonnen uit prikken - een kaakloze, parasitaire vis met een oeroude stamboom. Ze waren met name geïnteresseerd in zogenaamde variabele lymfocytreceptoren (VLR's).
VLR's richten zich op de extracellulaire matrix (ECM), een netwerk van moleculen dat tussen cellen loopt. De ECM vervult verschillende rollen in het lichaam. Het biedt bijvoorbeeld structurele ondersteuning voor weefsels, helpt cellen en weefsels aan elkaar te binden en helpt bij cel-naar-celcommunicatie.
Omdat VLR's zich richten op de ECM, geloven onderzoekers dat ze kunnen dienen als medicijnmuilezels die chemicaliën door de normaal ondoordringbare bloed-hersenbarrière en rechtstreeks naar de hersenen kunnen transporteren.
Ze theoretiseren dat als VLR's de bloed-hersenbarrière kunnen omzeilen - een wegversperring voor de meeste medicijnen - ze mogelijk in staat zijn om bepaalde aandoeningen, waaronder hersenkanker en beroerte, effectiever te behandelen. Hun voorbereidende werk in een muismodel leverde bemoedigende resultaten op.
Het wonder van sponzen
Sponzen zijn van bijzonder belang voor onderzoekers van kankermedicijnen. In feite noemen de auteurs van een recensie over het onderwerp hen zelfs een 'drugsschatkamer'. Zij schrijven:
“Elk jaar worden ongeveer 5.300 verschillende natuurlijke producten en nieuwe verbindingen geïsoleerd uit zeesponzen. […] Dergelijke verbindingen bleken antibacteriële, antivirale, antischimmel-, antimalaria-, antitumorale, immunosuppressieve en cardiovasculaire activiteit te hebben. "
De spons Halichondria okadai is verantwoordelijk voor het produceren van één chemische stof, die onderzoekers hebben gerepliceerd en hernoemd als eribulin.
In een onderzoek uit 2010 onder vrouwen met uitgezaaide borstkanker, verlengde de verbinding de levensduur van de deelnemers. In die tijd merkte auteur prof. Christopher Twelves op dat, hopelijk, "[d] eze resultaten eribulin kunnen aantonen als een nieuwe, effectieve behandeling voor vrouwen met uitgezaaide borstkanker in een laat stadium."
Mariene bacteriën
Andere wetenschappers hebben een verbinding genaamd seriniquinon onderzocht Serinicoccus, een zeldzaam geslacht van mariene bacteriën. Wetenschappers hebben aangetoond dat deze chemische stof selectief melanoomkankercellen in het laboratorium kan vernietigen.
Hoewel seriniquinon nog lang niet klaar is voor gebruik bij mensen, brengt een studie uit februari 2019 ons een stap dichterbij. De wetenschappers identificeerden de secties van het molecuul die zijn kankerbestrijdende krachten leveren.
Hoewel er nog veel meer chemische engineering en uitgebreide klinische onderzoeken nodig zullen zijn, zijn de auteurs van mening dat "[o] algeheel, deze onderzoeken suggereren dat het haalbaar is om melanoomspecifieke seriniquinonderivaten te ontwerpen met medicijnachtige eigenschappen."
Een medicijn dat al de handschoen van klinische onderzoeken heeft doorstaan en het tot algemeen gebruik heeft gemaakt, is trabectedine, bekend onder de merknaam Yondelis. Fabrikanten ontlenen dit medicijn aan een extract van Ecteinascidia, gewoonlijk de zeeschede genoemd, een zakachtige ongewervelde zee.
Onderzoekers identificeerden voor het eerst de antikankereigenschappen van zeespuitenextract eind jaren zestig en na uitgebreid onderzoek hebben onderzoekers nu een manier gevonden om het te synthetiseren en in grotere hoeveelheden te produceren.
Yondelis was het product van dit werk en heeft nu de goedkeuring om wekedelensarcoom te behandelen in Rusland, Europa en Zuid-Korea. Wetenschappers testen het ook voor gebruik tegen andere vormen van kanker, waaronder prostaat- en borstkanker.
Resistentie tegen antibiotica
De dreiging van antibioticaresistentie verlaat zelden de voorhoede van de hoofden van medische onderzoekers. Een groeiend aantal ziekteverwekkers wordt ongevoelig voor moderne antibiotica. Dit gebrek aan gevoeligheid maakt ze veel uitdagender om te behandelen en daarom aanzienlijk gevaarlijker.
Volgens de Centers for Disease Control and Prevention (CDC) is antibioticaresistentie "een van de grootste uitdagingen voor de volksgezondheid van onze tijd".
Er wordt gezocht naar nieuwe verbindingen die de groeiende hiaten kunnen opvullen die door ondoelmatige antibiotica zijn achtergelaten.
