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

Leishmaniasis is een ziekte veroorzaakt door microscopische parasieten die leven in de cellen van zoogdieren, waaronder mensen. Deze parasieten worden overgebracht door zandvliegen, en wanneer de vliegen bijten, spuiten ze de parasieten in de bloedbaan. Eenmaal in een persoon, verbergen de parasieten zich in immuuncellen die macrofagen worden genoemd, die normaal gesproken infecties bestrijden. In plaats van vernietigd te worden, veranderen de parasieten deze cellen in veilige schuilplaatsen waar ze zich vermenigvuldigen. Deze ziekte veroorzaakt een breed scala aan lijden, van pijnlijke huidzweren die permanente littekens kunnen achterlaten tot een ernstige vorm die interne organen aanvalt en fataal kan zijn als het onbehandeld blijft. Momenteel hebben artsen zeer weinig medicijnen om het te behandelen, en de middelen die ze wel hebben, veroorzaken vaak ernstige bijwerkingen, doen er lang over om te werken, of worden minder effectief naarmate de parasieten leren ertegen resistent te worden. Omdat de parasieten zo goed binnen menselijke cellen schuilen, is het zoeken naar nieuwe behandelingen als het zoeken naar een speld in een hooiberg; een medicijn moet sterk genoeg zijn om de parasiet te doden zonder de menselijke cel waarin hij zich verbergt schade toe te brengen.

Om nieuwe oplossingen te vinden, heeft een team onderzoekers van de University of Notre Dame en Kean University gekozen voor een methode genaamd high-throughput screening. Stel je een bibliotheek voor met duizenden verschillende chemische verbindingen, elk met een unieke vorm en structuur. De onderzoekers testten een enorme collectie van deze chemicaliën om te zien welke de groei van de parasieten konden stoppen. Ze zochten niet alleen naar een willekeurige chemische stof die de parasiet doodde; ze zochten specifiek naar stoffen die de parasiet konden doden terwijl de menselijke cellen ongedeerd bleven. Dit proces is cruciaal omdat een medicijn dat de parasiet doodt maar ook de patiënt doodt, geen genezing is. Het team richtte zich op twee specifieke groepen chemicaliën die in eerdere tests veelbelovend leken, samen met een paar unieke, eenmalige verbindingen die uit de rest naar voren kwamen.

De onderzoekers testten deze chemicaliën tegen de parasieten in verschillende stadia van hun levenscyclus. Sommige tests gebruikten de vrij zwemmende vorm van de parasiet, terwijl andere de vorm gebruikten die zich binnen menselijke cellen verbergt, wat de fase is die ziekte veroorzaakt bij mensen. Ze controleerden ook hoe toxisch de chemicaliën waren voor menselijke cellen die in een laboratorium werden gekweekt. Uit deze grote groep identificeerden ze twee belangrijke chemische structuren die er het meest veelbelovend uitzagen. De ene structuur, een 1,4-diaryl-pyrazolo-pyridinon genoemd, en een andere, een pyrazolo-triazine, vertoonden beide het vermogen om de parasieten effectief te doden. De beste versie van de eerste structuur doodde de parasieten die zich in menselijke cellen verborgen bij een zeer lage concentratie, terwijl de beste versie van de tweede structuur hetzelfde deed, en beide waren veilig voor de menselijke cellen op die niveaus.

Het vinden van een chemische stof die werkt in een schaal is echter pas de eerste stap. De onderzoekers moesten weten of deze chemicaliën zich goed zouden gedragen in een levend lichaam. Ze voerden een reeks tests uit om te zien hoe het lichaam deze medicijnen zou verwerken, zoals hoe snel de lever ze zou afbreken of hoe goed ze oplossen in water. De twee leidende chemicaliën gedroegen zich zeer verschillend. De ene lost gemakkelijk op in water maar werd snel afgebroken door levercellen, wat suggereert dat deze mogelijk gemodificeerd moet worden om langer in het lichaam te blijven. De andere was zeer stabiel en zou waarschijnlijk een lange tijd in het lichaam blijven, maar loste niet zo goed op in water, wat de toediening moeilijker zou kunnen maken. Deze verschillen toonden aan dat hoewel beide goede startpunten waren, ze verschillende soorten verbeteringen nodig zouden hebben om echte medicijnen te worden.

Om te zien of deze chemicaliën nog beter gemaakt konden worden, creëerden de onderzoekers tientallen nieuwe versies, of analogen, van de twee leidende structuren. Ze brachten kleine veranderingen aan in de vorm van de moleculen, zoals het vervangen van een enkel stukje van de structuur, om te zien hoe dit hun vermogen om de parasiet te doden beïnvloedde. Voor de eerste structuur werkten verschillende van de nieuwe versies zelfs beter dan het origineel, waarbij ze de parasieten binnen menselijke cellen effectiever doodden terwijl ze veilig bleven voor de cellen. Voor de tweede structuur werden sommige nieuwe versies ongelooflijk krachtig en doodden ze de parasieten bij zeer lage niveaus, hoewel een paar van deze sterke versies ook iets toxischer werden voor menselijke cellen. Dit proces bewees dat beide chemische structuren nauwkeurig afgesteld kunnen worden om hun prestaties te verbeteren.

Het team wilde ook weten of deze chemicaliën zouden werken tegen verschillende soorten parasieten die de ziekte in verschillende delen van de wereld veroorzaken. Ze testten de leidende chemicaliën tegen drie verschillende soorten van de parasiet. De resultaten toonden aan dat, hoewel de chemicaliën tegen alle drie werkten, ze niet even sterk waren tegen elke soort. Sommige werkten heel goed tegen één soort, maar waren zwakker tegen een andere. Dit bevinding is belangrijk omdat het suggereert dat een medicijn ontwikkeld voor het ene type parasiet misschien niet perfect werkt voor een ander type, en onderzoekers moeten hun kandidaten testen tegen de specifieke soorten parasieten die in verschillende regio's worden gevonden. Ze testten de chemicaliën ook tegen een andere parasiet die een gerelateerde ziekte veroorzaakt, maar vonden dat de chemicaliën veel minder effectief waren tegen deze, wat aangeeft dat deze nieuwe medicijnen waarschijnlijk specifiek zijn voor de parasieten die leishmaniasis veroorzaken.

De studie concludeerde dat deze twee chemische structuren uitstekende startpunten zijn voor de ontwikkeling van nieuwe medicijnen. De onderzoekers beweerden niet een geneesmiddel te hebben gevonden, maar eerder een solide fundament om op voort te bouwen. Ze lieten zien dat door deze chemicaliën zorgvuldig te testen hoe ze zich in verschillende omstandigheden gedragen en door kleine, precieze veranderingen aan hun structuur aan te brengen, het mogelijk is om verbindingen te creëren die zowel krachtig zijn tegen de parasiet als veilig voor de patiënt. Hun werk benadrukt het belang van het testen van medicijnen tegen de specifieke vorm van de parasiet die in menselijke cellen leeft en tegen de verschillende soorten die wereldwijd de ziekte veroorzaken. Door dit zorgvuldige pad van testen en verfijnen te volgen, hebben de onderzoekers een duidelijke richting geboden voor toekomstig werk dat uiteindelijk kan leiden tot veiligere en effectievere behandelingen voor miljoenen mensen die lijden aan deze verwaarloosde ziekte.