Hầu hết mọi người sẽ không mong đợi tìm thấy một chiếc máy xay thịt trong phòng thí nghiệm nghiên cứu. Tuy nhiên, theo Tiến sĩ Tanja Gkovic, đó là công cụ hoàn hảo để nghiền nát các sinh vật biển bị đóng băng.

“Nó thực sự làm được việc!” cô ấy nói.

Tiến sĩ Grkovic, một nhà hóa học gốc Croatia, nên biết. Là một nhà khoa học cấp cao trong Nhóm hỗ trợ các sản phẩm tự nhiên, cô ấy đã dành nhiều năm qua để tham gia mật thiết vào việc cải thiện các quy trình phân tích các sản phẩm của tự nhiên—từ sinh vật biển đến nấm sống trong đất đến lá cây—để xem liệu các hợp chất hóa học bên trong chúng có thể là khối khởi đầu cho các loại thuốc ung thư mới. (Nhóm hỗ trợ các sản phẩm tự nhiên là một phần của Phòng thí nghiệm nghiên cứu ung thư quốc gia Frederick, một cơ sở do nhà thầu vận hành do NCI tài trợ.)

Công trình này là một phần của sáng kiến đầy tham vọng do Cancer Moonshot ^SM tài trợ, được gọi là Chương trình NCI về Khám phá Sản phẩm Tự nhiên (NPNPD), nhằm giúp các nhà nghiên cứu khác dễ dàng khai thác tự nhiên để tìm ra các loại thuốc điều trị ung thư mới.

Một phần lớn của câu chuyện đó đã diễn ra tại ngôi nhà cũ nát của Chi nhánh Sản phẩm Tự nhiên của NCI, trong khuôn viên NCI ở Frederick, MD.

Trong chuyến tham quan tòa nhà, Tiến sĩ Gkovic đã cho thấy các phòng đông lạnh chứa đầy các mẫu sản phẩm tự nhiên được thu thập từ khắp nơi trên thế giới, đồng thời giải thích quy trình rất phức tạp để chuyển đổi các mẫu đó từ trạng thái ban đầu thành vài gam vật liệu ở dạng thanh. – ống nghiệm mã hóa.

Bà nói: “Các sản phẩm tự nhiên đã là nền tảng cho việc khám phá thuốc trong nhiều thập kỷ. Người ta ước tính rằng hơn một nửa số loại thuốc trị ung thư và thuốc kháng sinh có nguồn gốc từ một hợp chất hóa học được phát hiện trong một sản phẩm tự nhiên.

Ví dụ, Paclitaxel (Taxol) , một trong những loại thuốc hóa trị được sử dụng phổ biến nhất, được chiết xuất từ vỏ cây thủy tùng Thái Bình Dương; penicillin, một trong những loại kháng sinh đầu tiên, từ nấm mốc; và thuốc giảm cholesterol từ các hợp chất có trong nấm.

Tuy nhiên, Tiến sĩ Barry O’Keefe, người đứng đầu Chi nhánh Sản phẩm Tự nhiên, giải thích rằng, bất chấp thành tích ấn tượng này, các sản phẩm tự nhiên đã không còn được ưa chuộng như một nguồn khám phá thuốc mới. Điều đó phần lớn là do mất nhiều thời gian và công sức cần thiết để chuyển từ một mẩu tảo hoặc mảnh vỏ cây thành một hợp chất có thể được thử nghiệm về khả năng tiêu diệt tế bào ung thư.

“Hầu hết mọi người không muốn làm việc với các sản phẩm tự nhiên nữa; nó quá khó,” Tiến sĩ O’Keefe nói. Thay vào đó, nhiều nhà nghiên cứu và công ty dược phẩm hiện nay chủ yếu dựa vào “thư viện” lớn gồm các hợp chất tổng hợp hóa học, nhân tạo để khám phá thuốc điều trị ung thư.

