Discovery of how Taxol works could lead to better anticancer drugs

29 05 2014

UC Berkeley scientists have discovered the extremely subtle effect that the prescription drug Taxol has inside cells that makes it one of the most widely used anticancer agents in the world.

The details, involving the drug’s interference with the normal function of microtubules, part of the cell’s skeleton, could help in designing better anticancer drugs, or in improving Taxol and other drugs already known to disrupt the workings of microtubules.

 

Close up of the tubulin subunit that makes up the microtubule network of the cell (green). The nucleus is blue.

Close up of the tubulin subunit that makes up the microtubule network of the cell (green). The nucleus is blue.

The findings are being reported in the May 22 issue of the journal Cell.

“Efforts towards understanding these chemotherapeutics better are very important, because there are some microtubule differences in cancer cells versus normal cells that maybe we can exploit,” said principal author Eva Nogales, a biophysicist, UC Berkeley professor of molecular and cell biology and senior faculty scientist at Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). “We are not there yet, but this is the kind of analysis we need to get there.”

Taxol, originally extracted from the bark of the Pacific yew tree, is one of the mostly commonly used drugs against solid tumors, and is a front-line drug for treating ovarian and advanced breast cancer. The drug is known to bind to microtubules and essentially freeze them in place, which prevents them from separating the chromosomes when a cell divides. This kills dividing cells, in particular cancer cells, which are known for rapid proliferation.

Nogales, a Howard Hughes Medical Institute investigator, has worked on microtubules since she was a doctoral student in England in the early ’90s, using techniques such as X-ray scattering and cryoelectron microscopy to study how Taxol and other anticancer agents affect microtubules. Later, during her postdoctoral work at LBNL with Ken Downing, she was the first to discover exactly where Taxol binds the basic building block, called tubulin, of the microtubule polymer.

 

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Microtubules – the skeleton of the cell – grow and shrink constantly, pushing and pulling things around the cell. They grow by addition of tubulin, hydrolyzing (red turns to blue) and locking into a strained position. When the tubulin cap stops growing, the strain pulls the microtubule apart in a rapid peeling motion. Chromosomes attached to a peeling microtubule are physically pulled along. Taxol prevents the compaction and straining of the microtubule, inactivating it and eventually killing the cell. Video by Eva Nogales lab, UC Berkeley.

 

Microtubules are the cell’s skeleton


Work by many scientists around the world has shown the microtubule network inside cells, called the cytoskeleton, to be very different from rigid animal skeletons. Microtubules are polymer filaments that constantly grow and shrink, and in doing so push and pull things around the cell, including the chromosomes. Scientists call this dynamic instability. The microtubules also provide a highway for transporting the cell’s organelles and other packages around the cell.

Tubulin, the basic structural unit of the microtubule, is a complex of two proteins – alpha and beta tubulin. Tubulin units stack one atop another to form strips that align with other strips and then zip up to form a hollow tube, the microtubule.

“Tubulin, the cytoskeletal protein that self-assembles into microtubules, is absolutely essential for the life of every eukaryotic cell, which is why it has become a major target of anticancer agents,” Nogales said. “It’s amazing how microtubules probe and try new things almost at random, but there is a level of control built into the cell that ultimately makes sense of this chaos, and the cell survives and prospers.”

Microtubules grow from their free end at about 1 micron per minute by continually adding more tubulin (around 20 tubulin molecules per second). But if they stop growing, they rapidly peel apart like the skin of a banana, releasing tubulin for recycling into other microtubules. This peeling, or depolymerization, takes place at up to 15 microns per minute, or about 300 tubulin molecules falling off per second, Nogales said.

 

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The cell’s skeleton is a constantly growing and shrinking network of microtubules, which provides a highway for transport as well as the muscle to move things like chromosomes around. Taxol interferes with the shrinking. Time-lapse video ourtesy of Gary Borisy.

 

Microtubules are like compressed springs


Nogales has now discovered why microtubules peel apart so rapidly. When they assemble, the strips of tubulin are put under intense strain, but prevented from bending and pulling apart by the growing cap of tubulin on the end. Once growing stops and that cap disappears, the restrained tension rips the microtubule apart.

The tension is created when the tubulin complex, which has a small energy molecule called GTP (guanosine triphosphate) attached, becomes hydrolyzed and the GTP turns into GDP (guanosine diphosphate). This chemical reaction compacts the alpha and beta subunits, much like compacted vertebrae, keeping the tubulin stack under tension as long as the microtubule is growing at its end.

