Een snufje chemie zorgt ervoor dat het mRNA in Covid19-vaccins robuust genoeg is om zijn biologische werk te doen, vertelt Sander van Kasteren, hoogleraar Moleculaire immunologie in Leiden. En mede dankzij chemie heeft immunotheraphie een vlucht genomen en kan zeer toxische anti-kankermedicatie selectief bij een tumor worden afgeleverd.

Van Kasteren: “Als chemisch bioloog zoek ik naar vragen waar biologen geen antwoord op kunnen vinden met hun genetische of andere technieken, de chemie kan dan uitkomst bieden.” Zijn onderzoeksgroep verdiept zich bijvoorbeeld in de vraag hoe onze afweer beslist of een stof veilig is of gevaarlijk. Een cruciale beslissing om ziekteverwekkers te bestrijden, maar ook belangrijk bij auto-immuunziekten (zoals MS of reuma) en in kanker. “We weten dat het tumorcellen lukt om die beslissing te beïnvloeden via activerende en onderdrukkende signalen richting immuuncellen. Wij onderzoeken hoe dat op moleculair niveau werkt door de interacties tussen verschillende signaalstoffen en receptoren heel precies te meten in levende cellen.”

Klikken

Voor dit onderzoek is ‘gereedschap’ nodig, bijvoorbeeld om lichtgevende labels of andere tags die het mogelijk maken om stoffen te traceren en te volgen in weefsels, binnen één cel of binnen een organel in die cel. Maar dat ‘gereedschap’ mag de biologie zelf niet verstoren.

Een cruciale stap om dat mogelijk te maken was de ontdekking van ‘klikreacties’. Dat zijn chemische reacties waarbij twee chemische groepen uitsluitend en snel met elkaar reageren zonder dat er andere stoffen nodig zijn of vrijkomen; ze klikken heel precies en muurvast op elkaar als twee legosteentjes. De Amerikaanse chemicus Carolyn Bertozzi (Nobelprijs 2022) ontwikkelde een variant die bruikbaar is in levende cellen. Zo lukte het haar als eerste om bepaalde suikers die ze wilde onderzoeken zichtbaar te maken in levende cellen. Ze bracht een klein ‘klikhaakje’ aan op het suikermolecuul en kon er vervolgens op elk gewenst moment een fluorescerende tag ‘aanklikken’. Ze doopte deze aanpak ‘bio-orthogonale chemie’: scheikunde die de biologie niet verstoort.

“Een grote prestatie en een zeer belangrijke ontwikkeling”, vindt Kim Bonger, hoogleraar Chemische biologie in Leiden. “Water is voor een chemicus vaak de vijand. Bovendien bevat elke levende cel enorm veel verschillende en mogelijk reactieve moleculen die ongemoeid moeten blijven.”

Van Kasteren startte net zijn promotieonderzoek toen rond de eeuwwisseling de eerste papers over klikchemie verschenen. “Ik was meteen erg enthousiast. Hoe kan ik dat gebruiken, vroeg ik me af.” Dat resulteerde in een methode om eiwitten veel eenvoudiger te ‘decoreren’ met suikergroepen. Een bepaald eiwit synthetiseren is dankzij genetische modificatie relatief eenvoudig geworden. Maar in levende cellen krijgen eiwitten vaak ook suikergroepen ‘opgeplakt’ die hun functie beïnvloeden. Eiwitten gecontroleerd ‘besuikeren’ was chemisch een haast onmogelijke klus. Maar niet met klikchemie, liet Van Kasteren zien. Door eiwitten een ‘klikhaakje’ mee te geven tijdens de synthese, kun je in een tweede stap een suikergroep precies op die plek ‘hangen’. Zo maak je een goed gelijkende ‘chemische kopie’ waarmee je de rol van de suikergroep in biologische processen prima kunt bestuderen.

Bonger gebruikt klikchemie om moleculaire processen die bijdragen aan auto-immuunziektes zoals reuma te bestuderen, maar ook om nieuwe therapieën te ontwikkelen. “Ik ben vooral een fan van tetrazines. Tien jaar geleden ben ik gestart om dit type klikchemie te gebruiken en door te ontwikkelen. Door de stabiliteit van de moleculen en hoge reactiesnelheid is het een ideale bouwsteen.”

Vishaakje

“De chemische biologie heeft de afgelopen twee decennia echt een spurt gemaakt”, zegt ook chemicus Mario van der Stelt, hoogleraar Moleculaire fysiologie aan de Universiteit Leiden. Hij ziet een steeds grotere rol voor de chemie in de zoektocht naar nieuwe geneesmiddelen, dankzij klikchemie, maar ook dankzij snelle technologische ontwikkelingen in massaspectroscopie, robotisering en snelle screeningsmethoden. Van der Stelt werkt bijvoorbeeld aan ABPP: activity based protein profiling. “Dat opent echt hele nieuwe onderzoeksgebieden. Wij gebruiken het bijvoorbeeld om onderzoek te doen naar de moleculaire veranderingen bij psychiatrische en neurodegeneratieve hersenziekten met humaan hersenweefsel uit de hersenbank.”