Nhưng với tiềm năng to lớn và sự đa dạng hóa học chưa từng có trong tự nhiên, vào năm 2015, ban lãnh đạo NCI đã quyết định rằng viện nên nỗ lực khuyến khích cộng đồng nghiên cứu khám phá lại các sản phẩm tự nhiên. NPNPD được thành lập không lâu sau đó.

Tiến sĩ O’Keefe nói: “Chúng tôi biết đó sẽ là một công việc lớn. “Nhưng nếu chúng tôi làm được, chúng tôi nghĩ, nó có thể thay đổi mọi thứ.”

Kho báu quốc gia

Bắt đầu từ giữa những năm 1980, Chi nhánh Sản phẩm Tự nhiên—đặt trong khuôn viên khuôn viên của NCI tại Fort Detrick, một căn cứ quân sự đang hoạt động ở Frederick—đã thu thập hơn 100.000 mẫu thực vật và sinh vật biển từ 25 quốc gia nhiệt đới và cận nhiệt đới trên toàn cầu, từ những khu rừng ở Madagascar đến vùng biển ven biển của Thái Lan.

Tiến sĩ Grkovic cho biết: “Ý tưởng là nắm bắt được sự đa dạng lớn của các loài.

Các mẫu được thu thập thông qua các thỏa thuận hợp đồng, thường là với các tổ chức nghiên cứu và bảo tồn thế giới tự nhiên, chẳng hạn như vườn thực vật quốc tế và tiểu bang và viện khoa học biển.

Tất cả các bộ sưu tập đó đều được thực hiện theo các thỏa thuận pháp lý đảm bảo rằng tài nguyên thiên nhiên của bất kỳ quốc gia nào sẽ không bị cạn kiệt hoặc bị hư hại dưới bất kỳ hình thức nào. Các thỏa thuận cũng quy định rằng, nếu các sản phẩm dẫn đến bất kỳ khám phá nào có thể bán được trên thị trường – cụ thể là một loại thuốc mới – thì quốc gia nơi sản phẩm ban đầu đến sẽ được chia sẻ lợi nhuận.

Nhưng điều gì làm cho các sản phẩm tự nhiên trở thành con đường khám phá thuốc đầy hứa hẹn ngay từ đầu?

Susan Mooberry, Ph.D., giáo sư dược học tại UT Health San Antonio, người chuyên khám phá thuốc sử dụng các sản phẩm tự nhiên, cho biết một đặc điểm đặc biệt hấp dẫn của các sản phẩm tự nhiên là khả năng tạo ra các phân tử có tác dụng sinh học đối với các sinh vật khác. .

Ví dụ như tự vệ.

“Thực vật không thể di chuyển. Bọt biển không thể di chuyển. Vì vậy, họ phải phát triển các cơ chế để tự bảo vệ mình,” Tiến sĩ Mooberry nói. Chẳng hạn, các sinh vật biển được gọi là áo dài (còn gọi là mực biển), dành phần lớn cuộc đời của chúng để neo đậu vào đá và bến tàu, tạo ra một kho chất độc để xua đuổi những kẻ săn mồi.

Daniel Romo, Ph.D., thuộc Đại học Baylor, người chuyên tổng hợp hóa học các chất dẫn thuốc tiềm năng có nguồn gốc từ các sản phẩm tự nhiên, cho biết những hợp chất hóa học như vậy “rất giàu thông tin”. Ví dụ, Tiến sĩ Romo tiếp tục, “chúng có thể tương tác với các protein của tế bào theo những cách mới và thú vị, và đó thường là điều có thể dẫn đến sự phát triển của các loại thuốc và mục tiêu thuốc mới.”

Nhưng ngay cả khi NCI và các tổ chức và công ty khác tiếp tục cung cấp các mẫu sản phẩm tự nhiên cho cộng đồng nghiên cứu – ở dạng vật liệu được xử lý tối thiểu được gọi là chiết xuất thô – thì việc sử dụng chúng trong khám phá thuốc đã giảm đáng kể.

Lý do chính? Không giống như chiết xuất thô từ các sản phẩm tự nhiên, thư viện các hợp chất tổng hợp do con người tạo ra được thiết kế riêng để sàng lọc thông lượng cao: các hệ thống tự động hóa cao để kiểm tra nhanh tác động của các hợp chất hóa học đối với vật liệu sinh học.