“It had been proposed that tubulin had to be constrained, but no one had proved it,” Nogales said. “What we have seen is that as GTP hydrolysis happens, the tubulin structure gets stuck in a strained state, like a compressed spring. The end subunits are holding the whole thing together.”

When growth stops, the tension is unleashed, and the strips peel apart rapidly.

“This work represents a major step forward on a problem with a long history,” wrote Tim Mitchison in a commentary in the same issue of Cell. Mitchison, a Harvard University professor of systems biology, was the first to show the importance of GTP hydrolysis in destabilizing microtubules. The model proposed by Nogales and her team, he added, “provides our first glimpse into (the) destabilization mechanism.”

Nogales also found that Taxol inserts itself into the tubulin protein and prevents compaction of the alpha and beta subunits, so that no tension builds up. As a result, even if the microtubule stops growing, it remains intact, basically frozen in place, unable to peel apart, or depolymerize, and carry out its normal function.

“Taxol reverses the effects of GTP hydrolysis,” she said.

 

Pushing the limits of cryoelecton microscopy


Nogales and her team discovered these structural changes by pushing the limits of cryoelectron microscopy, a technique in which samples are frozen and probed with a high-powered electron beam. They have now achieved a resolution sufficient to see details smaller than 5 angstroms (one-tenth of a nanometer) across, which is about the size of five hydrogen atoms. While most information to date about the structure of tubulin inside the microtubule has come from the study of artificial, flat sheets of aligned strips of tubulin, Nogales was able to probe three-dimensional microtubules frozen into their natural state, with and without Taxol bound to tubulin. This comparison clearly showed the effect Taxol has on microtubule structure.

Other coauthors of the paper are former UC Berkeley biophysics graduate student Gregory M. Alushin, now of the National Heart Lung and Blood Institute in Bethesda, Md.; former LBNL postdoc Gabriel C. Lander, now of The Scripps Research Institute in La Jolla, Calif.; Elizabeth H. Kellogg of UC Berkeley; Rui Zhang of LBNL and David Baker of the University of Washington, Seattle.

The research is funded by the National Institute of General Medical Sciences of the National Institutes of Health (GM051487), the Damon Runyon Cancer Research Foundation and the Howard Hughes Medical Institute.

 

RELATED INFORMATION

 

By Robert Sanders

 

Newscenter.berkeley.edu [en línea] Berkeley, CA (USA): newscenter.berkeley.edu, 29 de mayo de 2014 [ref. 22 de mayo de 2014] Disponible en Internet: http://newscenter.berkeley.edu/2014/05/22/discovery-of-how-taxol-works-could-lead-to-better-anticancer-drugs/



Una plataforma biocomputacional analizará células cancerosas y bacterias

14 04 2014

Útil para poder predecir el comportamiento que seguirán las células cancerosas y las bacterias ante un tratamiento específico

Científicos de la Universidad de Costa Rica (UCR) crearán una plataforma biocomputacional que procese rápidamente toda la información de las investigaciones que tratan de combatir la resistencia de las células cancerosas a la quimioterapia y de las bacterias a los antibióticos.

 

El investigador principal del proyecto es el Dr. Francisco Siles Canales, coordinador del Laboratorio de Investigación en Reconocimiento de Patrones y Sistemas Inteligentes. FOTO: UCR.

El investigador principal del proyecto es el Dr. Francisco Siles Canales, coordinador del Laboratorio de Investigación en Reconocimiento de Patrones y Sistemas Inteligentes. FOTO: UCR.

 

En el combate de las células cancerígenas y de las bacterias los científicos se topan con el problema de que estos agentes infecciosos son resistentes a las terapias que se aplican para eliminarlos y curar el mal.
En el caso de las células cancerígenas, poseen mecanismos autodefensivos que hacen que algunas sobrevivan a la quimioterapia aunque queden dañadas en su Ácido Desoxirribonucleico (ADN).

Las bacterias se vuelven más resistentes a los antibióticos que van enfrentando, por lo que constantemente hay que estar creando nuevos y más poderosos.

Para poder predecir el comportamiento que seguirán las células cancerosas y las bacterias ante un tratamiento específico, es necesario procesar una cantidad inmensa de información, para lo cual se requiere una poderosa capacidad de procesamiento computacional.

