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

Malaria is een meedogenloze parasiet die zich verstopt in de rode bloedcellen van de mens en zich vermenigvuldigt totdat ze vrij uitbarst om nieuwe cellen te infecteren. Deze ontsnapping, of egress, is een cruciaal moment in de levenscyclus van de parasiet en rust op een specifiek moleculair hulpmiddel: een enzym genaamd SUB1. Beschouw SUB1 als een gespecialiseerde schaar die de parasiet moet gebruiken om door de membranen te snijden die hem gevangen houden. Als deze schaar geblokkeerd of kapot is, kan de parasiet niet ontsnappen, kan hij zich niet verspreiden en sterft hij uiteindelijk. Omdat dit enzym essentieel is voor het overleven van de parasiet maar anders is dan menselijke enzymen, biedt het een veelbelovend doelwit voor nieuwe medicijnen. De uitdaging voor wetenschappers is geweest om een medicijn te ontwerpen dat deze schaar effectief blokkeert zonder de menselijke gastheer te schaden of te complex te zijn voor de opname door het lichaam.

Gedurende een tijdje wisten onderzoekers dat bepaalde chemische structuren, genaamd peptide-boronzuurderivaten, krachtige remmers, of stoppers, voor dit enzym kunnen zijn. Deze moleculen werken door de natuurlijke eiwitten na te bootsen die het enzym normaal gesproken snijdt, waardoor ze stevig kunnen binden aan de actieve site en de functie blokkeren. Echter, deze vroege remmers waren gebouwd als lange ketens van aminozuren, waardoor ze zeer "peptidisch" waren. Hoewel ze effectief waren in een reageerbuis, maakte dit peptidische karakter ze moeilijk inzetbaar als medicijn; ze hadden moeite om door celmembranen te dringen en waren vaak onstabiel in het lichaam. Het doel van het nieuwe onderzoek was om deze moleculen te vereenvoudigen, waarbij de complexe ketenachtige delen werden verwijderd terwijl het kernmechanisme dat het enzym stopt behouden bleef.

Een team van wetenschappers, werkzaam bij instellingen in Letland, het Verenigd Koninkrijk en de Verenigde Staten, zette zich het doel voor het herontwerpen van deze remmers. Ze begonnen met het bestuderen van de driedimensionale structuur van het enzym en de manier waarop de beste bestaande remmers erin passen. Met behulp van computermodellering realiseerden ze zich dat een specifiek deel van de remmer, bestaande uit twee aminozuureenheden, geen kritieke contacten maakt met de actieve site van het enzym. Deze observatie suggereerde dat dit deel kon worden verwijderd en vervangen door een veel eenvoudigere, ringvormige structuur zonder het vermogen om te binden te verliezen. Ze vervingen het segment van twee aminozuren door een kern bestaande uit een benzeenring verbonden met een boronzuurgroep, waardoor een "depeptidische" versie ontstond die kleiner en potentieel meer "drug-like" was.

De onderzoekers synthetiseerden vervolgens een reeks van deze nieuwe, vereenvoudigde moleculen en testten deze tegen het malariaparasiet-enzym in het laboratorium. Hun eerste grote ontdekking was dat de positie van een specifieke chemische groep op de benzeenring enorm veel uitmaakte. Wanneer ze een carbonzuurgroep aan het midden van de ring bevestigden, werd het molecuul een opmerkelijk krachtige remmer. Deze specifieke versie, die ze verbinding 3a noemden, stopte de werking van het enzym bij extreem lage concentraties; er waren slechts ongeveer tien nanogram per milliliter nodig om effectief te zijn. Dit was een significante verbetering ten opzichte van de eenvoudigere versie zonder de zuurgroep. Het team bepaalde via computersimulaties dat deze verbetering kwam doordat de zuurgroep een sterke elektrische aantrekking vormt met een specif으로 deel van het enzym, waardoor de remmer effectief op zijn plaats wordt vergrendeld.

Om te waarborgen dat deze bevindingen kunnen leiden tot echte medicijnen, onderzocht het team of ze de carbonzuur konden vervangen door andere chemische groepen die vergelijkbaar zouden kunnen gedragen maar betere eigenschappen zouden hebben. Ze testten diverse alternatieven, waaronder groepen die de vorm en lading van het zuur nabootsen. Eén specifieke vervanging, een N-acylsulfonamiddet, bleek bijna even effectief als het oorspronkelijke zuur en behield een hoge potentie tegen het enzym. Echter, andere pogingen om het zuur te vervangen door andere structuren, zoals het vervangen van de ring zelf door een furaan of het verplaatsen van de zuurgroep naar een andere plek op de ring, resulteerden in moleculen die het enzym geheel niet meer stopten. Dit vertelde de onderzoekers dat de specifieke geometrie en chemische aard van de zuurgroep niet onderhandelbaar waren voor dit type remmer.

Hoewel de nieuwe remmers uitstekend waren in het stoppen van het enzym in een reageerbuis, werd het verhaal complexer toen de onderzoekers ze testten op levende malariaparasieten die groeiden in menselijke rode bloedcellen. In deze cellulaire assays vertoonden de beste remmers wel activiteit, maar ze waren veel zwakker dan in de reageerbuis, waarbij concentraties in het lage micromolaire bereik nodig waren om de groei van de parasiet te vertragen. De onderzoekers vermoeden dat deze afname in prestaties wordt veroorzaakt door de moeilijkheid die deze moleculen ondervinden bij het passeren van de meerdere membranen van de gastcel en de parasiet zelf om hun doel te bereiken. Het enzym is opgeslagen in een specifiek compartiment binnen de parasiet genaamd het exonem, en de nieuwe, kleinere moleculen penetreren deze barrières mogelijk niet efficiënt genoeg om het enzym te bereiken voordat de parasiet ontsnapt.

De studie concludeert dat hoewel de strategie om de remmer te vereenvoudigen door de peptideketen te verwijderen succesvol was in het creëren van een zeer krachtige enzymblokker, de weg naar een bruikbaar medicijn nog niet voltooid is. Het team heeft gevalideerd dat een benzeen-boronzuurkern effectief het malariënzym kan targeten, en zij hebben de precieze chemische kenmerken geïdentificeerd die nodig zijn om er stevig aan te binden. De kloof tussen het stoppen van het enzym in een schaaltje en het stoppen van de parasiet in een cel suggereert dat verdere modificaties nodig zijn om het medicijn door biologische barrières te helpen dringen. Dit werk biedt een duidelijk stappenplan voor de volgende generatie malariabehandelingen, waarbij precies wordt getoond welke chemische veranderingen de potentie verbeteren en welke verfijnd moeten worden om de uitdagingen te overwinnen van het krijgen van een medicijn in een levende cel.