Discovery of P1-P2 depeptidized boronic acid based Plasmodium falciparum SUB1 inhibitor

تعد الملاريا طفيلياً لا يرحم، يختبئ داخل خلايا الدم الحمراء البشرية، ويتكاثر حتى ينفجر ليصيب خلايا جديدة. هذا الهروب، أو الخروج، هو لحظة حرجة في دورة حياة الطفيلي، وهو يعتمد على أداة جزيئية محددة: إنزيم يسمى SUB1. فكر في SUB1 كأنه مقص متخصص يجب على الطفيلي استخدامه لقطع الأغشية التي تحبسه. وإذا تعطلت هذه المقصات أو انكسرت، فلن يتمكن الطفيلي من الهروب، وبالتالي لن يستطيع الانتشار وسيموت في النهاية. ولأن هذا الإنزيم ضروري لبقاء الطفيلي ولكنه يختلف عن الإنزيمات البشرية، فإنه يمثل هدفاً واعداً للأدوية الجديدة. وكان التحدي الذي يواجه العلماء هو تصميم دواء يعطل هذه المقصات بفعالية دون إلحاق الضرر بالمضيف البشري أو أن يكون معقداً للغاية بحيث يصعب على الجسم امتصاصه.

لمدة من الوقت، عرف الباحثون أن بعض الهياكل الكيميائية التي تسمى أحماض البورونيك الببتيدية يمكن أن تعمل كمثبطات قوية، أو عوائق، لهذا الإنزيم. تعمل هذه الجزيئات عن طريق محاكاة البروتينات الطبيعية التي يقطعها الإنزيم عادةً، مما يسمح لها بالارتباط بقوة بالموقع النشط وتعطيل وظيفته. ومع ذلك، فقد بُنيت هذه المثبطات المبكرة مثل سلاسل طويلة من الأحماض الأمينية، مما جعلها "ببتيدية" للغاية. وبينما كانت فعالة في أنبوب الاختبار، إلا أن طبيعتها الببتيدية جعلت من الصعب استخدامها كأدوغ؛ حيث واجهت صعوبة في عبور أغشية الخلايا وكانت غالباً غير مستقرة في الجسم. كان الهدف من البحث الجديد هو تبسيط هذه الجزيئات، عبر تجريدها من الأجزاء المعقدة الشبيهة بالسلاسل مع الحفاظ على الآلية الأساسية التي توقف الإنزيم.

قام فريق من العلماء، يعمل عبر مؤسسات في لاتفيا والمملكة المتحدة والولايات المتحدة، بمهمة إعادة تصميم هذه المثبطات. بدأوا بالنظر في البنية ثلاثية الأبعاد للإنزيم والطريقة التي تتناسب بها أفضل المثبطات الموجودة حالياً بداخله. وباستخدام النمذجة الحاسوبية، أدركوا أن جزءاً معيناً من المثبط، يتكون من وحدتين من الأحماض الأمينية، لا يشكل اتصالات حاسمة مع الموقع النشط للإنزيم. وقد أوحى هذا الملاحظة بإمكانية إزالة هذا الجزء واستبداله بهيكل أبسط بكثير مكون من حلقة، دون فقدان القدرة على الارتباط. فقاموا باستبدال قطعة الأحماض الأمينية الثنائية بنواة مكونة من حلقة بنزين مرتبطة بمجموعة حمض بورونيك، مما خلق نسخة "منزوعة الببتيد" (depeptidized) أصغر حجماً ومن المحتمل أن تكون أكثر شبهاً بالدواء.