Contar con este recurso es lo que se propone el equipo interdisciplinario de científicos agrupados en la Red de Investigación en Biocomputación (RIB), disciplina que aplica métodos computacionales, matemáticos e ingenieriles a problemas biológicos.

El investigador principal del proyecto es el Dr. Francisco Siles Canales, coordinador del Laboratorio de Investigación en Reconocimiento de Patrones y Sistemas Inteligentes (PRIS-Lab) de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Costa Rica (UCR).

También participan investigadores de la Facultad de Microbiología y del Centro de Investigación en Enfermedades Tropicales (CIET) de la UCR. Asimismo investigadores de la Escuela de Salud Pública y del Centro de Investigaciones en Tecnologías de la Información y Comunicación (CITIC).

 

Matemáticas, células y bacterias

El Dr. Siles explicó que este equipo multidisciplinario está avocado a “construir un modelo matemático que describa el proceso defensivo a los tratamientos por parte de estos agentes que causan enfermedades, para luego implementarlo en la computadora”.

“Es decir que no se quede como un modelo teórico, sino que ese modelo teórico se implemente y que podamos validarlo experimentalmente con los colegas de microbiología. Nosotros proponemos el modelo analítico, lo simulamos en la computadora, lo llevamos al laboratorio y vemos que tan cierto es y lo que vaya saliendo mal lo vamos ajustando.”

Para comprobar la efectividad de las predicciones del modelo matemático se debe trabajar inicialmente con líneas de bacterias y de células cancerosas que estén ampliamente estudiadas y de las cuales se tenga mucha información.

Sobre las células, uno de los miembros del equipo multidisciplinario, el microbiólogo Steve Quirós Barrantes, dijo que van “a trabajar con líneas cancerosas que están sumamente estudiadas, de las cuales se conocen muy bien los detalles y están muy bien descritas, porque llevan ya muchos años de análisis por parte de la comunidad científica.”

Explicó que esa numerosa información se utilizará para desarrollar la plataforma y comprobar si el modelo matemático logra predecir acertadamente el comportamiento de determinado cultivo de células cancerosas al aplicársele alguna quimioterapia específica.

Si se comprueba en el laboratorio que la evolución de las celular es igual al que predijo la plataforma biocomputacional, entonces se podrá aplicar para prever el comportamiento de otras células o bacterias en estudio.

El proyecto se denomina “Plataforma biocomputacional de análisis de datos genómicos para superar la resistencia a la terapia contra el cáncer y las infecciones microbianas”. A finales del 2013 ganó recursos del Fondo de Incentivos que concede anualmente el Ministerio de Ciencia, Tecnología y telecomunicaciones (MICITT).

El Dr. Siles coordina también la Red de Investigación en Computación Científica, creada también por investigadores de la UCR en colaboración con el Colaboratorio Nacional de Computación Avanzada (CNCA), del Centro Nacional de Alta Tecnología (CeNAT), así como también otros centros y laboratorios de investigación costarricenses y extranjeros.

 

 

Dicyt.com [en línea] Salamanca (ESP): dicyt.com, 14 de abril de 2014 [ref. 11 de abril de 2014] Disponible en Internet: http://www.dicyt.com/noticias/una-plataforma-biocomputacional-analizara-celulas-cancerosas-y-bacterias



Patentan un método para reducir los efectos secundarios de la quimioterapia

13 12 2012

 

Investigadores del Centro de Investigación Príncipe Felipe y de la Fundación Investigación e Innovación para el Desarrollo Social han desarrollado y patentado un procedimiento para la eliminación de metales pesados en disolución. Ahora van aplicar este método en un proyecto experimental para la eliminación de cisplatino excedente en sangre. Este metal, utilizado en tratamientos de quimioterapia, es responsable de efectos secundarios como toxicidad renal, náuseas, vómitos y alteraciones sanguíneas en pacientes con cáncer.

 

El método se aplicará en la eliminación del cisplatino excedente en sangre, causante de graves efectos secundarios. Imagen: Wicked

El método se aplicará en la eliminación del cisplatino excedente en sangre, causante de graves efectos secundarios. Imagen: Wicked

El Centro de Investigación Príncipe Felipe (CIPF) y la Fundación Investigación e Innovación para el Desarrollo Social (FIIDS) han iniciado un proyecto conjunto para reducir los efectos secundarios en tratamientos con quimioterapia a pacientes con cáncer.

