Cancro: e se la cura si nascondesse nelle piante? Alla scoperta degli inibitori naturali di USP21

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante, un’esplorazione nel cuore della ricerca scientifica dove la saggezza antica della natura incontra le tecnologie più avanzate per combattere uno dei mali del nostro tempo: il cancro. Parleremo di come alcuni composti derivati dalle piante, i cosiddetti fitocostituenti, potrebbero diventare armi preziose contro questa malattia, andando a colpire un bersaglio molto specifico: un enzima chiamato USP21.

Il Cancro e la Sfida Continua

Nonostante i passi da gigante fatti nella diagnosi e nel trattamento, il cancro rimane una delle sfide sanitarie più grandi a livello globale. Le terapie convenzionali come chemio, radio e chirurgia hanno migliorato le prospettive per molti pazienti, ma la natura complessa e mutevole del cancro ci spinge costantemente a cercare nuove strade, nuovi bersagli e nuove strategie terapeutiche più efficaci e magari con meno effetti collaterali.

Un Bersaglio Promettente: L’Enzima USP21

Nel complesso macchinario delle nostre cellule, esiste un sistema fondamentale chiamato sistema ubiquitina-proteasoma (UPS), che regola un’infinità di processi, dalla degradazione delle proteine al ciclo cellulare. All’interno di questo sistema operano degli “spazzini” molecolari, gli enzimi deubiquitinasi (DUBs), che rimuovono dei piccoli “tag” (l’ubiquitina) dalle proteine, modificandone il destino.

Uno di questi DUBs è proprio USP21 (Ubiquitin-specific protease 21). Studi recenti hanno acceso i riflettori su questo enzima, scoprendo che è spesso “iperattivo” o presente in quantità eccessive in diversi tipi di tumore, come quello al fegato, al polmone (non a piccole cellule) e al pancreas. Perché è un problema? Perché USP21, rimuovendo l’ubiquitina da alcune proteine “cattive” (oncoproteine come NF-κB e β-catenina), le stabilizza, permettendo loro di continuare a guidare la crescita e la diffusione del tumore. L’idea, quindi, è semplice ma potente: se riuscissimo a bloccare l’attività di USP21, potremmo ripristinare la normale degradazione di queste oncoproteine e indurre le cellule tumorali a “suicidarsi” (apoptosi). Ecco perché USP21 è diventato un bersaglio così interessante per lo sviluppo di nuove terapie antitumorali.

La Natura come Farmacia: Alla Ricerca di Inibitori Vegetali

Negli ultimi anni, la ricerca di piccole molecole capaci di inibire i DUBs, incluso USP21, si è intensificata. Tuttavia, trovare inibitori che siano potenti, selettivi (cioè che colpiscano solo USP21 e non altri enzimi simili, per evitare effetti collaterali) e con buone proprietà farmacocinetiche (cioè che possano essere assorbiti, distribuiti ed eliminati correttamente dall’organismo) non è affatto semplice.

Ed è qui che entra in gioco la natura! Le piante sono da sempre una fonte incredibile di composti bioattivi, molecole con strutture chimiche diversissime e con un’ampia gamma di attività farmacologiche: antinfiammatorie, antiossidanti e, appunto, antitumorali. Pensate a quanti farmaci oggi in uso derivano, direttamente o indirettamente, da piante medicinali. L’idea di esplorare i fitocostituenti come potenziali inibitori di USP21 apre quindi una prospettiva davvero affascinante.

Una Caccia al Tesoro Digitale: Il Virtual Screening

Ma come si fa a trovare, tra le migliaia e migliaia di composti presenti nelle piante, quelli giusti per bloccare USP21? Immaginate di avere una biblioteca sterminata (in questo caso, un database chiamato IMPPAT 2.0, che raccoglie informazioni sulle piante medicinali indiane e i loro composti chimici) e di dover trovare la “chiave” giusta (il fitocostituente) per una specifica “serratura” (l’enzima USP21). Farlo in laboratorio richiederebbe tempi e costi enormi.