ABPP maakt gebruik van chemische sondes, moleculen die bestaan uit een zogeheten warhead en een klikhaakje. Een warhead is door een chemisch bioloog zo ontworpen dat die selectief reageert en bindt met een bepaald type enzymen in een cel. Na de reactie wordt het klikhaakje gebruikt om de gebonden enzymen uit de cel te vissen. Die worden vervolgens geanalyseerd in de massaspectrometer. Door gebruik te maken van verschillende sondes krijgt de onderzoeker een goed beeld van de verzameling actieve enzymen in een cel. En kan de activiteit van enzymen in ziek en gezond weefsel worden vergeleken. Van der Stelt: “Dit chemisch biologisch onderzoek levert zo nieuwe aangrijpingspunten op voor geneesmiddelenontwikkeling.”

Met ABPP zijn ook targets en off-targets van een mogelijk geneesmiddel in een vroeg stadium in kaart te brengen. Van der Stelt: “Zo voorkom je dat er tijd en energie gaat naar stoffen die in de kliniek te veel bijwerkingen veroorzaken.” Zijn onderzoeksgroep ontwikkelde bijvoorbeeld het CellEKT-platform waarmee de selectiviteit en activiteit van kinase-remmers kan worden getoetst. Kinases vormen een familie van meer dan zeshonderd enzymen met een hoofdrol in celdeling en metabolisme. Zeker 83 geneesmiddelen uit de apotheek zijn kinase-remmers. Onder de remmers zijn geneesmiddelen tegen kanker, maar ook tegen ontsteking en auto-immuunziekten. Het is dus belangrijk dat een stof de juiste kinase remt. Het CellEKT-platform is gepatenteerd en een Leidse startup gaat het beschikbaar maken voor de farmaceutische industrie.

Hoe nuttig een toets op off-targets kan zijn, bewees Van der Stelt eerder. Met ABPP achterhaalde hij de waarschijnlijke oorzaak van een uitzonderlijk dramatisch verlopen Franse medicijnstudie uit 2016, waarbij een van de proefpersonen overleed. De pijnstiller die werd getest, bleek onbedoeld een aantal lipases te binden, liet ABPP zien. Lipases zijn onder meer betrokken bij de aanmaak van beschermende vetten rond zenuwcellen. De neurologische klachten die proefpersonen ontwikkelden, zijn mogelijk te wijten aan deze off-targets.

Gereedschap én geneesmiddel

De slimme klikchemie is inmiddels ook terug te vinden in geneesmiddelen zelf, vertelt Bonger. Het gaat vooral om ‘conjugaten’. Geneesmiddelen worden bijvoorbeeld met klikchemie in één stap aan een antilichaam gekoppeld dat het geneesmiddel dan naar zijn doel brengt, bijvoorbeeld een bepaald type tumorcellen. Zo concentreert het geneesmiddel zich op de plek des onheils en is het mogelijk om een hogere dosis van vaak erg toxische medicijnen toe te dienen.

Meer dan vijftien van deze antibody drug conjugates (ADCs) zijn al op de markt, en boeken succes in onder andere de behandeling van blaaskanker en bepaalde vormen van borstkanker. Meer dan honderd ADC’s zitten in klinische trials, waaronder enkele tientallen die gebruik maken van klikchemie-technologie ontwikkeld door het Nederlandse biotechbedrijf Synaffix.

“Er zitten grote beloftes in de pijplijn”, vertelt Bonger enthousiast. Zij verwacht bijvoorbeeld veel van PROTACs: proteolysis targeting chimeras. Dat zijn conjugaten die een doeleiwit richting de ‘prullenbak’ van de cel dirigeren. PROTACs hebben een ‘helft’ die specifiek aangrijpt op een doeleiwit. De andere ‘helft’ is een molecuul dat het enzym E3-ligase opzoekt. Dit enzym plaatst een klein eiwit genaamd ubiquitine - een soort afvallabel - op ‘versleten’ eiwitten. De moleculaire machinerie van de cel breekt alle eiwitten met een ubiquitinelabel af. Een PROTAC maakt dus slim gebruik van de celbiologie zelf om een doeleiwit op te ruimen. Denk daarbij bijvoorbeeld aan eiwitten die tumorcellen produceren om snel te kunnen delen en groeien.

Grote farmaceutische bedrijven zien veel potentie in deze nieuwe generatie geneesmiddelen. De eerste PROTACs zitten momenteel in de eindfase van klinische studies. Het gaat vooralsnog om therapieën tegen kanker, maar PROTAC is een algemene techniek die voor veel meer aandoeningen kan worden ingezet. “Als het werkt, gaan de bedenkers van het PROTAC-concept een Nobelprijs winnen”, voorspelt Bonger.

