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

Malaria ist ein unerbittlicher Parasit, der sich in den roten Blutkörperchen des Menschen versteckt und sich vermehrt, bis er aus ihnen ausbricht, um neue Zellen zu infizieren. Dieser Ausbruch, oder Egress, ist ein kritischer Moment im Lebenszyklus des Parasiten und beruht auf einem speziellen molekularen Werkzeug: einem Enzym namens SUB1. Stellen Sie sich SUB1 wie eine spezialisierte Schere vor, die der Parasit benutzen muss, um die Membranen durchzuschneiden, die ihn gefangen halten. Wenn diese Schere klemmt oder kaputt ist, kann der Parasit nicht entkommen, kann sich nicht ausbreiten und stirbt schließlich ab. Da dieses Enzym für das Überleben des Parasiten essenziell ist, aber anders aussieht als menschliche Enzyme, bietet es ein vielversprechendes Ziel für neue Medikamente. Die Herausforderung für Wissenschaftler bestand darin, ein Medikament zu entwickeln, das diese Schere effektiv blockiert, ohne dem menschlichen Wirt zu schaden oder zu komplex für die Aufnahme durch den Körper zu sein.

Seit geraumer Zeit wissen Forscher, dass bestimmte chemische Strukturen, sogenannte peptische Boronsäuren, als starke Inhibitoren oder Stopper für dieses Enzym wirken können. Diese Moleküle funktionieren, indem sie die natürlichen Proteine imitieren, die das Enzym normalerweise schneidet, wodurch sie fest an die aktive Stelle binden und dessen Funktion blockieren. Diese frühen Inhibitoren waren jedoch wie lange Ketten von Aminosäuren aufgebaut, was sie hochgradig „peptidisch“ machte. Obwohl sie in einem Reagenzglas effektiv waren, machte diese peptidische Natur sie schwierig als Medikamente einzusetzen; sie hatten Schwierigkeiten, Zellmembranen zu durchdringen, und waren im Körper oft instabil. Das Ziel der neuen Forschung war es, diese Moleküle zu vereinfachen, indem man die komplexen kettenartigen Teile entfernte, während der Kernmechanismus, der das Enzym stoppt, erhalten blieb.

Ein Team von Wissenschaftlern, das in Lettland, dem Vereinigten Königreich und den USA arbeitete, setzte sich zum Ziel, diese Inhibitoren neu zu gestalten. Sie begannen mit der Untersuchung der dreidimensionalen Struktur des Enzyms und der Art und Weise, wie die besten bestehenden Inhibitoren in dieses hineinpassen. Mithilfe von Computermodellierung erkannten sie, dass ein spezifischer Abschnitt des Inhibitors, der aus zwei Aminosäureeinheiten besteht, keine kritischen Kontakte mit der aktiven Stelle des Enzyms herstellt. Diese Beobachtung legte nahe, dass dieser Teil entfernt und durch eine viel einfachere, ringförmige Struktur ersetzt werden könnte, ohne die Bindungsfähigkeit zu verlieren. Sie ersetzten das Segment aus zwei Aminosäuren durch einen Kern, der aus einem Benzolring besteht, der an eine Boronsäuregruppe gebunden ist, wodurch eine „depeptidisierte“ Version entstand, die kleiner und potenziell medikamentöser war.

Die Forscher synthetisierten daraufhin eine Reihe dieser neuen, vereinfachten Moleküle und testeten sie im Labor gegen das Malaria-Enzym. Ihre erste große Entdeckung war, dass die Position einer spezifischen chemischen Gruppe am Benzolring eine enorme Bedeutung hatte. Als sie eine Carbonsäuregruppe an die Mitte des Rings anfügten, wurde das Molekül zu einem bemerkenswert potenten Inhibitor. Diese spezifische Version, die sie Verbindung 3a nannten, stoppte die Funktion des Enzyms bei extrem niedrigen Konzentrationen; es waren nur etwa zehn Nanogramm pro Milliliter erforderlich, um wirksam zu sein. Dies war eine signifikante Verbesserung gegenüber der einfacheren Version ohne die Säuregruppe. Das Team stellte durch Computersimulationen fest, dass diese Verbesserung dadurch zustande kam, dass die Säuregruppe eine starke elektrische Anziehung mit einem bestimmten Teil des Enzyms einging und den Inhibitor so effektiv an seinem Platz verankerte.

Um sicherzustellen, dass diese Erkenntnisse zu echten Medikamenten führen können, untersuchte das Team, ob sie die Carbonsäure durch andere chemische Gruppen ersetzen könnten, die ähnlich funktionieren könnten, aber bessere Eigenschaften aufweisen würden. Sie testeten verschiedene Alternativen, darunter Gruppen, die Form und Ladung der Säure imitieren. Eine bestimmte Ersetzung, eine N-Acylsulfonamid-Gruppe, erwies sich als fast so effektiv wie die ursprüngliche Säure und behielt eine hohe Potenz gegen das Enzym bei. Andere Versuche jedoch, die Säure durch andere Strukturen auszutauschen – wie etwa den Ring selbst durch einen Furan zu ersetzen oder die Säuregruppe an eine andere Stelle des Rings zu verschieben – führten zu Molekülen, die das Enzym überhaupt nicht stoppten. Dies zeigte den Forschern, dass die spezifische Geometrie und die chemische Natur der Säuregruppe für diese Art von Inhibitor nicht verhandelbar sind.

Obwohl die neuen Inhibitoren hervorragend darin waren, das Enzym in einem Reagenzglas zu stoppen, wurde die Geschichte komplexer, als die Forscher sie an lebenden Malaria-Parasiten testeten, die in menschlichen roten Blutkörperchen wuchsen. In diesen zellulären Assays zeigten die besten Inhibitoren zwar eine Aktivität, waren aber wesentlich schwächer als im Reagenzglas und benötigten Konzentrationen im niedrigen Mikromolarbereich, um das Wachstum des Parasiten zu verlangsamen. Die Forscher vermuten, dass dieser Leistungsabfall darauf zurückzuführen ist, dass die Moleküle Schwierigkeiten haben, die multiplen Membranen der Wirtszelle und des Parasiten selbst zu durchqueren, um ihr Ziel zu erreichen. Das Enzym ist in einem speziellen Kompartiment innerhalb des Parasiten gespeichert, dem Exosom, und die neuen, kleineren Moleküle dringen möglicherweise nicht effizient genug durch diese Barrieren, um das Enzym zu erreichen, bevor der Parasit entkommt.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Strategie, den Inhibitor durch das Entfernen der Peptidkette zu vereinfachen, zwar erfolgreich war, um einen hochpotenten Enzymblocker zu schaffen, der Weg zu einem nutzbaren Medikament jedoch noch nicht abgeschlossen ist. Das Team hat validiert, dass ein Benzol-Boronsäure-Kern das Malaria-Enzym effektiv blockieren kann, und sie haben die präzisen chemischen Merkmale identifiziert, die für eine feste Bindung notwendig sind. Die Lücke zwischen dem Stoppen des Enzyms in einer Petrischale und dem Stoppen des Parasiten in einer Zelle deutet darauf hin, dass weitere Modifikationen erforderlich sind, um dem Medikament zu helfen, biologische Barrieren zu durchdringen. Diese Arbeit bietet einen klaren Fahrplan für die nächste Generation von Malaria-Behandlungen, indem sie aufzeigt, welche chemischen Änderungen die Potenz verbessern und welche verfeinert werden müssen, um die Herausforderungen beim Eindringen eines Medikaments in eine lebende Zelle zu überwinden.