Ecco che ci viene in aiuto la tecnologia con il virtual screening, una sorta di “caccia al tesoro digitale”. Utilizzando potenti computer e software specifici (come AutoDock, InstaDock, PyMOL), abbiamo iniziato filtrando un database iniziale di circa 18.000 fitocostituenti. Il primo filtro si è basato sulle loro proprietà fisico-chimiche, seguendo la “regola dei cinque” di Lipinski, un criterio che aiuta a prevedere se una molecola ha caratteristiche adatte per diventare un farmaco. Questo ha ridotto la lista a circa 11.900 candidati.

Poi è iniziata la fase di docking molecolare: abbiamo simulato al computer come ciascuna di queste molecole potesse legarsi alla struttura tridimensionale di USP21 (ottenuta da un database pubblico, il PDB). L’obiettivo era trovare quelle molecole che mostravano la maggiore “affinità di legame”, cioè che si incastravano meglio nel sito attivo dell’enzima, un po’ come una chiave perfetta nella sua serratura. Abbiamo così selezionato i 10 migliori candidati.

Restringere il Campo: Proprietà Farmacologiche e Predizioni

Avere una buona affinità di legame è importante, ma non basta. Una potenziale molecola farmaco deve anche avere buone proprietà ADMET (Assorbimento, Distribuzione, Metabolismo, Escrezione e Tossicità). In pratica, deve poter essere assorbita dall’organismo, raggiungere il bersaglio, essere metabolizzata ed eliminata senza causare troppi danni. Utilizzando un altro strumento online (Deep-PK), abbiamo analizzato il profilo ADMET dei nostri 10 candidati.

Abbiamo anche applicato un filtro chiamato PAINS per eliminare quelle molecole note per dare spesso falsi positivi nei test. Alla fine di questo processo di selezione, due composti sono emersi come particolarmente promettenti: Ranmogenin A (IMPHY001281) e Tokorogenin (IMPHY005520). Entrambi mostravano non solo un’ottima affinità di legame per USP21 (addirittura migliore di un inibitore di riferimento noto, BAY-805), ma anche profili ADMET favorevoli e, cosa importante, non sembravano essere cancerogeni.

Per avere un’ulteriore conferma del loro potenziale, abbiamo usato un altro strumento predittivo, il server PASS. Questo strumento, basandosi sulla struttura chimica di una molecola, predice il suo spettro di attività biologiche. Ebbene, sia Ranmogenin A che Tokorogenin hanno mostrato una probabilità elevata (valori di Pa alti) di possedere attività antitumorali significative, come attività antineoplastica, pro-apoptotica, chemopreventiva e antinfiammatoria.

Uno Sguardo più da Vicino: Come Interagiscono?

A questo punto, volevamo capire meglio come queste due molecole interagissero con USP21 a livello atomico. Utilizzando software di visualizzazione molecolare (PyMOL, Discovery Studio Visualizer), abbiamo analizzato nel dettaglio i legami che si formavano tra Ranmogenin A, Tokorogenin e il sito attivo di USP21.

Abbiamo scoperto che entrambe le molecole si legano nello stesso “tasca” dell’enzima dove si lega anche l’inibitore di riferimento BAY-805, suggerendo un meccanismo d’azione competitivo. Nello specifico:

• Ranmogenin A forma legami idrogeno convenzionali con due amminoacidi chiave (Gly366 e Cys398) e interagisce con altri residui tramite legami alchilici e forze di van der Waals.
• Tokorogenin forma un legame idrogeno con Met358, un legame carbonio-idrogeno con Tyr362 e diversi legami alchilici/Pi-alchilici con altri quattro residui (Lys307, Met310, Val396, Cys398), oltre a interazioni di van der Waals.

Queste interazioni specifiche con residui importanti del sito attivo rafforzano l’idea che Ranmogenin A e Tokorogenin possano effettivamente bloccare l’attività di USP21.

Il Film Molecolare: Stabilità nel Tempo con le Simulazioni MD

Il docking ci dà una “fotografia” statica del legame, ma le molecole sono tutt’altro che statiche! Per capire se questo legame fosse stabile nel tempo e come influenzasse la dinamica della proteina, siamo passati alle simulazioni di dinamica molecolare (MD). Utilizzando il software GROMACS, abbiamo creato un modello virtuale del complesso USP21-Ranmogenin A e USP21-Tokorogenin (e anche USP21 da solo e con l’inibitore di riferimento, per confronto) immerso in acqua, simulando un ambiente acquoso simile a quello cellulare. Abbiamo poi “lanciato” la simulazione, osservando i movimenti di ogni singolo atomo per un tempo relativamente lungo nel mondo molecolare: 500 nanosecondi (mezzo miliardesimo di secondo!).

