Svaka četiri mjeseca, patolog Aaron LeBeau uhvati u mrežu jednu od pet ajkula medicinskih sestara koje drži u svojoj laboratoriji Univerziteta u Viskonsinu. Zatim pažljivo daje injekciju životinji, slično kao pedijatar koji detetu daje vakcinu. Snimka će imunizirati ajkulu protiv ljudskog raka, možda, ili zarazne bolesti, kao što je COVID-19. Nekoliko nedelja kasnije, nakon što je imuni sistem životinje imao vremena da reaguje, LeBeau sakuplja malu bočicu krvi ajkule.
Na pola puta kroz zemlju, imunolog Hid Ploeg prolazi kroz iste korake, ali sa alpakama koje žive na farmi u zapadnom Masačusetsu. Naučnici traže istu stvar: mala antitela, koja prave samo određene životinje, koja mogu imati velike implikacije na ljudsko zdravlje.
Većina antitela – onih molekula koji prolaze kroz našu krv i tkiva patrolirajući u potrazi za patogenima – prilično su jaki u odnosu na proteine. Ali antitela koja prave kamile i ajkule i njihovi bliski rođaci su jednostavnija i manja. Od njihovog otkrića kasnih 1980-ih, istraživači su saznali da ova antitela imaju veliki udarac: mogu da se zakače za skrivene delove molekula i mogu dublje prodreti u tkiva, povećavajući njihov potencijal kao terapije.
„Oni mogu da uđu u male kutke i rupe različitih proteina kojima ljudska antitela ne mogu da pristupe“, kaže LeBeau.
Poslednjih decenija, istraživanja ovih malih antitela su porasla. Ne samo da se mogu ušunjati na mala mesta, sa njima je takođe lako raditi — čvršći su od svojih običnih kolega — i relativno jeftini za proizvodnju u velikim količinama. Sve ove karakteristike čine antitela obećavajućim tretmanima za niz bolesti, bilo da su poremećaji zgrušavanja krvi ili COVID-19. Istraživači takođe istražuju njihovu upotrebu za dijagnostikovanje stanja kao što je rak, i oni postaju ključni alat u drugim vrstama istraživanja, kao što je mapiranje unutrašnjosti ćelija.
Puno obećanje ovih antitela možda će trajati godinama da se realizuje, ali istraživači su veoma uzbuđeni zbog njihovih mogućnosti. „Mislim da imaju potencijal da spasu svet“, kaže LeBeau.
Grupa studenata biologije prva je otkrila ova neobična antitela — sasvim slučajno — još 1989. godine. Studentima Slobodnog univerziteta u Briselu je trebalo malo krvi za ispit u kome su imali zadatak da razdvoje antitelo na dva glavna dela: dva teška proteinska lanca, koji formiraju I oblik, i dva laka proteinska lanca, koji okružuju zupce na vrhu I.
Ljudska krv se činila previše rizičnom za rad, s obzirom na zabrinutost u to vreme o potencijalnoj izloženosti HIV-u, a učenici nisu želeli da ubiju miša. Ali profesor studenata, pokojni Rejmond Hamers, slučajno je proučavao bolest spavanja kod velikih životinja. Studentima je dao krv od kamile, kaže imunolog Serž Mujldermans, koji je tada bio postdoktorski istraživač na univerzitetu.
Začudo, studenti su u krvi pronašli samo proteine teškog lanca, iako su antitela takođe trebalo da imaju lake lance. Kako Muildermans priča, svi su mislili da su se antitela kamile degradirala — ili da su učenici uradili nešto pogrešno — pa je Hamers otišao u zoološki vrt u Antverpenu da prikupi svežu krv kamile. Ali studenti nisu zeznuli: kamile prave antitela samo sa teškim proteinskim lancima.
