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

La malaria è un parassita implacabile che si nasconde all'interno dei globuli rossi umani, moltiplicandosi finché non esplode per infettare nuove cellule. Questa fuga, o egresso, è un momento critico nel ciclo vitale del parassita e si basa su uno strumento molecolare specifico: un enzima chiamato SUB1. Pensate a SUB1 come a un paio di forbici specializzate che il parassita deve usare per tagliare le membrane che lo tengono prigioniero. Se queste forbici sono inceppate o rotte, il parassita non può sfuggire, non può diffondersi e alla fine muore. Poiché questo enzima è essenziale per la sopravvivenza del parassita ma appare diverso dagli enzimi umani, offre un promettente bersaglio per nuovi medicinali. La sfida per gli scienziati è stata quella di progettare un farmaco che inceppi queste forbici in modo efficace senza danneggiare l'ospite umano o essere troppo complesso da assorbire per l'organismo.

Per un certo periodo, i ricercatori sapevano che alcune strutture chimiche chiamate acidi boronici peptidici potevano agire come potenti inibitori, o bloccanti, per questo enzima. Queste molecole funzionano imitando le proteine naturali che l'enzima di solito taglia, permettendo loro di legarsi strettamente al sito attivo e bloccarne la funzione. Tuttavia, questi primi inibitori erano costruiti come lunghe catene di amminoacidi, rendendoli altamente "peptidici". Sebbene efficaci in una provetta, la loro natura peptidica rendeva difficile l'uso come farmaci; faticavano a passare attraverso le membrane cellulari ed erano spesso instabili nell'organismo. L'obiettivo della nuova ricerca era quello di semplificare queste molecole, eliminando le parti complesse simili a catene pur mantenendo il meccanismo centrale che blocca l'enzima.

Un team di scienziati, lavorando tra istituzioni in Lettonia, Regno Unito e Stati Uniti, si è posto l'obiettivo di riprogettare questi inibitori. Hanno iniziato esaminando la struttura tridimensionale dell'enzima e il modo in cui i migliori inibitori esistenti si inseriscono in esso. Utilizzando la modellazione computerizzata, hanno compreso che una sezione specifica dell'inibitore, composta da due unità amminoacidiche, non stabiliva contatti critici con il sito attivo dell'enzima. Questa osservazione suggeriva che quella parte potesse essere rimossa e sostituita con una struttura molto più semplice, a forma di anello, senza perdere la capacità di legame. Hanno sostituito il segmento dei due amminoacidi con un nucleo composto da un anello benzenico attaccato a un gruppo acido boronico, creando una versione "depeptidizzata" più piccola e potenzialmente più simile a un farmaco.

I ricercatori hanno poi sintetizzato una serie di queste nuove molecole semplificate e le hanno testate contro l'enzima della malaria in laboratorio. La loro prima grande scoperta è stata che la posizione di un gruppo chimico specifico sull'anello benzenico contava enormemente. Quando hanno attaccato un gruppo acido carbossilico al centro dell'anello, la molecola è diventata un inibitore straordinariamente potente. Questa versione specifica, che hanno chiamato composto 3a, ha bloccato il funzionamento dell'enzima a concentrazioni estremamente basse, richiedendo solo circa dieci nanogrammi per millilitro per essere efficace. Questo è stato un miglioramento significativo rispetto alla versione più semplice priva del gruppo acido. Il team ha determinato attraverso simulazioni al computer che questo miglioramento derivava dal fatto che il gruppo acido formava una forte attrazione elettrica con una parte specifica dell'enzima, bloccando efficacemente l'inibitore al suo posto.

Per garantire che queste scoperte potessero portare a veri medicinali, il team ha esplorato se potessero sostituire l'acido carbossilico con altri gruppi chimici che potessero comportarsi in modo simile ma con proprietà migliori. Hanno testato varie alternative, inclusi gruppi che mimano la forma e la carica dell'acido. Un particolare sostituto, un gruppo N-acilsulfonammidico, si è dimostrato quasi efficace quanto l'acido originale, mantenendo un'alta potenza contro l'enzima. Tuttavia, altri tentativi di scambiare l'acido con strutture diverse, come cambiare l'anello stesso in un furano o spostare il gruppo acido in una posizione diversa sull'anello, hanno prodotto molecole che non sono riuscite a bloccare affatto l'enzima. Ciò ha comunicato ai ricercatori che la geometria specifica e la natura chimica del gruppo acido erano non negoziabili per questo tipo di inibitore.

Sebbene i nuovi inibitori fossero eccellenti nel bloccare l'enzima in una provetta, la storia è diventata più complessa quando i ricercatori li hanno testati su parassiti della malaria viventi che crescevano all'interno di globuli rossi umani. In questi saggi cellulari, i migliori inibitori mostravano attività, ma erano molto più deboli rispetto alla provetta, richiedendo concentrazioni nell'ordine dei bassi micromolari per rallentare la crescita del parassita. I ricercatori sospettano che questo calo di prestazioni sia dovuto alla difficoltà che queste molecole incontrano nel attraversare le molteplici membrane della cellula ospite e del parassita stesso per raggiungere il loro bersaglio. L'enzima è conservato in un compartimento specifico all'interno del parassita chiamato esonema, e le nuove molecole più piccole potrebbero non penetrare questi ostacoli in modo abbastanza efficiente da raggiungere l'enzima prima che il parassita fugga.

Lo studio conclude che, sebbene la strategia di semplificare l'inibitore rimuovendo la catena peptidica sia stata efficace nel creare un potente bloccante dell'enzima, il viaggio verso un farmaco utilizzabile non è ancora terminato. Il team ha convalidato il fatto che un nucleo benzene-acido boronico può colpire efficacementamente l'enzima della malaria e ha identificato le caratteristiche chimiche precise necessarie per far sì che si leghi saldamente. Il divario tra il bloccare l'enzima in una capsula e il bloccare il parassita in una cellula suggerisce che siano necessarie ulteriori modifiche per aiutare il farmaco a penetrare le barriere biologiche. Questo lavoro fornisce una chiara tabella di marcia per la prossima generazione di trattamenti contro la malaria, mostrando esattamente quali cambiamenti chimici migliorano la potenza e quali devono invece essere perfezionati per superare le sfide legate all'inserimento di un farmaco all'interno di una cella vivente.