Ontdekkingen van bacteriële enzymen en nanodeeltjes zijn veelbelovend voor de behandeling van darmpijn

Buikpijn is een kenmerk van veel spijsverteringsstoornissen, waaronder inflammatoire darmziekten en het prikkelbaredarmsyndroom. In een poging om gerichte behandelingen voor darmpijn te ontwikkelen, hebben wetenschappers een nieuw enzym in darmbacteriën ontdekt en gebruiken ze nanodeeltjes om medicijnen in de cellen af ​​te leveren.

Momenteel zijn er geen behandelingen specifiek voor darmpijn, en bestaande pijnstillers zijn vaak onvoldoende om de symptomen onder controle te houden. Deze medicijnen, waaronder opioïden, NSAID’s en steroïden, hebben ook bijwerkingen, waarvan sommige rechtstreeks schadelijk zijn voor het spijsverteringsstelsel.

In twee nieuwe onderzoeken gepubliceerd in Celgastheer en microbe En Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappenconcentreerden onderzoekers zich op PAR₂een receptor die betrokken is bij pijnsignalering en waarvan is aangetoond dat deze een rol speelt gastro-intestinale ziekten gekenmerkt door ontsteking en pijn. Gevonden op het slijmvlies van de darmen en op pijngevoelige zenuwen in de darmen, PAR₂ wordt geactiveerd door bepaalde enzymen die proteasen worden genoemd en is een veelbelovend doelwit voor de behandeling van darmpijn – op talloze manieren.

“Door ons op deze receptor te concentreren, hebben we een traject tussen een bacterieel enzym en pijn in kaart gebracht en bepaald hoe we PAR kunnen blokkeren.₂ met behulp van nanodeeltjes – die ons in de toekomst kunnen helpen pijn gerelateerd aan spijsverteringsstoornissen te behandelen”, zegt Nigel Bunnett, professor en voorzitter van de afdeling Moleculaire Pathobiologie aan het NYU College of Dentistry en faculteitslid van het NYU Pain Research Center.

Een gloednieuw bacterieel enzym als pijnregulator

Dysbiose, of een onbalans in de samenstelling van microben in de darmen, is een onderliggende factor bij veel spijsverteringsziekten. Wetenschappers zijn steeds meer geïnteresseerd in hoe op het microbioom gerichte therapieën, waaronder probiotica, kunnen worden gebruikt om dit evenwicht tussen goede en slechte bacteriën te herstellen.

Bacteriën in de darmen produceren een reeks aminozuren en andere kleine metabolieten om met de rest van het lichaam te communiceren. Matthew Bogyo, hoogleraar pathologie, microbiologie en immunologie aan de Stanford University School of Medicine, wilde begrijpen of bacteriën ook communiceren door proteasen te produceren en of deze enzymen PAR reguleren.₂ activiteit en kan een factor zijn die pijn veroorzaakt.

Met behulp van een grote bibliotheek van menselijke bacteriestammen die in de darmen worden aangetroffen, testten Bogyo en zijn collega’s elke stam om te zien of ze enzymen produceerden die PAR zouden splitsen en activeren.₂. Verrassend genoeg scheidden meer dan 50 bacteriën enzymen uit die PAR splitsten₂.

De onderzoekers richtten zich op een voorheen onbekend enzym dat werd geproduceerd door een staafvormige bacterie genaamd Bacteroides fragilis (B. fragilis) en dat een bijzonder robuuste activiteit had. B. fragilis wordt normaal gesproken aangetroffen in de menselijke dikke darm, maar er zijn aanwijzingen dat het kan bijdragen aan inflammatoire darmziekten.

“B. fragilis is een soort slapende ziekteverwekker. Het is een organisme dat in de darmen kan rondhangen zonder enige schade aan te richten, maar onder bepaalde omstandigheden kan het problemen veroorzaken. Een van de manieren waarop het dat kan doen is door het reguleren van signalen die het naar de gastheer stuurt”, zegt Bogyo.

In samenwerking met Bunnett heeft Bogyo vastgesteld dat het enzym geproduceerd door B. fragilis PAR splitst₂ om de receptor te activeren. In verder onderzoek bij cellen en muizen vergeleken de onderzoekers reguliere B. fragilis-bacteriën met een aangepaste versie van de bacterie waarin het enzym was verwijderd. Ze ontdekten dat het protease geproduceerd door de B. fragilis-bacterie neuronen prikkelde die pijn detecteren en overbrengen, de darmbarrière verstoorde en ontstekingen en pijn in de dikke darm veroorzaakte.

