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

La leishmaniosi è una malattia causata da parassiti microscopici che vivono all'interno delle cellule dei mammiferi, inclusi gli esseri umani. Questi parassiti sono trasportati dalle sabbie mobili (sand flies) e, quando le mosche pungono, iniettano i parassiti nel flusso sanguigno. Una volta all'interno di una persona, i parassiti si nascondono all'interno di cellule immunitarie chiamate macrofagi, che normalmente combattono le infezioni. Investe di essere distrutti, i parassiti trasformano queste cellule in rifugi sicuri dove moltiplicarsi. Questa malattia causa una vasta gamma di sofferenze, da dolorose piaghe cutanee che possono lasciare cicatrici permanenti a una forma grave che attacca gli organi interni e può essere fatale se non trattata. Attualmente, i medici hanno pochissimi medicinali per curarla, e quelli che possiedono spesso causano gravi effetti collaterali, impiegano molto tempo per agire o stanno diventando meno efficaci man mano che i parassiti imparano a resistere loro. Poiché i parassiti si nascondono così bene all'interno delle cellule umane, trovare nuovi trattamenti è come cercare un ago in un pagliaio; un medicinale deve essere abbastanza forte da uccidere il parassita senza danneggiare la cellula umana in cui si nasconde.

Per trovare nuove soluzioni, un team di ricercatori dell'Università di Notre Dame e della Kean University si è rivolto a un metodo chiamato screening ad alto rendimento (high-throughput screening). Immaginate una biblioteca contenente migliaia di diversi composti chimici, ognuno con una forma e una struttura uniche. I ricercatori hanno testato una vasta collezione di questi prodotti chimici per vedere quali potessero fermare la crescita dei parassiti. Non cercavano solo un qualsiasi prodotto chimico che uccidesse il parassita; cercavano specificamente quelli in grado di uccidere il parassita lasciando le cellule umane indenni. Questo processo è fondamentale perché un medicinale che uccide il parassita ma uccide anche il paziente non è una cura. Il team si è concentrato su due gruppi specifici di sostanze chimiche che apparivano promettenti in test precedenti, insieme ad alcuni composti unici e singolari che si distinguevano dal resto.

I ricercatori hanno testato queste sostanze chimiche contro i parassiti in diverse fasi del loro ciclo vitale. Alcuni test hanno utilizzato la forma di nuoto libero del parassita, mentre altri hanno utilizzato la forma che si nasconde all'interno delle cellule umane, che è la fase che causa la malattia nelle persone. Hanno anche controllato quanto fossero tossiche le sostanze chimiche per le cellule umane coltivate in laboratorio. Da questo grande gruppo, hanno identificato due strutture chimiche principali che si sono distinte come i candidati più promettenti. Una struttura, chiamata 1,4-diaril-pirazolo-piridinone, e un'altra chiamata pirazolo-triazina, hanno entrambe mostrato la capacità di uccidere efficacementamente i parassiti. La versione migliore della prima struttura ha ucciso i parassiti che si nascondevano nelle cellule umane a una concentrazione molto bassa, mentre la versione migliore della seconda struttura ha fatto lo stesso, e entrambe erano sicure per le cellule umane a quei livelli.

Tuttavia, trovare una sostanza chimica che funzioni in una capsula o in una piastra è solo il primo passo. I ricercatori dovevano sapere se queste sostanze si sarebbero comportate bene all'interno di un organismo vivente. Hanno eseguito una serie di test per vedere come il corpo avrebbe elaborato questi farmaci, come ad esempio quanto velocemente il fegato li avrebbe decomposto o quanto bene si sarebbero sciolti in acqua. I due principali composti chimici si sono comportati in modo molto diverso. Uno si scioglieva facilmente in acqua ma veniva scomposto rapidamente dalle cellule del fegato, suggerendo che potrebbe aver bisogno di essere modificato per rimanere più a lungo nell'organismo. L'altro era molto stabile e probabilmente sarebbe rimasto nell'organismo per molto tempo, ma non si scioglieva altrettanto bene in acqua, il che potrebbe renderne difficile la somministrazione. Queste differenze hanno dimostrato che, sebbene entrambi fossero ottimi punti di partenza, avrebbero richiesto tipi diversi di miglioramenti per diventare veri medicinali.

Per vedere se queste sostanze chimiche potessero essere rese ancora migliori, i ricercatori hanno creato decine di nuove versioni, o analoghi, delle due strutture principali. Hanno apportato piccole modifiche alla forma delle molecole, come sostituire un singolo pezzo della struttura, per vedere come questo influenzasse la loro capacità di uccidere il paranoita. Per la prima struttura, diverse delle nuove versioni funzionavano ancora meglio dell'originale, uccidendo i parassiti all'interno delle cellule umane in modo più efficace pur rimanendo sicure per le cellule. Per la seconda struttura, alcune nuove versioni sono diventate incredibilmente potenti, uccidendo i parassiti a livelli molto bassi, sebbene alcune di queste versioni forti siano diventate leggermente più tossiche per le cellule umane. Questo processo ha dimostrato che entrambe le strutture chimiche potevano essere perfezionate per migliorarne le prestazioni.

Il team voleva anche sapere se queste sostanze chimiche avrebbero funzionato contro diversi tipi di parassiti che causano la malattia in varie parti del mondo. Hanno testato le sostanze chimiche principali contro tre specie diverse di parassiti. I risultati hanno mostrato che, sebbene le sostanze chimiche funzionassero contro tutti e tre, non erano ugualmente forti contro ciascuno di essi. Alcune funzionavano molto bene contro una specie, ma erano più deboli contro un'altra. Questo risultato è importante perché suggerisce che un farmaco sviluppato per un tipo di parassita potrebbe non funzionare perfettamente per un altro, e i ricercatori devono testare i loro candidati contro i tipi specifici di parassiti presenti in diverse regioni. Hanno anche testato le sostanze chimiche contro un diverso parassita che causa una malattia correlata, ma hanno scoperto che le sostanze chimiche erano molto meno efficaci contro di esso, indicando che questi nuovi farmaci sono probabilmente specifici per i parassiti che causano la leishmaniosi.

Lo studio è concluso che queste due strutture chimiche sono eccellenti punti di partenza per lo sviluppo di nuovi medicinali. I ricercatori non hanno sostenuto di aver trovato una cura, quanto piuttosto una solida base su cui costruire. Hanno dimostrato che, testando attentamente come queste sostanze chimiche si comportano in diverse condizioni e apportando piccole, precise modifiche alla loro struttura, è possibile creare composti che siano sia potenti contro il parassita che sicuri per il paziente. Il lavoro evidenzia l'importanza di testare i farmaci contro la forma specifica del parassita che vive all'interno delle cellule umane e contro le diverse specie che causano la malattia in tutto il mondo. Seguendo questo percorso attento di test e perfezionamento, i ricercatori hanno fornito una direzione chiara per il lavoro futuro che potrebbe portare, alla fine, a trattamenti più sicuri ed efficaci per milioni di persone che soffrono di questa malattia trascurata.