Discovery of orally bioavailable Zika virus NS2B-NS3 protease inhibitors with efficacy in a murine infection model

Onderzoekers ontdekten via een fragmentgebaseerde drugdesign-aanpak krachtige, oraal biologisch beschikbare, niet-covalente remmers van de Zika-virus NS2B-NS3-protease, waarbij aanzienlijke werkzaamheid werd aangetoond in het verminderen van virale ladingen in een muizeninfectiemodel.

De kern

Stel je het Zika-virus voor als een kleine, indringende inbreker die probeert in te breken in het huis van je lichaam. Om te slagen, heeft deze inbreker een specifieke set gereedschappen nodig om de deuren te openen en problemen te veroorzaken. Een van zijn belangrijkste gereedschappen is een paar moleculaire "scharen" genaamd de NS2B-NS3-protease. Deze scharen zijn essentieel voor het virus om zichzelf in werkende stukken te snijden en zich te vermenigvuldigen.

Op dit moment zijn er geen goedgekeurde vaccins of medicijnen om deze specifieke inbreker te stoppen, waardoor miljoenen mensen kwetsbaar zijn, met name zwangere vrouwen, bij wie het virus ernstige geboortedefecten kan veroorzaken.

In deze studie traden wetenschappers op als meester-slotenmakers en detectives. Ze begonnen met het bekijken van de "scharen" van het virus onder een krachtige microscoop (een kristallografische fragment-screentechniek) om precies te zien hoe de bladen gevormd waren. Met behulp van deze visuele blauwdruk ontwierpen ze een "sleutel" (een farmacofore) die perfect zou passen in het handvat van de scharen, waardoor deze vastzaten en niets meer konden snijden.

In plaats van een zware, complexe sleutel te bouwen waar het lichaam moeite mee zou hebben, gebruikten ze een slimme, stap-voor-stap aanpak om een eenvoudige, lichtgewicht sleutel te verfijnen. Ze testten duizenden variaties in een hoge-snelheids assemblagelijn (high-throughput library chemistry) totdat ze een perfecte match vonden.

Het resultaat was een nieuw type medicijn met drie speciale superkrachten:

1. Het is een "niet-plakkerige" blokkade: In tegenstelling tot sommige medicijnen die zich aan het virus vastplakken, zit deze gewoon in het handvat van de scharen en zorgt ervoor dat ze niet meer werken (niet-covalent).
2. Het is geen "kopieerwerk": Het lijkt niet op de natuurlijke eiwitten die het virus normaal gesproken gebruikt, waardoor het moeilijker wordt voor het virus om zich aan te passen (niet-peptidomimetisch).
3. Het is sterk en draagbaar: Het kan de reis door de maag overleven om in de bloedbaan te komen (oraal biologisch beschikbaar) en breekt niet te snel af (metabolisch stabiel).

Om te zien of deze sleutel in een real-world scenario echt werkte, testten de wetenschappers het op muizen die met het virus waren geïnfecteerd. Ze gaven de muizen drie dagen lang het medicijn. Het resultaat was als het vinden van een fort dat succesvol was verdedigd: de hoeveelheid virale "inbrekers" in het bloed en de milt van de muizen daalde aanzienlijk.

Kortom, de onderzoekers vonden een nieuwe, in te slikken pil die de essentiële snijgereedschappen van het Zika-virus succesvol vastzet, waardoor het zich niet meer kan vermenigvuldigen in levende dieren, en biedt een veelbelovende nieuwe richting voor een ziekte die momenteel geen genezing kent.

Technische samenvatting

Probleem
Flavivirussen vormen een aanzienlijke wereldwijde bedreiging voor de volksgezondheid vanwege hun pathogeniciteit en pandemisch potentieel, doorgaans overgedragen door geïnfecteerde geleedpotigen. Het Zika-virus vertoont een uniek dubbel transmissierisico, aangezien het zowel door geleedpotigen wordt overgedragen als seksueel overdraagbaar is, met ernstige gevolgen waaronder congenitale afwijkingen wanneer de infectie tijdens de zwangerschap optreedt. Ondanks de uitbraak in 2015–2016 waarbij meer dan 1,5 miljoen mensen besmet raakten, zijn er momenteel geen vaccins of antivirale geneesmiddelen in klinische fase beschikbaar om Zika-virusinfectie te behandelen of te voorkomen.

Methodologie
De studie hanteerde een op structuur gebaseerde strategie voor medicijnontwikkeling gericht op de NS2B-NS3-protease van het Zika-virus, een cruciaal enzym voor virale replicatie. Het proces begon met een kristallografische fragmentenscreening om initiële bindingsmotieven te identificeren. Deze fragmenten werden vervolgens verder ontwikkeld met behulp van een farmacoforebenadering gecombineerd met high-throughput bibliotheekchemie om interacties binnen het actieve centrum te optimaliseren. Het onderzoek was gericht op het identificeren van remmers die krachtig, metabolisch stabiel, niet-covalent en niet-peptidomimetisch waren om gunstige geneesmiddelachtige eigenschappen te waarborgen.

Belangrijkste bijdragen en resultaten
De auteurs rapporteren de ontdekking van een nieuwe klasse krachtige remmers gericht op de NS2B-NS3-protease van het Zika-virus. Deze verbindingen vertoonden ook activiteit tegen de NS2B-NS3-protease van het West-Nijlvirus, wat wijst op een potentieel voor brede remming van flavivirussen. De geïdentificeerde remmers vertoonden sterke antivirale activiteit in vitro en bezitten de gewenste metabolische stabiliteit en niet-peptidomimetische kenmerken.

De werkzaamheid in vivo werd geëvalueerd via een drie-daagse Zika-virusuitdagingstudie met AG129-muizen. De leidende verbinding vertoonde aanzienlijke werkzaamheid, wat resulteerde in een duidelijke reductie van virale RNA-belastingen in zowel muizenplasma als milt.

Betekenis
Dit werk adresseert het kritieke gebrek aan therapeutische opties voor het Zika-virus door een gevalideerd chemisch startpunt te bieden voor de ontwikkeling van antivirale middelen. De studie toont aan dat op structuur gebaseerde optimalisatie van fragmenthits krachtige, oraal biologisch beschikbare proteaseremmers kan opleveren met bewezen werkzaamheid in een muizinfectiemodel. Deze bevindingen leggen de basis voor de verdere ontwikkeling van antivirale middelen die het Zika-virus en mogelijk aanverwante flavivirussen kunnen behandelen.