Makromolekylær krystallografi kaster lys over en ny måde at målrette mod malariaparasitten

Søgningen efter nye behandlinger til at bekæmpe malaria er blevet hæmmet af manglen på validerede mål på parasitten, der forårsager sygdommen. I arbejde for nylig udgivet i PNAS , et hold fra Drug Discovery Unit ved University of Dundee præsenterer en ny forbindelse, der er en selektiv hæmmer af lysyl-tRNA-syntetase-enzymet i de parasitter, der forårsager malaria og cryptosporidiose. Deres arbejde validerer lysyl-tRNA-syntetase som et lægemiddelmål i disse organismer og giver et stærkt forspring for fremtidig lægemiddelopdagelse.

Bekæmpelse af malaria og cryptosporidiose

Malaria, forårsaget af en parasit, der spredes af myg, forårsaget mere end 400, 000 dødsfald på verdensplan i 2017. Vi har brug for nye lægemidler til at tackle malaria, både på grund af øget modstand mod eksisterende behandlinger, og et behov for enklere behandlingsregimer, der er nemmere at gennemføre. For at gøre fremskridt mod kontrol og eliminering af malaria, vi får også brug for ny medicin, der kan stoppe overførslen af ​​sygdommen, og forhindre patienter i at få tilbagefald.

Mave-tarmsygdommen cryptosporidiose er forårsaget af en beslægtet parasit og spredes gennem kontakt med menneskers eller dyrs afføring (ofte via forurenet vand). Hos raske personer, symptomerne aftager generelt i løbet af et par uger. Imidlertid, sygdommen kan være dødelig hos patienter med nedsat immunforsvar, og underernærede børn er særligt udsatte. Der findes ingen effektiv behandling for inficerede børn, og cryptosporidiose anslås at forårsage over 200, 000 dødsfald hvert år.

Forskere leder efter nye behandlinger, som virker på nye måder, for begge sygdomme. Der er to tilgange til at søge efter nye malariamedicin. Den første er fænotypisk screening, som identificerer forbindelser, der dræber malariaparasitten. I det sidste årti, Medicines for Malaria Venture (MMV) har identificeret flertallet af lovende kandidater på denne måde.

Den anden tilgang, målbaseret screening, leder efter forbindelser, der angriber parasitten på bestemte måder. Det er en mere fokuseret tilgang, brug af komplementære metoder til at informere lægemiddeldesign. Det har været en vellykket tilgang til mange andre sygdomme, men er blevet hæmmet af mangel på validerede mål for malariaparasitten.

MMV tildelte for nylig deres Project of the Year 2018 til et team af forskere ledet af prof Ian Gilbert, Prof Kevin Read og Dr. Beatriz Baragaña ved Drug Discovery Unit (DDU) ved University of Dundee. Ved hjælp af makromolekylær krystallografi (MX), og komplementære teknikker, holdet validerede et nyt biologisk mål for både malaria og cryptosporidiose og en spændende ny serie af stoffer, der viser aktivitet mod dette mål.

Styrken ved en kollaborativ tilgang

Dundee-gruppen byggede på arbejdet fra et hold ledet af mikrobiolog prof Elizabeth Winzeler ved University of California San Diego. Prof Winzeler identificerede en naturlig svampeforbindelse (cladosporin), der var aktiv mod malaria, og derefter identificeret sit mål.

Plasmodium falciparum er den parasitart, der er ansvarlig for den farligste form for malaria - falciparum malaria - og omkring 50 % af alle tilfælde af malaria. Parasitten har to forskellige versioner af lysyl-tRNA syntetase, et enzym, der er afgørende for proteinsyntesen. Uden dette enzym, parasitten kan ikke lave proteiner og dermed overleve. Cladosporin angriber en version af enzymet, PfKRS1.

Cladosporin er ikke en egnet lægemiddelkandidat i sig selv, men DDU-teamet var i stand til at udforske potentialet af PfKRS1 som et nyt terapeutisk mål, arbejder gennem Structure-guided Drug Discovery Coalition, finansieret af Bill &Melinda Gates Foundation. Arbejder i samarbejde med prof Wes van Voorhis ved University of Washington i Seattle, de screenede biblioteker af forbindelser for potentielle PfKRS1-hæmmere.

Fra denne screening, de fandt et kemisk udgangspunkt. De har modificeret dette til at lave en række lignende forbindelser, hvoraf den ene viste sig at være effektiv mod de parasitter, der forårsager malaria, metabolisk stabil, og egnet til yderligere undersøgelser. Makromolekylær krystallografi er afgørende for dette arbejde, afsløre formen af ​​molekyler og indsigt i deres funktion, og krystallograferne i teamet arbejdede på faciliteter i Seattle og New Delhi samt på Diamond. Dundee-teamet har BAG (Block Allocation Group) adgang til Diamond, en adgangsrute specielt designet til grupper af brugere, der kræver regelmæssig adgang, og hvem kan koordinere forskellige korte eksperimenter for at udfylde et stråletidsskift på 8 timer. Til dette særlige arbejde, de brugte Diamonds Microfocus MX beamline I24.

Deres resultater tilbyder en stærk validering af lysyl-tRNA-syntetase som et lægemiddelmål for malaria og cryptosporidiose. Holdet har identificeret en værdifuld værktøjssammensætning, og deres fokus er nu på at forbedre egenskaberne af den sammensatte serie. Det er tidlige dage, men målet ville være at levere en lægemiddelkandidat, der kan bestå alle de sikkerhedsmæssige milepæle, der kræves for at komme videre til klinisk udvikling.

Ifølge prof Gilbert, "Dette er et meget spændende mål, bestemt værd at udforske, men der er stadig meget arbejde at gøre. Det er vigtigt at være ekstremt streng i de tidlige stadier af lægemiddeludvikling. Der vil gå noget tid, før vi ved, om dette arbejde vil føre til en ny lægemiddelbehandling."

For Dr. Timothy Wells, MMV's Chief Scientific Officer, "Dette arbejde repræsenterer et skridt fremad fra business-as-usual lægemiddelopdagelse. At have en større forståelse af strukturen af ​​lægemiddelmålet har været som at skinne et skarpt lys på arbejdet med at optimere lægemiddelserien - det betyder, at vi kan være virkelig præcise som vi forbedrer selektiviteten og styrken af ​​forbindelserne."