Potencijalne primene malih antitela kamilida osvanule su na Hamersu tokom tih ranih godina, kaže Muildermans, koji detaljno opisuje njihovu bezbrojnu upotrebu u Godišnjem pregledu bioloških nauka o životinjama za 2021. Poput antitela od ljudi ili miševa, antitela kamile mogu se dalje razdvojiti na još manje, ali i dalje efikasne fragmente – samo vrhove I. Ovi fragmenti, koji se nazivaju varijabilni domeni, predstavljaju poslovni kraj svakog antitela – oni deluju kao „senzor“ antitela i može da se zalepi za delove patogena ili toksina, bilo koja supstanca je prepoznata kao strana i moguća pretnja.
U standardnim antitelima (koja kamile takođe prave), varijabilni domeni dolaze u parovima, jedan iz teškog i jedan iz lakog lanca. Ali varijabilni domeni kamilinih antitela samo sa teškim lancem su jednostruki. Istraživači su shvatili da bi ovi pojedinačni fragmenti mogli da zgrabe delove stranih molekula do kojih su konvencionalna antitela bila previše glomazna da bi ih dosegla.
Tim je 1993. objavio otkriće u časopisu Nature. Sledeće godine, Hamers je patentirao proizvodnju ovih fragmenata antitela kamile (oni su takođe poznati kao VHH antitela ili „nanotela“, zaštićeni termin). Nekoliko godina kasnije, druga grupa istraživača je izvestila da ajkule takođe stvaraju antitela samo sa teškim lancima i da oni imaju još manji vrh (ovi fragmenti kraja ajkule nazivaju se promenljivim receptorima novog antigena ili VNAR).
Kada je primarni patent istekao 2013. godine, istraživanja koja su istraživala antitela su zaista porasla, kaže Ploegh, imunolog u Bostonskoj dečijoj bolnici. „Tada je brana pukla i mnogo ljudi je ušlo u igru.“
Naučnici su od tada naučili mnogo o prednostima ovih mini antitela. Neki su praktični: za razliku od antitela pune veličine, fragmenti su stabilni na sobnoj temperaturi, tako da nema potrebe da ih držite u zamrzivaču ili da ih šaljete hladne. Mini antitela ajkula mogu se čak i kuvati bez uticaja na njihovu funkciju, kaže LeBeau. I dok antitela pune veličine zahtevaju da se ćelije sisara uzgajaju u boci, što može biti komplikovano i skupo za održavanje, fragmenti se mogu proizvesti u velikim količinama korišćenjem bakterija, štedeći vreme i novac.
Ova mini antitela takođe imaju tendenciju da se pravilno sastavljaju, zadržavajući svoje ispravne oblike, što ih čini obećavajućom alternativom za antitela pune veličine, koja imaju više delova i stoga se mogu pogrešno sklopiti. Takvo pogrešno savijanje može otkriti delove za koje je veća verovatnoća da će imuni sistem biti prepoznati kao strani molekuli, što može izazvati negativan imuni odgovor u telu, sa potencijalno ozbiljnim posledicama po zdravlje pacijenata.
Ali izuzetna osobina mini antitela je njihova svestranost. Sva antitela, bilo ljudska ili ajkula, imaju promenljive domene na svojim vrhovima, ali antitela ajkula i kamila imaju jedinstvene osobine. Imaju posebno dugačak, vitak prst koji se zove CDR3 petlja koja može da probije na mesta kojima ljudska antitela ne mogu pristupiti. Čini se da lako usvajaju različite oblike — LeBeau opisuje tu osobinu kao „molekularnu jogu“. To znači da mini antitela mogu ući u uska mesta, bilo u tkiva tela ili na minijaturne delove pojedinačnih molekula.
Istraživanje ovih neobičnih mini antitela sada počinje da daje plodove. Godine 2019. na tržište je izašao prvi mini tretman antitela koji je odobrila američka Uprava za hranu i lekove, pod nazivom Cablivi. Leči redak poremećaj krvi koji dovodi do ugrušaka u malim krvnim sudovima. Tretman koristi nanotela da se vežu za protein u trombocitima, što sprečava njihovo lepljenje.