قام الباحثون بعد ذلك بتخليق سلسلة من هذه الجزيئات الجديدة المبسطة واختبارها ضد إنزيم الملاريا في المختبر. كان اكتشافهم الرئيسي الأول هو أن موضع مجموعة كيميائية معينة على حلقة البنزين كان بالغ الأهمية. فعندما ألحقوا مجموعة حمض كربوكسيلي بمنتصف الحلقة، أصبح الجزيء مثبطاً قوياً بشكل ملحوظ. هذا الإصدار المحدد، الذي أطلقوا عليه اسم المركب 3a، أوقف عمل الإنزيم عند تركيزات منخفضة للغاية، حيث تطلب حوالي عشرة نانوغرام لكل ميليلتر ليكون فعالاً. كان هذا تحسناً كبيراً مقارنة بالنسخة الأبسط التي تفتقر إلى مجموعة الحمض. وقد حدد الفريق من خلال عمليات المحاكاة الحاسوبية أن هذا التحسن جاء من كون مجموعة الحمض تشكل تجاذباً كهربائياً قوياً مع جزء معين من الإنزيم، مما يؤدي فعلياً إلى إحكام إغلاق المثبط في مكانه.

ولضمان أن تؤدي هذه النتائج إلى أدوية حقيقية، استكشف الفريق ما إذا كان بإمكانهم استبدال حمض الكربوكسيل بمجموعات كيميائية أخرى قد تسلك سلوكاً مشابهاً ولكن بخصائص أفضل. اختبروا بدائل متنوعة، بما في ذلك المجموعات التي تحاكي شكل وشحنة الحمض. وقد ثبت أن بديلاً واحداً، وهو مجموعة N-acylsulfonamide، كان فعالاً تقريباً مثل الحمض الأصلي، محافظاً على قوة عالية ضد الإنزيم. ومع ذلك، فإن المحاولات الأخرى لاستبدال الحمض بهياكل مختلفة، مثل تغيير الحلقة نفسها إلى فوران (furan) أو نقل مجموعة الحمض إلى مكان مختلف على الحلقة، أدت إلى جزيئات فشلت في إيقاف الإنزيم تماماً. أخبر هذا الباحثين أن الهندسة المحددة والطبيعة الكيميائية لمجموعة الحمض أمران غير قابلين للتفاوض لهذا النوع من المثبطات.

بينما كانت المثبطات الجديدة ممتازة في إيقاف الإنزيم في أنبوب الاختبار، إلا أن القصة أصبحت أكثر تعقيداً عندما اختبرها الباحثون على طفيليات الملاريا الحية التي تنمو داخل خلايا الدم الحمراء البشرية. في هذه الاختبارات الخلوية، أظهرت أفضل المثبطات نشاطاً، لكنها كانت أضعف بكثير مما كانت عليه في أنبوب الاختبار، حيث تطلبت تركيزات في نطاق الميكرومولار المنخفض لإبطاء نمو الطفيلي. ويشتبه الباحثون في أن هذا الانخفاض في الأداء يعود إلى الصعوبة التي تواجهها هذه الجزيئات في عبور الأغشية المتعددة للخلية المضيفة وللطفيلي نفسه للوصول إلى هدفها. فالإنزيم مخزن في قسم محدد داخل الطفيلي يسمى "الإكسونيم" (exoneme)، وقد لا تكون الجزيئات الجديدة الأصغر حجماً قادرة على اختراق هذه الحواجز بكفاءة كافية للوصول إلى الإنزيم قبل هروب الطفيلي.

يخلص البحث إلى أنه بينما نجحت استراتيجية تبسيط المثبط عبر إزالة السلسلة الببتيدية في إنشاء مانع قوي جداً للإنزيم، إلا أن الرحلة نحو دواء قابل للاستخدام لم تكتمل بعد. لقد أثبت الفريق أن نواة البنزين وحمض البورونيك يمكن أن تستهدف إنزيم الملاريا بفعالية، وحددوا السمات الكيميائية الدقيقة اللازمة لجعلها ترتبط بقوة. إن الفجوة بين إيقاف الإنزيم في طبق مختبري وإيقاف الطفيلي في خلية تشير إلى أن التعديلات الإضافية مطلوبة للمساعدة في نفاذ الدواء عبر الحواجز البيولوجية. يوفر هذا العمل خارطة طريق واضحة للجيل القادم من علاجات الملاريا، حيث يوضح بالضبط أي التغييرات الكيميائية تحسن الفعالية وأيها يحتاج إلى صقل للتغلب على تحديات وصول الدواء داخل خلية حية.