Mặt khác, để thích hợp cho việc sàng lọc thông lượng cao, các chất chiết xuất từ sản phẩm tự nhiên phải trải qua một quá trình được gọi là phân đoạn, theo đó chúng được chuyển thành trạng thái tinh khiết hơn, cho phép các hợp chất bên trong chúng dễ dàng được phân lập hơn.

Tiến sĩ Grkovic cho biết, hãy nghĩ về các chất chiết xuất thô riêng lẻ như một khu rừng đầy cây cối.

Cô ấy tiếp tục: “Các phân số từ những chất chiết xuất đó giống như những cây đơn lẻ trong khu rừng đó. “Một hợp chất tinh khiết [ở dạng phân số] giống như một chiếc lá đơn lẻ của một cây.”

Tiến sĩ Mooberry cho biết, quá trình phân đoạn cũng giúp loại bỏ những thứ thường được gọi là “hợp chất gây phiền toái” và các phân tử khác có thể khiến kết quả sàng lọc thông lượng cao trở nên không đáng tin cậy.

Bà lưu ý rằng rất ít phòng thí nghiệm có khả năng hoặc nguồn lực để phân đoạn các chất chiết xuất từ dầu thô. Vì vậy, theo thời gian, thay vào đó, các nhà nghiên cứu và các công ty dược phẩm đã chuyển sang các thư viện kinh tế hơn về các hợp chất do con người tổng hợp.

Nhận thấy xu hướng này, ngay sau khi Tiến sĩ O’Keefe trở thành giám đốc chương trình các sản phẩm tự nhiên của NCI vào năm 2015, ông đã đề xuất một cách để tái tạo việc sử dụng tiền thưởng của tự nhiên để khám phá thuốc: thực hiện công việc ban đầu cho các nhà nghiên cứu bằng cách phân chia trước kho tàng sản phẩm quý của NCI. chiết xuất thô sản phẩm tự nhiên. Những phân số đó sau đó sẽ được cung cấp cho bất kỳ ai có kế hoạch nghiên cứu khả thi để khai thác chúng cho các hợp chất có triển vọng.

Ông nói: “Giờ đây, cộng đồng nghiên cứu sẽ có quyền tiếp cận với nhiều loại hóa chất đa dạng hơn bao giờ hết trong lịch sử. “Và nó miễn phí.”

Từ tháng và tháng đến tuần

Cách các phòng thí nghiệm ban đầu của Chi nhánh Sản phẩm Tự nhiên một đoạn đi bộ ngắn, cơ sở NPNPD mới là sự đối lập của các phòng thí nghiệm cũ: trần nhà cao, đèn sáng, vô số thép không gỉ và một loạt máy móc và thiết bị công nghệ cao (có rất nhiều rô-bốt) để biến đổi chiết xuất thô thành các phân số và chuẩn bị các phân số đó để sàng lọc thông lượng cao.

Trung tâm của phòng thí nghiệm là một phòng lưu trữ lớn giống như một cái hầm, cuối cùng sẽ chứa hơn 1 triệu ống nghiệm được mã hóa có chứa các phân số từ hơn 140.000 chất chiết xuất thô trong bộ sưu tập của NCI.

Trong hầm được kiểm soát nhiệt độ là một cánh tay rô-bốt lớn có thể di chuyển trong chiều dài 40 foot và chiều cao 15 foot của căn phòng, nhanh chóng kéo các ống từ hàng nghìn giá đỡ được thiết kế tùy chỉnh xếp chồng lên nhau từ sàn đến trần nhà.

Tiến sĩ O’Keefe cho biết cơ sở này là cơ sở chứng minh cho các quy trình mà nhân viên NPNPD đã phát triển và tinh chế để phân đoạn các chất chiết xuất thô từ sản phẩm tự nhiên. Công việc đó đã giảm quy trình từng là một quy trình thủ công kéo dài hàng tháng thành một quy trình hiện được tự động hóa cao và có thể hoàn thành trong vài tuần.