Sommige mensen op deze missie zijn naar de zee gekeerd en een groep heeft zich gericht op visslijm - de gloopy coating die sommige soorten bedekt.
Dit slijm werkt hard om ziekteverwekkers in het mariene milieu te vernietigen, dus sommige wetenschappers vragen zich af of het ook kan helpen om ziekteverwekkers op het land te bestrijden.
Onderzoekers van de California State University in Fullerton en de Oregon State University in Corvallis slaagden erin om 47 verschillende bacteriestammen uit het slijm te isoleren. Ze groeiden deze bacteriën en reduceerden ze tot een chemisch extract.
Vervolgens testten ze dit extract tegen andere pathogenen en ontdekten ze dat vijf van de bacteriestammen zeer effectief waren tegen methicilline-resistente Staphylococcus aureus (MRSA), terwijl er drie effectief waren tegen Candida albicans.
Ze presenteerden hun voorlopige bevindingen tijdens de American Chemical Society Spring 2019 National Meeting & Exposition.
Een andere studie die in Grenzen in de microbiologie, onderzocht Laminaria ochroleuca, een zeewiersoort die toevallig een rijke bron van Actinobacteriën is.
Actinobacteriën zijn vooral interessant voor medische onderzoekers. Zoals de auteurs van de studie uitleggen, "omvatten bio-activiteiten die zijn gerapporteerd door actinobacteriële [natuurlijke producten] antibacteriële, antischimmel-, antitumorale, antikanker-, ontstekingsremmende, antivirale, cytotoxische en immunosuppressieve activiteiten."
Enkele van de actinobacteriële extracten waren effectief tegen C. albicans en S. aureus. Interessant is dat volgens senior auteur Dr. Maria de Fátima Carvalho "zeven van de extracten de groei van borstkanker en in het bijzonder zenuwcelkankers remden, terwijl ze geen effect hadden op niet-kankercellen."
Antischimmel resistentie
Naast het probleem van antibioticaresistentie is er het parallelle probleem van antischimmelresistentie: medicijnen die schimmels doden, verliezen ook hun tanden. Sommigen hopen dat zeesponzen kunnen helpen.
Onderzoek toonde bijvoorbeeld aan dat chemische extracten van de Jaspis soorten spons waren effectief tegen C. albicans in een muismodel.
Evenzo bleek uit een studie dat eurysterolen A en B, twee chemicaliën uit een spons van het geslacht Euryspongia, "Vertoonde antischimmelactiviteit tegen amfotericine B-resistente en wildtype stammen van [C. albicans]Ze doodden ook menselijke coloncarcinoomcellen in het laboratorium.
Wetenschappers ontdekken elk jaar ongeveer 1.000 nieuwe verbindingen in de oceanen. Zoals een auteur uitlegt, "worden ze vaak gekenmerkt door structurele nieuwheid, complexiteit en diversiteit."
Er zijn echter nog maar heel weinig van de zee afkomstige verbindingen die een rol spelen bij de behandeling van ziekten. Waarom gebruiken we niet meer van deze nieuwe chemicaliën?
De kloof tussen chemie en kliniek
Ten eerste, zoals bij elk experimenteel medicijn, is er een grote sprong tussen een kweekschaal in een laboratorium en een patiënt. Bij een levend wezen reageren medicijnen niet altijd zoals wetenschappers verwachten.
Ten tweede hebben veel medicijnen giftige bijwerkingen waardoor ze onbruikbaar worden. Geen van deze problemen is een doodlopende weg, aangezien farmacologen en chemici moleculen kunnen aanpassen of soortgelijke chemicaliën kunnen ontwerpen, maar dit is allemaal tijdrovend.
Een ander belangrijk probleem is het genereren van voldoende hoeveelheden van de zee afkomstige chemicaliën. Veel van de soorten kunnen gevangenschap niet overleven of hebben zeer specifieke, moeilijk te onderhouden omgevingen nodig. Nogmaals, dit betekent dat wetenschappers manieren moeten vinden om de moleculen van interesse te repliceren, wat een lang en gecompliceerd pad is.
Over deze kwesties gesproken, schrijven de auteurs van een recensie dat "de kracht van organische synthese en medicinale chemie duidelijk zal moeten worden." Dit zijn technische, dure hoepels om doorheen te springen.
Concluderend, hoewel er veel belofte lijkt te zijn in de zeeën van de planeet, zijn veel van de potentiële wegen lang en bochtig, en zullen er geen snelle overwinningen zijn.
Terwijl mensen de toenemende druk op mariene ecosystemen opbouwen, bereiken de zorgen over de gezondheid van onze oceanen koorts. Het is heel goed mogelijk dat potentiële medicijnen van de toekomst aan het verdwijnen zijn voordat wetenschappers de kans hebben om ze te oogsten.
