Parasitinfektioner har varit notoriskt svåra att behandla och har därför blivit ett hot mot folkhälsan i många delar av världen. En sådan infektion, kallad Chagas sjukdom, var ursprungligen begränsad till delar av Latin- och Sydamerika, men resor över hela världen har spridit sjukdomen, som nu är endemisk i cirka 20 länder och börjar tränga in i USA:s gränser. Världshälsoorganisationen (WHO) uppskattar att 10-13 miljoner människor är kroniskt smittade, att cirka 90 miljoner människor utsätts för infektionsrisken och att nästan 21 000 människor dör varje år till följd av detta, vilket gör att effektiv behandling är en nödvändighet.

Nu har forskare från Advanced Computational Drug Discovery Unit vid Tokyo Tech och School of Tropical Medicine and Global Health vid Nagasaki University just etablerat ett multimodalt integrerat tillvägagångssätt för att utveckla potentiella nya behandlingar mot Chagas genom att kombinera principerna för 3D-strukturbaserad läkemedelsdesign med in vitro-testmetoder och röntgenkristallografi. Detta tillvägagångssätt begränsar utbudet av potentiella läkemedelskandidater på ett effektivare sätt. Resultaten från den nya studien publicerades idag i Scientific Reports i en artikel med titeln ”In Silico, In Vitro, X-Ray Crystallography, and Integrated Strategies for Discovering Spermidine Synthase Inhibitors for Chagas Disease.”

Chagas sjukdom orsakas av parasiten Trypanosoma cruzi och överförs till människor genom blodsugande triatomer, som vanligen kallas ”kyssande insekter” eller ”vampyrinsekter”. Nuvarande behandlingar av sjukdomen är i stort sett effektiva i den första fasen (akut) av infektionen men har betydligt minskad effekt i den efterföljande fasen (kronisk) av Chagas sjukdom. Dessutom är dessa läkemedel, som utvecklades på 1960-talet, förknippade med allvarliga biverkningar.

Insekterna Triatominae, även kallade konenosbaggar, kyssbaggar, mördarbaggar eller vampyrbaggar, bär på parasiten T. cruzi.

I den aktuella studien använde forskarna virtuell screening av TSUBAME vid Tokyo Tech, en av världens främsta, storskaliga superdatorer. De valde ut sitt målprotein, T. cruzi spermidinsyntas (SpdSyn), baserat på specifika strukturella egenskaper och egenskaper som indikerar dess betydelse för överlevnad hos en annan Trypanosoma-art. Om proteinet krävs för överlevnad hos en art skulle inhibering av det proteinet kunna vara en potentiell verkningsmekanism för ett läkemedel med verkan mot den parasit som orsakar Chagas sjukdom.

”För att utveckla ett nytt läkemedel mot Chagas sjukdom screenade vi virtuellt 4,8 miljoner små molekyler mot spermidinsyntas (SpdSyn) som målprotein med hjälp av vår superdator ’TSUBAME2.5’ och genomförde in vitro-enzymförsök för att bestämma de halvmaximala inhiberande koncentrationsvärdena”, skriver författarna. ”Vi identifierade fyra träffföreningar som hämmar T. cruzi SpdSyn (TcSpdSyn) genom in silico- och in vitro-screening. Vi bestämde också komplexstrukturen för TcSpdSyn-hitföreningskomplexet med hjälp av röntgenkristallografi, vilket visar att hitföreningen binder till putrescinbindningsstället och interagerar med Asp171 genom en saltbrygga.”

Forskarteamet fokuserade på SpdSyn som målprotein, vilket hämtades från det interna webbaserade systemet iNTRODB, som underlättar urvalet av målproteiner för läkemedel för försummade tropiska sjukdomar, i synnerhet för trypanosomiasis. Detta system tillhandahåller information om trypanosomala proteiner med användbara annotationer, inklusive proteinstrukturen från Protein Data Bank (PDB) och proteininhibitorer från ChEMBL.

Efter urvalet identifierades potentiella läkemedelskandidatinhibitorer genom en screeningsökning som kallas dockningssimulering – en strukturbaserad metod för läkemedelsdesign som använder 3D-simuleringar för att beräkningsmässigt matcha läkemedelsföreningar med SpdSyn. Teamet identifierade framgångsrikt fyra läkemedelsliknande föreningar som var virtuella ”matchningar” och utvärderade sedan deras hämmande aktivitet in vitro och jämförde resultaten med resultaten från en positiv kontroll. För att ytterligare testa potentiell aktivitet och bindning använde forskarna röntgenkristallografi för att bekräfta dessa fyra föreningar i komplex med proteinstrukturen. Genom interaktionsanalyser för varje förening fann forskarna att alla fyra föreningarna interagerade med de föreslagna målbindningsställena genom samma aminosyra, Asp171. Dessutom föreslog molekylär simulering ytterligare interaktionsplatser för varje förening som inte förutspåddes av dockningssimuleringen.

Forskarteamet anser att studiens resultat är vägledande för det löfte som dockningssimulering innebär för identifiering av potentiella läkemedelsliknande hämmare av målproteinet och terapier för Chagas sjukdom. De hoppas kunna visa på den allmänna tillämpligheten av deras tillvägagångssätt och på så sätt öppna dörrar till upptäckten av behandlingar för andra sjukdomar.

.