Discovery of orally bioavailable Zika virus NS2B-NS3 protease inhibitors with efficacy in a murine infection model

Forscher entdeckten durch einen fragmentbasierten Wirkstoffdesignansatz potente, oral bioverfügbare, nicht-kovalente Inhibitoren der NS2B-NS3-Protease des Zika-Virus, die in einem murinen Infektionsmodell eine signifikante Wirksamkeit bei der Reduktion der Viruslast zeigten.

Das Wesentliche

Stellen Sie sich das Zika-Virus als einen winzigen, eindringenden Einbrecher vor, der versucht, in das Haus Ihres Körpers einzubrechen. Um Erfolg zu haben, benötigt dieser Einbrecher ein spezifisches Werkzeugset, um die Türen zu entriegeln und Ärger zu verursachen. Eines seiner wichtigsten Werkzeuge ist ein Paar molekularer „Scheren", die NS2B-NS3-Protease genannt werden. Diese Scheren sind für das Virus unverzichtbar, um sich in funktionierende Teile zu schneiden und zu vermehren.

Derzeit gibt es keine zugelassenen Impfstoffe oder Medikamente, um diesen spezifischen Einbrecher zu stoppen, was Millionen von Menschen verwundbar macht, insbesondere schwangere Frauen, bei denen das Virus schwere Geburtsfehler verursachen kann.

In dieser Studie agierten Wissenschaftler wie Meister Schlosser und Detektive. Sie begannen damit, die „Scheren" des Virus unter einem leistungsstarken Mikroskop (ein kristallographischer Fragment-Screen) zu betrachten, um genau zu sehen, wie die Klingen geformt waren. Unter Verwendung dieses visuellen Bauplans entwarfen sie einen „Schlüssel" (ein Pharmakophor), der perfekt in den Griff der Scheren passte, sie blockierte und so verhinderte, dass sie etwas schneiden konnten.

Anstatt einen schweren, komplexen Schlüssel zu bauen, mit dem der Körper möglicherweise Schwierigkeiten hätte, wandten sie einen cleveren, schrittweisen Ansatz an, um einen einfachen, leichten Schlüssel zu verfeinern. Sie testeten Tausende von Variationen in einer Hochgeschwindigkeits-Montagestraße (High-Throughput-Library-Chemie), bis sie eine perfekte Übereinstimmung fanden.

Das Ergebnis war eine neue Art von Medikament mit drei besonderen Superkräften:

1. Es ist ein „nicht klebriger" Blockierer: Im Gegensatz zu einigen Medikamenten, die sich an das Virus kleben, sitzt dieses einfach im Griff der Scheren und verhindert, dass sie funktionieren (nicht-kovalent).
2. Es ist kein „Kopierer": Es sieht nicht den natürlichen Proteinen ähnlich, die das Virus normalerweise verwendet, was es für das Virus schwieriger macht, sich anzupassen (nicht-peptidomimetisch).
3. Es ist robust und transportabel: Es kann die Reise durch den Magen überstehen, um in den Blutkreislauf zu gelangen (oral bioverfügbar) und baut sich nicht zu schnell ab (metabolisch stabil).

Um zu sehen, ob dieser Schlüssel in einem realen Szenario tatsächlich funktionierte, testeten die Wissenschaftler ihn an Mäusen, die mit dem Virus infiziert worden waren. Sie gaben den Mäusen das Medikament nur drei Tage lang. Das Ergebnis war wie das Entdecken einer Festung, die erfolgreich verteidigt worden war: Die Menge an viralen „Einbrechern" im Blut und in der Milz der Mäuse sank erheblich.

Kurz gesagt, die Forscher fanden eine neue, schluckbare Pille, die die für das Zika-Virus wesentlichen Schneidewerkzeuge erfolgreich blockiert, es daran hindert, sich in lebenden Tieren zu vermehren, und eine vielversprechende neue Richtung für eine Krankheit bietet, für die es derzeit keine Heilung gibt.

Technische Zusammenfassung

Problem
Flaviviren stellen aufgrund ihrer Pathogenität und ihres Pandemierisikos eine erhebliche globale Gesundheitsbedrohung dar und werden typischerweise durch infizierte Arthropoden übertragen. Das Zika-Virus birgt ein einzigartiges doppeltes Übertragungsrisiko, da es sowohl durch Arthropoden übertragen als auch sexuell übertragbar ist, mit schwerwiegenden Folgen einschließlich angeborener Fehlbildungen, wenn eine Infektion während der Schwangerschaft auftritt. Trotz des Ausbruchs von 2015–2016, der über 1,5 Millionen Menschen infizierte, gibt es derzeit keine klinisch entwickelten Impfstoffe oder antiviralen Therapeutika zur Behandlung oder Prävention einer Zika-Virus-Infektion.

Methodik
Die Studie verfolgte eine strukturbasierte Wirkstoffentwicklungsstrategie, die auf die NS2B-NS3-Protease des Zika-Virus abzielte, ein für die Virusreplikation entscheidendes Enzym. Der Prozess begann mit einem kristallographischen Fragment-Screening zur Identifizierung initialer Bindungsmotive. Diese Fragmente wurden anschließend unter Verwendung eines Pharmakophor-Ansatzes in Kombination mit Hochdurchsatz-Library-Chemie weiterentwickelt, um die Wechselwirkungen im aktiven Zentrum zu optimieren. Die Forschung konzentrierte sich auf die Identifizierung von Inhibitoren, die potent, metabolisch stabil, nicht-kovalent und nicht-peptidomimetisch waren, um günstige arzneimittelähnliche Eigenschaften sicherzustellen.

Hauptbeiträge und Ergebnisse
Die Autoren berichten über die Entdeckung einer neuen Klasse potenter Inhibitoren, die auf die NS2B-NS3-Protease des Zika-Virus abzielen. Diese Verbindungen zeigten auch Aktivität gegen die NS2B-NS3-Protease des West-Nil-Virus, was auf ein Potenzial für eine breitwirksame Hemmung von Flaviviren hindeutet. Die identifizierten Inhibitoren wiesen eine starke antivirale Aktivität in vitro auf und besaßen die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich metabolischer Stabilität und Nicht-Peptidomimetizität.

Die Wirksamkeit in vivo wurde in einer dreitägigen Zika-Virus-Herausforderungsstudie mit AG129-Mäusen bewertet. Die Leitverbindung zeigte eine signifikante Wirksamkeit, was zu einer deutlichen Reduktion der viralen RNA-Belastung sowohl im Mäuseplasma als auch in der Milz führte.

Bedeutung
Diese Arbeit adressiert den kritischen Mangel an therapeutischen Optionen für das Zika-Virus, indem sie einen validierten chemischen Ausgangspunkt für die Entwicklung antiviraler Wirkstoffe liefert. Die Studie zeigt, dass eine strukturgeführte Optimierung von Fragment-Treffern zu potenten, oral bioverfügbaren Proteaseinhibitoren mit nachgewiesener Wirksamkeit in einem murinen Infektionsmodell führen kann. Diese Erkenntnisse bilden die Grundlage für die weitere Entwicklung antiviraler Wirkstoffe, die zur Behandlung des Zika-Virus und potenziell verwandter Flaviviren geeignet sind.