“De resultaten waren zwart-wit: als het protease aanwezig was, was er sprake van pijnsignalering, en als het protease niet aanwezig was, was er geen pijnsignalering. Onze studie identificeert een nieuwe communicatieas tussen darmbacteriën en de gastheer die implicaties heeft voor hoe symptomen kunnen worden veroorzaakt bij inflammatoire darmziekten, ” zei Bogyo.

“Er is veel werk verricht om veranderingen in het microbioom te beschrijven die in verband kunnen worden gebracht met ziekten, maar deze studie is een van de eerste waarin wordt gekeken naar de rol van proteasen in dit traject”, aldus Bunnett.

De onderzoekers, die deze bevindingen onlangs publiceerden in Celgastheer en microbezien het nieuw ontdekte B. fragilis-enzym als een potentieel doelwit voor de behandeling van pijnlijke spijsverteringsstoornissen door het specifieke enzym te remmen en de signaalroute ervan te deactiveren.

Nanodeeltjes gebruiken om een ​​bewegend doel te bereiken

In een afzonderlijke studie in Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappenprobeerden de onderzoekers een bekend gedrag van PAR te exploiteren₂: Wanneer de receptor wordt geactiveerd, beweegt deze van het oppervlak van de cellen langs de darmen naar compartimenten in de cellen die endosomen worden genoemd. De receptor blijft functioneren in endosomen en veroorzaakt ontstekingen en pijn door zenuwcellen te signaleren en gaten te creëren in de beschermende barrière van cellen langs de darmen.

“Als deze receptor zich internaliseert en vanuit deze compartimenten signalen uitzendt, moeten we een strategie voor medicijnafgifte ontwikkelen die zich richt op de receptor in de compartimenten”, aldus Bunnett.

Om een ​​medicijn in endosomen te krijgen, wendden de onderzoekers zich tot nanodeeltjes: kleine, bolvormige vehikels die medicijnen kunnen inkapselen en gemakkelijk in cellen kunnen krijgen. Nanodeeltjes worden gebruikt om medicijnen nauwkeurig te sturen, bijvoorbeeld door zich te richten op tumoren bij de behandeling van kanker, terwijl gezond weefsel wordt gespaard, waardoor de bijwerkingen en de benodigde hoeveelheid medicijn worden geminimaliseerd. Deze aanpak kan vooral nuttig zijn bij spijsverteringsstoornissen, omdat nanodeeltjes medicijnen naar de darmwand kunnen sturen zonder zich naar andere delen van het lichaam te verspreiden.

Om deze aanpak te testen, gebruikten de onderzoekers een experimenteel medicijn genaamd AZ3451 dat PAR blokkeert₂. Ze hebben AZ3451 ingekapseld in twee verschillende soorten nanodeeltjes die zich richten op de twee belangrijkste plaatsen van receptorsignalering die buikpijn veroorzaken: epitheelcellen langs de darmen en zenuwcellen. De nanodeeltjes zijn zo ontworpen dat ze het medicijn gedurende meerdere dagen langzaam afgeven.

“Die aanhoudende afgifte is precies wat je wilt bij een chronische ziekte”, zegt Bunnett.

In cellulaire studies ontdekten ze dat het door nanodeeltjes afgegeven medicijn veel effectiever was in het remmen van de signalering van PAR₂ in epitheel- en zenuwcellen vergeleken met het medicijn alleen. In aanvullende onderzoeken bij muizen met inflammatoire darmaandoeningen verminderde het geven van nanodeeltjes met AZ3451 aan de muizen het pijnachtige gedrag, terwijl het medicijn alleen grotendeels ineffectief was.

“Het gebruik van nanodeeltjes voor de toediening van medicijnen demonstreert een nauwkeurig gerichte aanpak. Deze nanodeeltjes zijn niet alleen nauwkeurig gericht op een bepaalde cel, maar ook op een bepaald compartiment binnen de cel en een bepaalde receptor binnen het compartiment”, aldus Bunnett.