Researchers at the Centre for Genomic Regulation in Barcelona and the University of Cologne in Germany have developed a new experimental strategy to tackle scarring and fibrosis. Experiments with patient-derived human cells and animal models showed the strategy was effective, non-toxic and its effects reversible. The findings are published today in the journal Nature Communications.

Scarring occurs from the secretion and accumulation of various components – primarily proteins known as collagens – into the space between individual cells, usually occurring as a response to injury or damage. Excessive collagen secretion can also cause the buildup of fibrotic tissue, a more serious condition where excess connective tissue is formed to the extent that it compromises the function of tissues and sometimes entire organs. Around 45% of deaths in the industrialised world are attributed to some form of tissue fibrosis.

Treatment options for both scarring and fibrosis are usually limited to surgery. Outside the body, scar tissue is often beneath the outer layer of the skin. Since most topical creams are not able to penetrate deeply enough to reach the affected areas effectively, their ability to remodel or heal the tissue is limited. Inside the body, scarring and fibrosis can affect many different tissues and organs, each with its unique environment and challenges and with no one-size-fits-all treatment option.

“Existing treatment options are usually ineffective because they try and fail to mop the excessive collagen up. In this work, we tried a completely different idea: to block the floodgates at the cellular level. The strategy works at the cellular level, releasing enough collagen so that tissues don’t fall apart while protecting them from excessive amounts that impairs their function,” explains ICREA Research Professor Vivek Malhotra, co-corresponding author of the study and researcher at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona, Spain.

The researchers’ new strategy involves using molecules known as peptides to block the export of collagen from inside cells. The peptides disrupt an interaction between two proteins called TANGO1 and cTAGE5. Both proteins bind to each other and are essential for the export of collagens from their site of synthesis inside the cell to the exterior. The two proteins “sit” at the endoplasmic reticulum exit site, a place in the cell where materials like proteins are packaged and transported out the cell.

“Targeting the endoplasmic reticulum exit site has been historically considered impossible because a third of all human proteins go through it, so inhibiting its activity would likely have many off-target, toxic effects. In other words, it’s been ‘undruggable’. Only recently have there been indications that there is some specificity for the secretory materials. In this study we aimed to achieve this specificity by inhibiting the interface between TANGO1 and cTAGE5 with targeted precision,” explains Dr. Ishier Raote, first author of the study who carried out the work at the Centre for Genomic Regulation.

Proteins are like puzzle pieces. To know how two pieces fit together, you need to see their shapes clearly. Both TANGO1 and cTAGE5 are large, complex proteins which constantly shapeshift. To date, their exact structure remains unknown, which in turn means we don’t understand how they connect at the molecular level, hindering efforts to design drugs that can block the interaction.

The researchers overcame this challenge by using AlphaFold2, an artificial-intelligence program that can guess the shapes of the two proteins without needing structural data about their 3D shape. The predictions made by AI allowed the authors of the study to design peptides which can pass through a cell membrane and disrupt the interaction between TANGO1 and cTAGE5.

The researchers tested the peptides using normal human fibroblasts, the most common type of cell found in connective tissue. The peptides successfully inhibited collagen export, causing it to accumulate inside the cells. The effect was also reversible, with collagen levels increasing again after the peptides were removed within a 48-hour period.

The researchers observed similar effects in experiments with fibroblasts from patients with scleroderma, a complex autoimmune disease characterized by fibrosis of the skin and internal organs. The peptides were then tested using zebrafish, a common animal model to study tissue development and wound healing. The strategy visibly reduced collagen deposition in wound areas.

The researchers next plan to evaluate the efficacy of the peptides in pig skin because it closely resembles human skin. They will also finetune the properties of the peptides to increase their potency.

“We believe this represents a new strategy to control the effects of collagen hypersecretion. This could range from alleviating the cosmetic effects of skin scarring to the treatment of autoimmune diseases like scleroderma, as well as to manipulate post-surgery related events associated with wound healing to prevent fibrosis,” concludes Dr. Malhotra.