Ông nói: “Chúng tôi đã nghiên cứu các phương pháp để xử lý từng loại nguyên liệu nguồn — biển, thực vật, vi sinh vật — cách tốt nhất để tiến hành tinh chế nguyên liệu này và cách tốt nhất để tự động hóa quy trình đó.

Nỗ lực đó đã mở rộng sang quy trình chuẩn bị các phân số trong các ống nghiệm để gửi đi sàng lọc. Trong vài ngày, các mẫu trong các ống đó có thể trải qua quá trình xử lý bổ sung (nhiều robot hơn), cuối cùng được cuộn lại trên các đĩa nhỏ có hàng trăm vết lõm hoặc giếng—mỗi giếng có vài mililit các phân số khác nhau—và sau đó được chuyển đến phòng thí nghiệm yêu cầu , sẵn sàng để thử nghiệm.

Vào cuối tháng 1, NPNPD đã hoàn thành đơn đặt hàng đầu tiên cho các mẫu được phân đoạn trước từ thư viện của mình.

Tiến sĩ O’Keefe cho biết: “Chúng tôi đã nhận được sự quan tâm từ các phòng thí nghiệm học thuật lớn và các nhà nghiên cứu từ khắp nơi trên thế giới.

Không chỉ là một nhà cung cấp

Hiệu quả như quy trình phân đoạn trước của NPNPD, các phân số vẫn có một số phức tạp về chúng. Dựa trên thử nghiệm được thực hiện tại NPNPD, Tiến sĩ Grkovic giải thích, trung bình, các mẫu được phân đoạn trước chứa khoảng 20 hợp chất hóa học hoạt động.

Vì vậy, nếu màn hình thông lượng cao cho thấy một phần nhỏ đang được thử nghiệm tiêu diệt tế bào ung thư vú hoặc bệnh bạch cầu, thì có thể cần thêm một vài vòng thử nghiệm để cô lập hợp chất chịu trách nhiệm cho hoạt động tiêu diệt tế bào.

Tiến sĩ O’Keefe cho biết NPNPD có năng lực và chuyên môn để tiến hành các phân tích bổ sung đó và có thể làm việc với các nhà nghiên cứu để thực hiện chúng.

Bằng cách sử dụng các công nghệ như sắc ký lỏng–khối phổ và quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân, các nhà khoa học của NPNPD có thể lấy một hợp chất hoạt tính được phòng thí nghiệm sàng lọc xác định và xác định cấu trúc hóa học chính xác của nó trong vài tuần. Thông tin đó rất quan trọng nếu nhà nghiên cứu muốn hiểu cách thức hợp chất tiêu diệt tế bào ung thư hoặc muốn sửa đổi hoặc tối ưu hóa hợp chất cho các nghiên cứu tiếp theo và phát triển thuốc.

“Vì vậy, bởi vì chúng tôi có năng lực và chúng tôi có thông lượng, giờ đây chúng tôi có thông tin về cấu trúc hóa học [của một hợp chất] chỉ sau hai bước được loại bỏ khỏi chiết xuất thô,” Tiến sĩ Grkovic nói.

Khoa học công dân sân sau

Một lĩnh vực trọng tâm trong tương lai của NPNPD là tìm kiếm các hợp chất tiêu diệt ung thư được tạo ra bởi vi khuẩn và nấm tìm thấy trong đất.

Quyết định đó được đưa ra từ một bài đăng trên mạng xã hội đã lan truyền. Vào tháng 3 năm 2015, một người dùng trên trang truyền thông xã hội nổi tiếng Reddit đã đăng bài về Chương trình thu thập đất khoa học công dân của Đại học Oklahoma và mục tiêu của nó là sử dụng “múc đất” từ các sân sau trên khắp đất nước để khám phá ra các loại thuốc mới. Bài viết bốc cháy, và trong những tuần và tháng tiếp theo, chương trình tràn ngập các mẫu đất sân sau từ khắp Hoa Kỳ.

