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

Le paludisme est un parasite implacable qui se cache à l'intérieur des globules rouges humains, se multipliant jusqu'à ce qu'il les fasse éclater pour infecter de nouvelles cellules. Cette évasion, ou égress, est un moment critique dans le cycle de vie du parasite, et elle repose sur un outil moléculaire spécifique : une enzyme appelée SUB1. Considérez la SUB1 comme une paire de ciseaux spécialisés que le parasite doit utiliser pour couper les membranes qui le retiennent captif. Si ces ciseaux sont bloqués ou cassés, le parasite ne peut pas s'échapper, ne peut pas se propager et finit par mourir. Comme cette enzyme est essentielle à la survie du parasite mais diffère des enzymes humaines, elle offre une cible prometteuse pour de nouveaux médicaments. Le défi pour les scientifiques a été de concevoir un médicament capable de bloquer efficacement ces ciseaux sans nuire à l'hôte humain ou être trop complexe pour être absorbé par le corps.

Pendant un certain temps, les chercheurs ont su que certaines structures chimiques appelées acides boroniques peptidiques pouvaient agir comme de puissants inhibiteurs, ou bloqueurs, de cette enzyme. Ces molécules fonctionnent en imitant les protéines naturelles que l'enzyme coupe habituellement, ce qui leur permet de se lier étroitement au site actif et de bloquer sa fonction. Cependant, ces premiers inhibiteurs étaient construits comme de longues chaînes d'acides aminés, ce qui les rendait très « peptidiques ». Bien qu'efficaces dans un tube à essai, cette nature peptidique rendait leur utilisation sous forme de médicaments difficile ; elles peinaient à traverser les membranes cellulaires et étaient souvent instables dans l'organisme. L'objectif de la nouvelle recherche était de simplifier ces molécules, en éliminant les parties complexes en forme de chaîne tout en conservant le mécanisme central qui arrête l'enzyme.

Une équipe de scientifiques, travaillant à travers des institutions en Lettonie, au Royaume-Uni et aux États-Unis, s'est donné pour mission de redessiner ces inhibiteurs. Ils ont commencé par examiner la structure tridimensionnelle de l'enzyme et la manière dont les meilleurs inhibiteurs existants s'y insèrent. En utilisant la modélisation informatique, ils ont réalisé qu'une section spécifique de l'inhibiteur, composée de deux unités d'acides aminés, n'établissait pas de contacts critiques avec le site actif de l'enzyme. Cette observation suggérait que cette partie pouvait être supprimée et remplacée par une structure beaucoup plus simple, en forme d'anneau, sans perdre la capacité de liaison. Ils ont remplacé le segment de deux acides aminés par un noyau composé d'un cycle benzénique attaché à un groupe acide boronique, créant ainsi une version « dépeptidée » plus petite et potentiellement plus proche d'un profil de médicament.

Les chercheurs ont ensuite synthétisé une série de ces nouvelles molécules simplifiées et les ont testées contre l'enzyme du paludisme en laboratoire. Leur première découverte majeure fut que la position d'un groupe chimique spécifique sur le cycle benzénique importait énormement. Lorsqu'ils ont attaché un groupe acide carboxylique au milieu du cycle, la molécule est devenue un inhibiteur remarquablement puissant. Cette version spécifique, qu'ils ont nommée composé 3a, a stoppé le fonctionnement de l'enzyme à des concentrations extrêmement faibles, ne nécessitant qu'environ dix nanogrammes par millilitre pour être efficace. Il s'agit d'une amélioration significative par rapport à la version plus simple dépourvue du groupe acide. L'équipe a déterminé, grâce à des simulations informatiques, que cette amélioration provenait de l'attraction électrique forte formée par le groupe acide avec une partie spécifique de l'enzyme, verrouillant ainsi l'inhibiteur en place.

Pour s'assurer que ces découvertes puissent mener à de véritables médicaments, l'équipe a exploré la possibilité de remplacer l'acide carboxylique par d'autres groupes chimiques qui pourraient se comporter de manière similaire mais présenter de meilleures propriétés. Ils ont testé diverses alternatives, incluant des groupes imitant la forme et la charge de l'acide. Un remplacement particulier, un groupe N-acylsulfonamide, s'est avéré presque aussi efficace que l'acide original, maintenant une haute puissance contre l'enzyme. Cependant, d'autres tentatives visant à échanger l'acide contre des structures différentes, comme changer le cycle lui-même pour un furane ou déplacer le groupe acide sur une autre position du cycle, ont produit des molécules qui n'ont pas réussi à arrêter l'enzyme du tout. Cela a indiqué aux chercheurs que la géométrie spécifique et la nature chimique du groupe acide étaient non négociables pour ce type d'inhibiteur.

Bien que les nouveaux inhibiteurs aient été excellents pour arrêter l'enzyme dans un tube à essai, l'histoire est devenue plus complexe lorsque les chercheurs les ont testés sur des parasites vivants poussant dans des globules rouges humains. Dans ces essais cellulaires, les meilleurs inhibiteurs ont montré une activité, mais ils étaient beaucoup plus faibles que dans le tube à essai, nécessitant des concentrations de l'ordre du micromolaire bas pour ralentir la croissance du parasite. Les chercheurs soupçonnent que cette baisse de performance est due à la difficulté que rencontrent ces molécules pour traverser les multiples membranes de la cellule hôte et du parasite lui-même afin d'atteindre leur cible. L'enzyme est stockée dans un compartiment spécifique à l'intérieur du parasite appelé exonème, et les nouvelles molécules plus petites pourraient ne pas pénétrer ces barrières assez efficacement pour atteindre l'enzyme avant que le parasite ne s'échappe.

L'étude conclut que si la stratégie consistant à simplifier l'inhibiteur en supprimant la chaîne peptidique a réussi à créer un bloqueur d'enzyme hautement puissant, le voyage vers un médicament utilisable n'est pas encore terminé. L'équipe a validé qu'un noyau benzène-acide boronique peut cibler efficacement l'enzyme du paludisme, et qu'elle a identifié les caractéristiques chimiques précises nécessaires pour qu'il se lie étroitement. Cependant, l'écart entre l'arrêt de l'enzyme dans une boîte de Pétri et l'arrêt du parasite dans une cellule suggère que des modifications supplémentaires sont nécessaires pour aider le médicament à pénétrer les barrières biologiques. Ce travail fournit une feuille de route claire pour la prochaine génération de traitements contre le paludisme, montrant précisément quels changements chimiques améliorent la puissance et lesquels doivent être affinés pour surmonter les défis liés à l'introduction d'un médicament à l'intérieur d'une cellule vivante.