The study was coordinated by researchers at the Centre for Genomic Regulation in Spain and the University of Cologne in Germany. It also includes collaborators from the Institut Jacques Monod in France, EMBL Barcelona, the Institute for Stem Cell Science and Regenerative Medicine (inStem) in India, ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques in Spain, and the Max Planck Institute for Biology of Aging in Germany.
 

EN CASTELLANO

El bloqueo del colágeno: una nueva estrategia para abordar la fibrosis y las cicatrices 

Un equipo científico del Centro de Regulación Genómica de Barcelona y de la Universidad de Colonia (Alemania) ha desarrollado una nueva estrategia experimental para abordar la cicatrización y la fibrosis. Los experimentos con células humanas derivadas de pacientes y modelos animales muestran que la estrategia es efectiva, no tóxica y sus efectos reversibles. Los hallazgos se publican hoy en la revista Nature Communications.

La cicatrización se produce a partir de la secreción y acumulación de varios componentes, principalmente las proteínas conocidas como colágenos, en el espacio entre las células individuales. Esta reacción ocurre como respuesta a una lesión o daño. La secreción excesiva de colágeno también puede causar la acumulación de tejido fibrótico, una condición grave en la que se forma un exceso de tejido conectivo hasta el punto de comprometer la función de los tejidos y, a veces, de órganos enteros. Alrededor del 45% de las muertes en el mundo industrializado se atribuyen a alguna forma de fibrosis tisular.

En la parte exterior del cuerpo, las cicatrices suelen estar debajo de la capa externa de la piel. Dado que la mayoría de las cremas tópicas no pueden penetrar lo suficientemente profundo como para llegar a las áreas afectadas de manera efectiva, hay pocas maneras de remodelar o curar el tejido. Dentro del cuerpo, las cicatrices y la fibrosis pueden afectar a muchos tejidos y órganos diferentes, cada uno con su entorno y desafíos únicos. Por estos motivos, la cirugía es la principal opción de tratamiento tanto para la cicatrización como para la fibrosis.

"Los tratamientos actuales suelen ser ineficaces porque no logran eliminar el exceso de colágeno. Aquí intentamos una idea completamente diferente: reducir la exportación del colágeno a nivel celular, liberando suficientes proteínas para que los tejidos no se desmoronen y evitar la acumulación de cantidades excesivas que perjudiquen su función", explica el profesor de investigación ICREA Vivek Malhotra, coautor principal del estudio e investigador del Centro de Regulación Genómica (CRG).

La nueva estrategia consiste en utilizar moléculas pequeñas (péptidos) para interrumpir la interacción entre las proteínas TANGO1 y cTAGE5. Ambas proteínas trabajan juntas para exportar colágenos hacia el exterior de la célula. Las dos proteínas "se asientan” en el punto de salida del retículo endoplásmico, un lugar donde los materiales como las proteínas se empaquetan y se transportan fuera de la célula.

"El punto de salida del retículo endoplásmico se ha considerado siempre una diana terapéutica inabordable porque un tercio de todas las proteínas humanas lo atraviesan. Por este motivo, inhibir su actividad probablemente tendría muchos efectos secundarios. Pero se ha demostrado recientemente de que existe cierta especificidad para los materiales secretores, y el objetivo de este estudio ha sido conseguir una precisión dirigida para lograr esta especificad inhibiendo la unión entre TANGO1 y cTAGE5", explica el Dr. Ishier Raote, primer autor del estudio que llevó a cabo el trabajo en el Centro de Regulación Genómica.

Las proteínas son como piezas de un rompecabezas. Para saber cómo encajan dos piezas, es necesario ver claramente su estructura. Tanto TANGO1 como cTAGE5 son proteínas grandes y complejas que cambian de forma constantemente. Hasta la fecha, la estructura exacta de cada proteína sigue siendo desconocida, dificultando los esfuerzos para diseñar fármacos que puedan bloquear la interacción. 