Analizzando i risultati, abbiamo guardato diversi parametri:

• RMSD (Root Mean Square Deviation): Misura quanto la struttura della proteina si discosta dalla sua posizione iniziale. Valori bassi e stabili indicano che il complesso è stabile. E infatti, dopo un assestamento iniziale, l’RMSD dei complessi con Ranmogenin A e Tokorogenin si è stabilizzato, suggerendo che le molecole non “scappavano via” e la proteina manteneva la sua struttura generale.
• RMSF (Root Mean Square Fluctuation): Misura la flessibilità di ogni singolo amminoacido. Anche qui, non abbiamo osservato grandi fluttuazioni indotte dal legame con i nostri fitocostituenti, confermando la stabilità.
• Raggio di Girazione (Rg) e SASA (Solvent-Accessible Surface Area): Questi parametri danno un’idea della compattezza della proteina e di quanto la sua superficie sia esposta al solvente. I valori sono rimasti costanti, indicando che il legame non causava cambiamenti drastici nella forma o nel “ripiegamento” (folding) di USP21. Anzi, i complessi legati apparivano leggermente più compatti della proteina libera.
• Legami Idrogeno: Abbiamo monitorato sia i legami idrogeno interni alla proteina (intramolecolari) sia quelli tra la proteina e i nostri composti (intermolecolari). I legami interni sono rimasti stabili, indicando che la struttura della proteina non veniva perturbata. Ranmogenin A e Tokorogenin formavano in media 1-2 legami idrogeno forti e stabili con USP21 per tutta la durata della simulazione, un segno chiave di un’interazione solida.

Infine, abbiamo usato tecniche come l’Analisi delle Componenti Principali (PCA) e l’analisi del Paesaggio di Energia Libera (FEL) per visualizzare i movimenti complessivi della proteina e identificare gli stati conformazionali più stabili (a più bassa energia). Anche queste analisi hanno confermato che i complessi con Ranmogenin A e Tokorogenin sono molto stabili e occupano regioni energetiche simili a quelle della proteina libera o legata all’inibitore di riferimento, subendo solo lievi cambiamenti conformazionali.

Conclusioni e Prospettive Future: La Strada è Tracciata

Mettendo insieme tutti i pezzi – docking, ADMET, PASS, analisi delle interazioni e simulazioni MD – questo studio computazionale integrato ha identificato Ranmogenin A e Tokorogenin come candidati inibitori di USP21 davvero promettenti. Hanno mostrato alta affinità, buone proprietà farmacocinetiche predette e formano complessi stabili con l’enzima.

Certo, è fondamentale sottolinearlo: siamo ancora nel campo delle previsioni in silico. Il prossimo passo cruciale sarà la validazione sperimentale. Serviranno test in laboratorio per:

• Misurare direttamente quanto bene queste molecole inibiscono l’attività enzimatica di USP21 (saggi enzimatici).
• Valutare la loro capacità di uccidere cellule tumorali in coltura (test di citotossicità su diverse linee cellulari).
• Confermare la loro efficacia antitumorale in modelli animali (studi in vivo, ad esempio usando modelli murini di xenotrapianto).

Inoltre, bisognerà affrontare sfide come la possibile ottimizzazione della struttura di queste molecole per migliorarne ulteriormente l’efficacia o la biodisponibilità (un aspetto critico per i composti naturali) e sviluppare strategie per produrle su larga scala e formulare farmaci efficaci (magari usando nanotecnologie o sistemi di rilascio lipidici).

Nonostante il lavoro da fare sia ancora tanto, i risultati ottenuti sono estremamente incoraggianti. Dimostrano il potenziale enorme nascosto nei composti naturali e come l’approccio computazionale possa accelerare la scoperta di nuovi farmaci. Ranmogenin A e Tokorogenin rappresentano nuovi promettenti “lead compounds” per lo sviluppo di terapie mirate contro USP21, aprendo nuove speranze nella lotta contro il cancro. La natura, ancora una volta, potrebbe indicarci la via.

Fonte: Springer