Đối mặt với nhiều mẫu mà anh ấy không biết phải làm gì, người đứng đầu chương trình, Tiến sĩ Robert H. Cichewicz, đã liên hệ với Tiến sĩ O’Keefe để xem liệu NCI có quan tâm đến việc tận dụng lượng bụi bẩn dồi dào này hay không. Trong vài năm tới, một phần của phòng thí nghiệm NPNPD mới được dành riêng cho việc phân đoạn trước các chất chiết xuất thô từ vi khuẩn đất.

Công trình của Tiến sĩ Mooberry là một ví dụ về tiềm năng của đất để tạo ra các chất dẫn cho thuốc điều trị ung thư. Cách đây vài năm, phòng thí nghiệm của cô ấy đã thử nghiệm một hợp chất từ một loại nấm trong mẫu đất do một người ở Alaska gửi đến chương trình Oklahoma. Nó cho thấy khả năng tiêu diệt một loại tế bào ung thư vú bộ ba âm tính rất ấn tượng .

Mặc dù hợp chất cụ thể đó không được chuyển sang các nghiên cứu sâu hơn, nhưng gần đây phòng thí nghiệm của cô ấy đã chỉ ra rằng một hợp chất khác được phân lập từ một loại nấm có nguồn gốc từ đất từ chương trình Oklahoma có thể tiêu diệt cụ thể các tế bào Ewing sarcoma. Một loại ung thư hiếm gặp và khó điều trị, Ewing sarcoma thường được chẩn đoán ở trẻ em và thanh niên.

Tiến sĩ Mooberry lưu ý rằng kết quả từ các nghiên cứu vẫn chưa được công bố, nhưng bà hy vọng rằng hợp chất này có thể giúp các nhà nghiên cứu xác định lỗ hổng trong các tế bào Ewing sarcoma để có thể phát triển các liệu pháp nhắm mục tiêu mới.

Một cơ hội mới

Tiến sĩ Romo cho biết thời điểm ra mắt NPNPD là tốt. Ông lưu ý rằng các thư viện của các hợp chất tổng hợp đã không thành công trong việc sản xuất các loại thuốc mới như nhiều người đã hy vọng. Và các nhà hóa học tổng hợp đã trở nên lão luyện hơn nhiều trong việc tạo ra các hợp chất hóa học mới, có độ phức tạp cao dựa trên các đầu mối đầy hứa hẹn được tạo ra từ các sản phẩm tự nhiên.

Ông nói: “Chúng tôi đang làm tốt hơn việc tạo ra các phân tử ngày càng phức tạp hơn.

Tất nhiên, không có gì chắc chắn rằng bất kỳ hợp chất nào, kể cả hợp chất cho thấy nhiều hứa hẹn trong các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, sẽ chứng tỏ hiệu quả trong điều trị ung thư ở người, Tiến sĩ Mooberry nhấn mạnh. Nhưng lịch sử thành công với các loại thuốc có nguồn gốc từ các sản phẩm tự nhiên không thể được giảm giá, cô ấy tiếp tục.

Và bây giờ, với NPNPD, cô ấy nói, “chúng tôi có cơ hội mới để tạo ra sự khác biệt nếu nhiều người bắt đầu sàng lọc những phân số này.”

Tiến sĩ O’Keefe cho biết thế hệ các nhà nghiên cứu trẻ hơn có thể đảm nhận thách thức đó. Trong năm qua, anh ấy đã thuyết trình về NPNPD trên khắp đất nước. Gần như thống nhất, ông tiếp tục, phản ứng hào hứng nhất đến từ các nhà điều tra trẻ tuổi.

Ông giải thích: “Các nhà nghiên cứu trẻ liên tục đến gặp tôi và nói rằng ‘Cảm ơn rất nhiều vì không ai tài trợ cho tôi để đi ra ngoài thực địa để thu thập hoặc tiến hành khai thác. Bây giờ tôi có tài nguyên này, tôi có thể bắt đầu nghiên cứu của mình.’”