El equipo científico superó este desafío mediante el uso de AlphaFold2, un programa de inteligencia artificial que puede adivinar las estructuras de ambas proteínas. Las predicciones realizadas por la IA permitieron a los autores del estudio diseñar péptidos que pueden atravesar una membrana celular e interrumpir la interacción entre TANGO1 y cTAGE5.

Los péptidos se probaron en fibroblastos humanos normales, un tipo de célula común del tejido conectivo. Los péptidos inhibieron con éxito la exportación de colágeno, haciendo que se acumulara dentro de las células. El efecto también fue reversible, y los niveles de colágeno volvieron a aumentar tras eliminarse los péptidos en un periodo de 48 horas. 

Los autores del estudio observaron efectos similares en experimentos con fibroblastos de pacientes con esclerodermia, una enfermedad autoinmune compleja caracterizada por fibrosis de la piel y los órganos internos. A continuación, los péptidos se probaron utilizando el pez cebra, un modelo animal común para estudiar el desarrollo de tejidos y la cicatrización de heridas. La estrategia redujo visiblemente la deposición de colágeno en las áreas de la herida.

El siguiente paso del equipo científico es evaluar la eficacia de los péptidos en la piel de cerdo porque se parece mucho a la piel humana. También afinarán las propiedades de los péptidos para aumentar su potencia. "Creemos que esto representa una nueva estrategia para controlar los efectos de la hipersecreción de colágeno. Esto podría ir desde aliviar los efectos cosméticos de las cicatrices de la piel hasta el tratamiento de enfermedades autoinmunes como la esclerodermia, así como la manipulación de los eventos relacionados con la cirugía asociados con la cicatrización de heridas para prevenir la fibrosis", concluye el Dr. Malhotra.

El Centro de Regulación Genómica y la Universidad de Colonia coordinaron el estudio. También cuenta con colaboradores del Institut Jacques Monod de Francia, el EMBL de Barcelona, el Institute for Stem Cell Science and Regenerative Medicine (inStem) de India, el ICFO-Institut de Ciències Fotoniques y el Instituto Max Planck de Biología del Envejecimiento de Alemania.
 

EN CATALÀ

El bloqueig del col·lagen: una nova estratègia per abordar la fibrosi i les cicatrius 

Un equip científic del Centre de Regulació Genòmica de Barcelona i de la Universitat de Colònia (Alemanya) ha desenvolupat una nova estratègia experimental per abordar la cicatrització i la fibrosi. Els experiments amb cèl·lules humanes derivades de pacients i models animals de peix de zebra mostren que l'estratègia és efectiva, no tòxica i els seus efectes reversibles. Les troballes es publiquen avui a la revista Nature Communications.

La cicatrització es produeix a partir de la secreció i acumulació de diversos components, principalment les proteïnes conegudes com a col·làgens, en l'espai entre les cèl·lules individuals. Aquesta reacció passa com a resposta a una lesió o dany. La secreció excessiva de col·lagen també pot causar l'acumulació de teixit fibròtic, una condició greu en la qual es forma un excés de teixit connectiu fins al punt de comprometre la funció dels teixits i, de vegades, d'òrgans sencers. Al voltant del 45% de les morts en el món industrialitzat s'atribueixen a alguna forma de fibrosi tissular.

A la part exterior del cos, les cicatrius solen estar sota la capa externa de la pell. Atès que la majoria de les cremes tòpiques no poden penetrar prou profund com per arribar a les àrees afectades de manera efectiva, hi ha poques maneres de remodelar o curar el teixit. Dins del cos, les cicatrius i la fibrosi poden afectar molts teixits i òrgans diferents, cadascun amb el seu entorn i desafiaments únics. Per aquests motius, la cirurgia és la principal opció de tractament tant per a la cicatrització com per a la fibrosi.