En concreto, los investigadores del Laboratorio de Bioquímica Estructural del CIPF y del área de Biomedicina de la FIIDS han desarrollado y patentado un proceso para la eliminación de metales pesados en disolución, y han descubierto que este proceso sería también válido para la reducción de los metales disueltos en fluidos de seres vivos, señalan ambas instituciones.

Según los responsables del proyecto, la primera aplicación prevista de este método es la eliminación del cisplatino excedente en sangre tras la administración intravenosa en pacientes de cáncer.

“El cisplatino es el medicamento más frecuentemente prescrito en tratamientos de quimioterapia y está considerado como el anticanceroso más efectivo y de mayor espectro de acción. Sin embargo, al tratarse de un metal, la presencia de este fármaco en sangre conlleva un gran número de efectos secundarios de gravedad tales como toxicidad renal, náuseas, vómitos y alteraciones sanguíneas”, indican.

 

Aumentar la eficacia terapéutica

El proceso desarrollado para la eliminación de metales pesados en disolución se adaptará a la reducción del platino mediante el intercambio con otros metales no tóxicos. La eliminación de platino en sangre se efectuará por un método extracorpóreo similar a la hemodiálisis.

La aplicación del proceso contribuiría a reducir estos efectos secundarios del cisplatino al eliminar esta sustancia de la sangre. Además, el proyecto tiene entre sus objetivos aumentar la eficacia terapéutica del fármaco al permitir el incremento de su dosificación, según las instituciones.

 

Agenciasinc.es [en línea] Madrid (ESP): agenciasinc.es, 13 de diciembre de 2012 [ref. 13 de noviembre de 2012] Disponible en Internet: http://www.agenciasinc.es/Noticias/Patentan-un-metodo-para-reducir-los-efectos-secundarios-de-la-quimioterapia



CVC y el Hospital de Sant Pau desarrollan un software para determinar nuevos parámetros del funcionalismo cardíaco

27 08 2012

Una de las primeras aplicaciones clínicas de este software en el Hospital de Sant Pau de Barcelona tiene como objetivo la detección precoz de cardiotoxicidad en pacientes sometidas a quimioterapia.

 

El Centro de Visión por Computador (CVC) de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB), en colaboración con la Unidad de Imagen Cardíaca del Servicio de Cardiología del Hospital de Sant Pau, ha desarrollado un software que permite, por vez primera, de una manera fácil y útil para el médico, calcular los valores de la torsión miocárdica a partir del análisis de imágenes de resonancia magnética cardíaca marcada (tagging miocárdico).

La torsión miocárdica resulta de la relación entre forma y función del corazón y es un indicador del funcionalismo miocárdico global con un alto valor diagnóstico para la detección precoz de la disfunción ventricular.

El software se ha realizado en el marco del Proyecto Miocardia. Liderado por la Dra. Débora Gil del grupo de Modelado Interactivo y Aumentado (IAM) del CVC y el Dr. Francesc Carreras del Hospital de Sant Pau, el objetivo final de este proyecto es modelar y valorar el funcionamiento electromecánico del corazón, con la finalidad de profundizar en el conocimiento de la mecánica cardíaca en el corazón sano y en la enfermedad.

 El software se ha integrado en la plataforma de acceso libre OsiriX. Una característica fundamental es que la interface ha sido creada por y para el ámbito clínico, ello garantiza el uso in situ por parte de los médicos dentro del propio laboratorio de imagen de los hospitales.

Un primer prototipo lleva funcionando en la Unidad de Imagen Cardíaca del Hospital de Sant Pau desde septiembre de 2011. 

Recientemente, el Hospital ha aprobado un protocolo para utilizar este software de forma prospectiva en pacientes que reciben tratamiento de quimioterapia potencialmente cardiotóxica para poder detectar lo más precozmente posible la aparición de disfunción del miocardio ventricular. El software implementado en el Hospital Sant Pau facilitará el trabajo de los médicos, al proporcionar nuevos parámetros de función ventricular útiles para el seguimiento y la detección precoz de cardiotoxicidad en pacientes sometidos a quimioterapia.

 

 

Uab.es [en línea] Barcelona (ESP): uab.es, 27 de agosto de 2012 [ref. 19 de abril de 2012] Disponible en Internet: http://www.uab.es/servlet/Satellite/noticias/detall-de-noticia/cvc-y-el-hospital-de-sant-pau-desarrollan-un-software-para-determinar-nuevos-parametros-del-funcionalismo-cardiaco-1255932662579.html?noticiaid=1334730416560