Klikchemie in je lijf

De Nederlandse startup Tagworks werkt aan geneesmiddelen waarbij klikchemie zelfs in het lichaam plaatsvindt. Het gaat om een geavanceerde, nog experimentele combinatie (conjugaat) van een antilichaam en geneesmiddel. Antilichaam en geneesmiddel zijn chemisch verbonden via een linker die een ‘klikhaakje’ bevat. Nadat het antilichaam zijn doel, bijvoorbeeld een tumor, heeft bereikt en ongebonden conjugaat het lichaam heeft verlaten, krijgt de patiënt een stof toegediend die selectief op de linker klikt en daarbij de binding tussen antilichaam en geneesmiddel verbreekt: click-to-release. Het geneesmiddel komt nu vrij in de micro-omgeving van de tumor en kan tumoren binnendringen om zijn werk doen. Het werkingsprincipe is inmiddels bewezen in celkweek en eerste dierproeven.

“De chemische biologie zorgt voor hele nieuwe manieren om in te grijpen in biologische processen”, legt Van der Stelt uit. De meeste huidige geneesmiddelen werken volgens het sleutel-slot-principe. Ze blokkeren of remmen hun doeleiwit door zich te nestelen in de ‘actieve holte’. Dat is bij receptoren de plek waar signaalstoffen hun bericht doorgeven en bij enzymen de holte waar omzettingen plaatsvinden. Bij nieuwe concepten als PROTACs maakt het niet uit waar het middel bindt, als dat maar selectief gebeurt. “Dat maakt het mogelijk om op hele nieuwe manieren eiwitten te benaderen zelfs eiwitten die voorheen bekend stonden als undrugable. En dankzij chemische biologie is het vinden van zo’n selectief bindend molecuul ook eenvoudiger geworden.”

Klikchemie: chemie compatibel met het leven

Klikchemie is een ontdekking van de Amerikaans chemicus Barry Sharpless (Nobelprijs 2001 én 2022) en de Deense scheikundige Morten Meldal (Nobelprijs 2022). Onafhankelijk van elkaar ontwikkelden zij chemische reacties die razendsnel zijn, heel selectief én geen bijproducten opleveren en waarmee je twee (bio)moleculen aan elkaar kunt koppelen.

Hun eerste klikreactie was die tussen een azide en een alkyn-groep. Ze klikken aan elkaar als twee legosteentjes wanneer er koper-ionen aanwezig zijn. Daarbij ontstaat een ringstructuur. In chemische terminologie: een kopergekatalyseerde azide-alkyn-cycloadditie.

De Amerikaanse chemicus Carolyn Bertozzi (Nobelprijs 2022) ontwikkelde een variant die werkt zonder (toxische) koperionen en bruikbaar is in levende cellen. Bij deze variant zit het alkyn-‘klikhaakje’ in een ringstructuur. De ring heeft ‘spanning’ en daardoor genoeg energie om azide en alkyn spontaan te laten klikken wanneer ze elkaar tegenkomen.

Ondertussen is een reeks variaties op de eerste klikreactie ontwikkeld. Samen vormen ze een set van chemische ‘handvaten’ om kwetsbare biomoleculen en/of synthetische stoffen te koppelen, ook in een levende omgeving: een celkweek en zelfs in-vivo.

Klikreacties worden vaak gebruikt in chemische sondes bedoeld om biologische processen te bestuderen. Het ene deel van een sonde interacteert doorgaans met een receptor, enzym, antilichaam of ander eiwit dat je wilt onderzoeken, het andere deel maakt de stof zichtbaar en traceerbaar in een cel, maar kan ook een handvat zijn  om de doelstof uit levende cellen te ‘vissen’ voor analyse. Het koppelstuk heet linker.

Leids netwerk LED3

Leiden is een knooppunt in Nederland in toepassen van de chemie in de biologie en geneesmiddelenonderzoek. Dat blijkt bijvoorbeeld uit twee grote NWO Zwaartekrachtsubsidies van in totaal meer dan vijftig miljoen euro, een grote bijdrage van het Nationaal Groeifonds Zorg en Gezondheid (via Oncode accelerator) en de toekenning onlangs van drie onderzoeksbeurzen aan Leidse scheikundigen door ZonMW, Nederlands grootste financier van zorgonderzoek.

Van der Stelt: “In acht tot tien jaar hebben we hier in Leiden een groot netwerk gecreëerd van eigenlijk alle disciplines die kunnen bijdragen aan early drug discovery & development om geneesmiddelenonderzoek te versnellen.” Het netwerk heet LED3 en onder de 250 fte zijn er bijna zestig senior onderzoekers, waaronder biologen en scheikundigen, maar ook genetica-, computational modelling- en AI-experts.