"Els tractaments actuals solen ser ineficaços perquè no aconsegueixen eliminar l'excés de col·lagen. Aquí intentem una idea completament diferent: reduir l'exportació del col·lagen a nivell cel·lular, alliberant prou proteïnes perquè els teixits no s’esfondrin i evitar l'acumulació de quantitats excessives que perjudiquin la seva funció", explica el professor d’investigació ICREA Vivek Malhotra, coautor principal de l'estudi i investigador del Centre de Regulació Genòmica (CRG).

La nova estratègia consisteix a utilitzar molècules petites (pèptids) per interrompre la interacció entre les proteïnes TANGO1 i cTAGE5. Ambdues proteïnes treballen juntes per exportar col·làgens cap a l'exterior de la cèl·lula. Les dues proteïnes "seuen" en el punt de sortida del reticle endoplasmàtic, un lloc on els materials com les proteïnes s'empaqueten i es transporten fora de la cèl·lula.

"El punt de sortida del reticle endoplasmàtic s'ha considerat sempre una diana terapèutica inabordable perquè un terç de totes les proteïnes humanes el travessen. Per aquest motiu, inhibir la seva activitat probablement tindria molts efectes secundaris. Però s'ha demostrat recentment que existeix certa especificitat per als materials secretors, i l'objectiu d'aquest estudi ha estat aconseguir una precisió dirigida per aconseguir aquesta especificitat inhibint la unió entre TANGO1 i cTAGE5", explica el Dr. Ishier Raote, primer autor de l'estudi que va dur a terme el treball al Centre de Regulació Genòmica.

Les proteïnes són com peces d'un trencaclosques. Per saber com encaixen dues peces, cal veure clarament la seva estructura. Tant TANGO1 com cTAGE5 són proteïnes grans i complexes que canvien de forma constantment. Fins ara, l'estructura exacta de cada proteïna continua essent desconeguda, dificultant els esforços per dissenyar fàrmacs que puguin bloquejar la interacció.

L'equip científic va superar aquest desafiament mitjançant l'ús d'AlphaFold2, un programa d'intel·ligència artificial que pot endevinar les estructures d'ambdues proteïnes. Les prediccions realitzades per la IA van permetre als autors de l'estudi dissenyar pèptids que poden travessar una membrana cel·lular i interrompre la interacció entre TANGO1 i cTAGE5.

Els pèptids es van provar en fibroblasts humans normals, un tipus de cèl·lula comuna del teixit connectiu. Els pèptids van inhibir amb èxit l'exportació de col·lagen, fent que s'acumulés dins de les cèl·lules. L'efecte també va ser reversible, i els nivells de col·lagen van tornar a augmentar després d'eliminar-se els pèptids en un període de 48 hores.

Els autors de l'estudi van observar efectes similars en experiments amb fibroblasts de pacients amb esclerodèrmia, una malaltia autoimmune complexa caracteritzada per fibrosi de la pell i els òrgans interns. A continuació, els pèptids es van provar utilitzant el peix zebra, un model animal comú per estudiar el desenvolupament de teixits i la cicatrització de ferides. L'estratègia va reduir visiblement la deposició de col·lagen a les àrees de la ferida. 

El següent pas de l'equip científic és avaluar l'eficàcia dels pèptids en la pell de porc perquè s'assembla molt a la pell humana. També afinaran les propietats dels pèptids per augmentar la seva potència. "Creiem que això representa una nova estratègia per controlar els efectes de la hipersecreció de col·lagen. Això podria anar des d'alleujar els efectes cosmètics de les cicatrius de la pell fins al tractament de malalties autoimmunes com l'esclerodèrmia, així com la manipulació dels esdeveniments relacionats amb la cirurgia associats amb la cicatrització de ferides per prevenir la fibrosi", conclou el Dr. Malhotra.

El Centre de Regulació Genòmica i la Universitat de Colònia van coordinar l'estudi. També compta amb col·laboradors de l'Institut Jacques Monod de França, l'EMBL de Barcelona, l'Institute for Stem Cell Science and Regenerative Medicine (inStem) d'Índia, l'ICFO-Institut de Ciències Fotoniques i l'Institut Max Planck de Biologia de l'Envelliment d'Alemanya.