Mini antitela mogu postati dragoceno sredstvo za lečenje raka. Antitela pune veličine se već koriste u imunoterapiji za lečenje određenih karcinoma; u nekim slučajevima, antitelo označava ćelije raka tako da ćelije sopstvenog imunološkog sistema mogu prepoznati i ubiti lažne ćelije; u drugim, to bi moglo da približi imune ćelije ćelijama raka kako bi se telo bolje borilo protiv raka. Mini antitela mogu da obavljaju iste zadatke, ali se mogu koristiti i na druge načine, kao što je ciljanje proteina da bi se smanjio rast tumora ili blokiranje krvnih sudova da hrane tumor. I manja antitela takođe mogu biti manje verovatno da će izazvati negativan imuni odgovor nego antitela za imunoterapiju pune veličine, što može dovesti do dramatičnih poboljšanja lečenja, kaže Ploegh.
LeBeau je, sa svoje strane, fokusiran na razvoj mini antitela usmerenih na rak prostate i pluća. Ajkule u njegovoj laboratoriji, svaka nazvana po lošim momcima Džejmsa Bonda — Goldfingeru, Hugu Draksu, gospodinu Stamperu, Oddžobu i Niku Naku — ga snabdevaju antitelima koja koristi u laboratorijskim eksperimentima. Njegova laboratorija je nedavno identifikovala fragment antitela ajkule koji je specifičan za veoma agresivan i trenutno nelečiv oblik raka pluća. On se nada da bi ovo novo mini antitelo moglo da pomogne u borbi protiv raka i u toku su studije koje će ga testirati.
Mini antitela takođe pomažu lekarima da lakše otkrivaju rak, preciznije precizirajući bolesne ćelije. Vezivanjem radioaktivnih molekula tragača na specifična antitela koja traže ćelije raka, lekari mogu da lociraju ćelije raka na PET skeniranju, potencijalno sa većom rezolucijom nego sa standardnim antitelima jer mogu da prodru dublje u tkiva. Jedan takav tragač zasnovan na nanotelu otkrio je nekoliko tumora kod miševa sa višom specifičnošću od konvencionalnog snimanja, izvestio je tim u PNAS-u 2019.
Naučnici takođe koriste mini antitela za borbu protiv zaraznih bolesti, uključujući COVID-19. Vai-Hong Tham, istraživač zaraznih bolesti na Univerzitetu u Melburnu i Institutu za medicinska istraživanja Voltera i Elize Hol, radi na stvaranju nanotela koja se hvataju za deo šiljastog proteina SARS-CoV-2, kako bi sprečili virus od ulaska u ćelije u telu.
U preliminarnoj studiji, objavljenoj u PNAS-u 2021. godine, Tham i njene kolege su identifikovale nekoliko nanotela iz alpaka koja su ometala sposobnost šiljastih proteina da se zakače na molekularnu kvaku koju koristi da uđe u ćelije; kokteli nanotela su takođe smanjili količinu virusa u eksperimentima sa miševima. U idealnom slučaju, kaže Tham, mogli bi pronaći nano-telo koje univerzalno blokira COVID-19 bez obzira na varijantu koronavirusa. Drugi kokteli nanotela takođe izgledaju obećavajuće: četiri nanotela, pomešana i uparena u različitim kombinacijama, onemogućila su šiljasti protein u eksperimentima u ćelijama, objavio je poseban tim 2021. godine u časopisu Science.
Mini antitela bi se mogla isporučiti putem mRNA tehnologije tako da se antitela okupljaju unutar ćelija ljudi, kaže Tham. Injekcije slične vakcinama mogu da deluju protiv drugih zaraznih bolesti, protiv toksina kao što je botulizam, ili čak da isporuče lekove za rak ili druga stanja.
