High-Throughput Screening Identifies Novel Antileishmanial Scaffolds and Reveals Cross-Species Activity of Structurally Diverse Compounds

Leishmaniose ist eine Krankheit, die durch mikroskopisch kleine Parasiten verursacht wird, die in den Zellen von Säugetieren, einschließlich Menschen, leben. Diese Parasiten werden von Sandmücken übertragen, und wenn die Mücken stechen, injizieren sie die Parasiten in den Blutkreislauf. Einmal im Körper eines Menschen angekommen, verstecken sich die Parasiten in Immunzellen namens Makrophagen, die normalerweise Infektionen bekämpfen. Anstatt zerstört zu werden, verwandeln die Parasiten diese Zellen in sichere Rückzugsorte, in denen sie sich vermehren. Diese Krankheit verursacht ein breites Spektrum an Leiden, von schmerzhaften Hautgeschwüren, die dauerhafte Narben hinterlassen können, bis hin zu einer schweren Form, die innere Organe angreift und unbehandelt tödlich verlaufen kann. Derzeit verfügen Ärzte über nur sehr wenige Medikamente zur Behandlung, und diejenigen, die sie haben, verursachen oft schwere Nebenwirkungen, benötigen lange, um zu wirken, oder werden immer weniger wirksam, da die Parasiten lernen, gegen sie resistent zu werden. Da sich die Parasiten so gut in menschlichen Zellen verstecken, gleicht die Suche nach neuen Behandlungen der Suche nach der Nadel im Heuhaufen; ein Medikament muss stark genug sein, um den Parasiten zu töten, ohne die menschliche Zelle zu schädigen, in der er sich versteckt.

Um neue Lösungen zu finden, wandte sich ein Forscherteam der University of Notre Dame und der Kean University einer Methode namens Hochdurchsatz-Screening zu. Stellen Sie sich eine Bibliothek vor, die Tausende von verschiedenen chemischen Verbindungen enthält, von denen jede eine einzigartige Form und Struktur besitzt. Die Forscher testeten eine riesige Sammlung dieser Chemikalien, um zu sehen, welche die Vermehrung der Parasiten stoppen konnten. Sie suchten nicht einfach nach irgendeiner Chemikalie, die den Parasiten tötete; sie suchten gezielt nach solchen, die den Parasiten töten konnten, während sie menschliche Zellen unversehrt ließen. Dieser Prozess ist entscheidend, denn ein Medikament, das den Parasiten tötet, aber auch den Patienten tötet, ist keine Heilung. Das Team konzentrierte sich auf zwei spezifische Gruppen von Chemikalien, die in früheren Tests vielversprechend erschienen, zusammen mit einigen einzigartigen, einmaligen Verbindungen, die aus der Masse herausstachen.

Die Forscher testeten diese Chemikalien gegen die Parasiten in verschiedenen Stadien ihres Lebenszyklus. Einige Tests verwendeten die frei schwimmende Form des Parasiten, während andere die Form verwendeten, die sich in menschlichen Zellen versteckt, was das Stadium ist, das beim Menschen die Krankheit verursacht. Sie prüften auch, wie toxisch die Chemikalien für in einem Labor gezüchtete menschliche Zellen waren. Aus dieser großen Gruppe identifizierten sie zwei Hauptchemikalienstrukturen, die als die vielversprechendsten Kandidaten hervorstachen. Eine Struktur, genannt 1,4-Diaryl-pyrazolo-pyridinon, und eine andere, genannt Pyrazolo-triazin, zeigten beide die Fähigkeit, die Parasiten effektiv zu töten. Die beste Version der ersten Struktur tötete die Parasiten, die sich in menschlichen Zellen versteckten, bei einer sehr geringen Konzentration, und die beste Version der zweiten Struktur tat dasselbe, und beide waren bei diesen Konzentrationen sicher für die menschlichen Zellen.

