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

A malária é um parasita implacável que se esconde dentro dos glóbulos vermelhos humanos, multiplicando-se até explodir para infectar novas células. Esta fuga, ou egressão, é um momento crítico no ciclo de vida do parasita e depende de uma ferramenta molecular específica: uma enzima chamada SUB1. Pense na SUB1 como uma tesoura especializada que o parasita deve usar para cortar as membranas que o mantêm cativo. Se estas tesouras estiverem travadas ou quebradas, o parasita não consegue escapar, não consegue se espalhar e acaba morrendo. Como esta enzima é essencial para a sobrevivência do parasita, mas é diferente das enzimas humanas, ela oferece um alvo promissor para novos medicamentos. O desafio para os cientistas tem sido projetar um fármaco que trave estas tesourras de forma eficaz sem prejudicar o hospedeiro humano ou ser demasiado complexo para ser absorvido pelo corpo.

Durante algum tempo, os investigadores souberam que certas estruturas químicas chamadas ácidos borónicos peptídicos podem atuar como inibidores poderosos, ou bloqueadores, para esta enzima. Estas moléculas funcionam ao mimetizar as proteínas naturais que a enzima costuma cortar, permitindo que se liguem firmemente ao sítio ativo e bloqueiem a sua função. No entanto, estes primeiros inibidores foram construídos como longas cadeias de aminoácidos, tornando-os altamente "peptídicos". Embora fossem eficazes num tubo de ensaio, esta natureza peptídica tornava-os difíceis de utilizar como fármacos; tinham dificuldade em atravessar as membranas celulares e eram frequentemente instáveis no organismo. O objetivo da nova investigação era simplificar estas moléculas, removendo as partes complexas em forma de cadeia, mantendo o mecanismo central que interrompe a enzima.

Uma equipa de cientistas, trabalhando em diversas instituições na Letónia, no Reino Unido e nos Estados-Unidos, propôs-se redesenhar estes inibidores. Começaram por analisar a estrutura tridimensional da enzima e a forma como os melhores inibidores existentes se encaixavam nela. Através de modelagem computacional, perceberam que uma secção específica do inibidor, composta por duas unidades de aminoácidos, não estava a fazer contactos críticos com o sítio ativo da enzima. Esta observação sugeriu que esta parte poderia ser removida e substituída por uma estrutura muito mais simples, em forma de anel, sem perder a capacidade de ligação. Substituíram o segmento de dois aminoácidos por um núcleo composto por um anel de benzeno ligado a um grupo de ácido borónico, criando uma versão "despeptidizada" que era menor e potencialmente mais semelhante a um fármaco.

Os investigadores sintetizaram então uma série destas novas moléculas simplificadas e testaram-nas contra a enzima da malária em laboratório. A sua primeira grande descoberta foi que a posição de um grupo químico específico no anel de benzeno importava imensamente. Quando ligaram um grupo de ácido carboxílico ao meio do anel, a molécula tornou-se um inibidor extraordinariamente potente. Esta versão específica, que nomearam como composto 3a, interrompeu o funcionamento da enzima em concentrações extremamente baixas, necessitando de apenas cerca de dez nanogramas por mililitro para ser eficaz. Este foi um progresso significativo em relação à versão mais simples sem o grupo ácido. A equipa determinou através de simulações computacionais que esta melhoria ocorreu porque o grupo ácido formou uma forte atração elétrica com uma parte específica da enzima, travando efetivamente o inibidor no lugar.

Para garantir que estas descobertas pudessem levar a medicamentos reais, a equipa explorou se poderiam substituir o ácido carboxílico por outros grupos químicos que pudessem comportar-se de forma semelhante, mas com melhores propriedades. Testaram várias alternativas, incluindo grupos que mimetizam a forma e a carga do ácido. Um substituto em particular, um grupo N-acilsulfonamida, provou ser quase tão eficaz quanto o ácido original, mantendo uma alta potência contra a enzima. No entanto, outras tentativas de trocar o ácido por estruturas diferentes, como alterar o próprio anel para um furano ou mover o grupo ácido para uma posição diferente no anel, resultaram em moléculas que falharam totalmente em deter a enzima. Isto indicou aos investigadores que a geometria específica e a natureza química do grupo ácido eram inegociáveis para este tipo de inibidor.

Embora os novos inibidores fossem excelentes a deter a enzima num tubo de ensaio, a história tornou-se mais complexa quando os investigadores testaram os mesmos em parasitas vivos a crescer em glóbulos vermelhos humanos. Nestes ensaios celulares, os melhores inibidores mostraram atividade, mas eram muito mais fracos do que no tubo de ensaio, exigindo concentrações na ordem de poucos micromolares para retardar o crescimento do parasita. Os investigadores suspeitam que esta queda de desempenho se deva à dificuldade que estas moléculas enfrentam para atravessar as múltiplas membranas da célula hospedeira e do próprio parasita para atingir o seu alvo. A enzima está armazenada num compartimento específico dentro do parasita chamado exossoma, e as novas moléculas menores podem não estar a penetrar estas barreiras de forma suficientemente eficiente para alcançar a enzima antes que o parasita escape.

O estudo conclui que, embora a estratégia de simplificar o inibidor removendo a cadeia peptídica tenha sido bem-sucedida na criação de um bloqueador de enzima altamente potente, a jornada para um fármaco utilizável ainda não terminou. A equipa validou que um núcleo de benzeno-ácido borónico pode visar eficazmente a enzima da malária e identificou as características químicas precisas necessárias para que se ligue fortemente. O hiato entre deter a enzima num prato de cultura e deter o parasita numa célula sugere que são necessárias modificações adicionais para ajudar o fármaco a penetrar as barreiras biológicas. Este trabalho fornece um roteiro claro para a próxima geração de tratamentos contra a malária, mostrando exatamente quais as alterações químicas que melhoram a potência e quais precisam de ser refinadas para superar os desafios de introduzir um fármaco dentro de uma célula viva.