Uz jednostavnu pilulu, mini antitela bi se mogla isporučiti direktno u creva, što bi moglo pomoći da se blokiraju brojni patogeni, na primer rotavirus, koji ulaze u telo kroz digestivni trakt. Mali mikrobi — kao što su kvasac, bakterije i alge — ne mogu efikasno da prave antitela pune veličine jer su previše složena. Međutim, istraživači su predložili genetski inženjering spirulinu (plavo-zelenu algu koja se često prodaje kao dodatak ishrani) ili bezopasne bakterije zvane Lactobacilli ili Lactococcus koje bi mogle da isporuče terapeutska nanotela putem pilule, što bi bilo mnogo isplativije od proizvodnje leka, Tham kaže.
Mala antitela su takođe blagodat za naučnike koji proučavaju proteine i istražuju interakcije između molekula. Veličina i dugačak prst ovih antitela mogu da pomognu u rešavanju proteinskih struktura, mapiranju proteina unutar ćelija i pokažu kako molekuli unutar ćelija međusobno deluju.
Istraživači su nedavno rešili strukturu ljudskog proteina nazvanog ASIC1a, na primer – on formira tip kanala koji propušta natrijum u nervne ćelije i igra važnu ulogu u percepciji bola i nekoliko neurodegenerativnih bolesti. Stabilizacija proteina pomoću nanotela omogućila je istraživačima da odrede njegovu strukturu sa većom rezolucijom, objavio je tim 2021. godine u eLife-u.
Antitela sa jednim domenom „imaju potencijal mapiranja interakcija koje bi inače bilo veoma teško proučavati“, kaže Ploegh, koautor pregleda njihovih osobina u Godišnjem pregledu imunologije za 2018. Naučnici čak istražuju njihovu potencijalnu upotrebu u mozgu – težak zadatak jer krvno-moždana barijera voli da drži strane molekule van. Međunarodni tim je nedavno izvestio da koristi nanotela kao senzore za proučavanje da li je protein u mozgu miša aktiviran i gde se nalazi.
Ploegh kaže da su mini antitela izuzetno korisna i da imaju značajne prednosti u odnosu na antitela pune veličine, ali ostaju donekle niska zbog ograničenog pristupa životinjama koje ih prave – nema svaki istraživač u blizini kamile, lame ili, u LeBeauovom slučaju, ajkule. („Verovatno je vrlo malo ljudi dovoljno ludo da zapravo naprave rezervoar za ajkule i rade sa ajkulama. Ali mi jesmo“, kaže LeBeau.)
Ali ovo počinje da se menja kako interesovanje raste. Istraživači takođe razvijaju nove pristupe, kao što su stvaranje sintetičkih nanotela i razvoj miševa sa „kamelizovanim“ imunološkim sistemom za istraživanje.
Naučnici još uvek ne znaju zašto su kamile i hrskavične ribe, poput ajkula, jedine životinje za koje se zna da stvaraju antitela teškog lanca. Ajkule su najstariji živi organizmi koji se oslanjaju na antitela kao deo svog imunog sistema, a njihova antitela su stabilnija od antitela kamilida. Naučnici spekulišu da se ajkule oslanjaju na ova antitela zbog visoke koncentracije uree u krvi, koja bi degradirala antitela većine sisara.
Ajkule su evoluirale oko 350 miliona godina pre kamila, ali antitela teškog lanca kamila su takođe relativno drevna: nalaze se i u kamilima starog sveta, poput kamila, i u kamilima Novog sveta, poput lame i alpake, što sugeriše da su se antitela možda razvila rano evolucija loze. Možda „postoje određeni patogeni koji su jedinstveni za kamile protiv kojih se najbolje bori sa ovim teškim lančanim antitelima“, kaže Ploegh.
Antitela teškog lanca ajkula mogu biti najdrevniji imuni molekuli koji još uvek postoje – ali LeBeau je budan o tome šta bi mogli da postignu u budućnosti. „Kad god radite sa njima, svaki dan vidite nešto novo. I to je zaista uzbudljivo“, kaže on.
A što se tiče njegovih dva metra dugačkih ajkula, kada prerastu svoj rezervoar, povući će se u lokalni akvarijum.