Das Finden einer Chemikalie, die in einer Petrischale funktioniert, ist jedoch nur der erste Schritt. Die Forscher mussten wissen, ob sich diese Chemikalien in einem lebenden Körper gut verhalten würden. Sie führten eine Reihe von Tests durch, um zu sehen, wie der Körper diese Medikamente verarbeitet, wie zum Beispiel, wie schnell die Leber sie abbaut oder wie gut sie sich in Wasser lösen. Die beiden führenden Chemikalien verhielten sich sehr unterschiedlich. Eine löste sich leicht in Wasser, wurde aber schnell von Leberzellen abgebaut, was darauf hindeutete, dass sie modifiziert werden müsste, um länger im Körper zu bleiben. Die andere war sehr stabil und würde wahrscheinlich lange im Körper bleiben, löste sich jedoch nicht so gut in Wasser auf, was die Verabreichung erschweren könnte. Diese Unterschiede zeigten, dass beide zwar gute Ausgangspunkte waren, aber unterschiedliche Arten von Verbesserungen benötigen würden, um zu echten Medikamenten zu werden.

Um zu sehen, ob diese Chemikalien noch besser gemacht werden könnten, erstellten die Forscher Dutzende neuer Versionen, oder Analoga, der beiden führenden Strukturen. Sie nahmen kleine Änderungen an der Form der Moleküle vor, wie etwa das Austauschen eines einzelnen Teils der Struktur, um zu sehen, wie dies ihre Fähigkeit beeinflusste, den Parasiten zu töten. Für die erste Struktur funktionierten mehrere der neuen Versionen sogar noch besser als das Original, indem sie die Parasiten in menschlichen Zellen effektiver töteten und gleichzeitig sicher für die Zellen blieben. Für die zweite Struktur wurden einige neue Versionen unglaublich leistungsstark und töteten die Parasiten bei sehr niedrigen Konzentrationen, obwohl einige dieser starken Versionen auch etwas toxischer für menschliche Zellen wurden. Dieser Prozess bewies, dass beide chemischen Strukturen fein abgestimmt werden konnten, um ihre Leistung zu verbessern.

Das Team wollte auch wissen, ob diese Chemikalien gegen verschiedene Arten des Parasiten wirken könnten, die in unterschiedlichen Teilen der Welt die Krankheit verursachen. Sie testeten die führenden Chemikalien gegen drei verschiedene Arten des Parasiten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Chemikalien zwar gegen alle drei wirkten, aber nicht gleichermaßen stark gegen jede Art waren. Einige wirkten sehr gut gegen eine Art, waren aber gegen eine andere schwächer. Dieser Befund ist wichtig, da er darauf hindeutet, dass ein für eine Art von Parasit entwickeltes Medikament möglicherweise nicht perfekt gegen eine andere wirkt und Forscher ihre Kandidaten gegen die spezifischen Arten testen müssen, die in verschiedenen Regionen vorkommen. Sie testeten die Chemikalien auch gegen einen anderen Parasiten, der eine verwandte Krankheit verursacht, stellten jedoch fest, dass die Chemikalien gegen diesen wesentlich weniger wirksam waren, was darauf hindeutet, dass diese neuen Medikamente wahrscheinlich spezifisch für die Leishmanien sind, die die Leishmaniose verursachen.

Die Studie kam zu dem Schluss, dass diese zwei chemischen Strukturen hervorragende Ausgangspunkte für die Entwicklung neuer Medikamente sind. Die Forscher behaupteten nicht, ein Heilmittel gefunden zu haben, sondern vielmehr ein solides Fundament geschaffen zu haben, auf dem man aufbauen kann. Sie zeigten, dass es durch sorgfältiges Testen, wie sich diese Chemikalien unter verschiedenen Bedingungen verhalten, und durch das Vornehmen kleiner, präziser Änderungen an ihrer Struktur möglich ist, Verbindungen zu schaffen, die sowohl wirksam gegen den Parasiten als auch sicher für den Patienten sind. Die Arbeit unterstreicht die Bedeutung des Testens von Medikamenten gegen die spezifische Form des Parasiten, die in menschlichen Zellen lebt, und gegen die verschiedenen Arten, die weltweit die Krankheit verursachen. Durch diesen sorgfältigen Weg des Testens und Verfeinerns haben die Forscher eine klare Richtung für zukünftige Arbeiten aufgezeigt, die letztendlich zu sichereren und effektiveren Behandlungen für Millionen von Menschen führen könnten, die an dieser vernachlässigten Krankheit leiden.