Parasitaire infecties zijn algemeen bekend als moeilijk te behandelen en zijn als zodanig in vele delen van de wereld een bedreiging voor de volksgezondheid geworden. Een van deze infecties, de ziekte van Chagas, was oorspronkelijk beperkt tot delen van Latijns- en Zuid-Amerika; door wereldwijd reizen heeft de ziekte zich echter verspreid, waardoor zij nu endemisch is in ongeveer 20 landen en de grenzen van de VS begint te naderen. De Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) schat dat 10 tot 13 miljoen mensen chronisch besmet zijn, ongeveer 90 miljoen mensen aan het risico van de infectie zijn blootgesteld en elk jaar bijna 21.000 mensen aan de gevolgen overlijden, waardoor effectieve behandeling een noodzaak is geworden.

Nu hebben onderzoekers van de Advanced Computational Drug Discovery Unit van Tokyo Tech en de School of Tropical Medicine and Global Health van de Universiteit van Nagasaki zojuist een multimodale geïntegreerde aanpak vastgesteld om potentiële nieuwe anti-Chagas therapieën te ontwikkelen door de principes van 3D-structuurgebaseerd geneesmiddelenontwerp te combineren met in vitro testmethoden en röntgenkristallografie. Deze aanpak verkleint het aantal potentiële kandidaat-geneesmiddelen op een efficiëntere manier. De bevindingen van de nieuwe studie werden vandaag gepubliceerd in Scientific Reports in een artikel getiteld “In Silico, In Vitro, X-Ray Crystallography, and Integrated Strategies for Discovering Spermidine Synthase Inhibitors for Chagas Disease.”

De ziekte van Chagas wordt veroorzaakt door de parasiet Trypanosoma cruzi en wordt op mensen overgedragen via triatomine bloedzuigende insecten die algemeen worden aangeduid als “kissing bugs” of “vampier bugs.” De huidige behandelingen van de ziekte zijn grotendeels effectief in de eerste fase (acuut) van de infectie, maar zijn aanzienlijk minder effectief in de daaropvolgende fase (chronisch) van de ziekte van Chagas. Bovendien worden deze geneesmiddelen, die in de jaren zestig zijn ontwikkeld, in verband gebracht met ernstige bijwerkingen.

De Triatominae-insecten, ook bekend als kegelwantsen, zoenwantsen, sluipwantsen, of vampierwantsen, dragen de T. cruzi-parasiet.

In de huidige studie gebruikten de onderzoekers virtuele screening door TSUBAME bij Tokyo Tech, een van ’s werelds top, grootschalige supercomputers. Zij selecteerden hun doeleiwit, T. cruzi spermidine synthase (SpdSyn), op basis van specifieke structurele kenmerken en eigenschappen die wijzen op het belang ervan voor overleving in een andere Trypanosoma-soort. Als het eiwit vereist is voor het overleven van een soort, zou het remmen van dat eiwit een potentieel werkingsmechanisme kunnen zijn voor een geneesmiddel met activiteit tegen de parasiet die de ziekte van Chagas veroorzaakt.

“Om een nieuw anti-Chagas geneesmiddel te ontwikkelen, hebben we 4,8 miljoen kleine moleculen virtueel gescreend tegen spermidine synthase (SpdSyn) als het doeleiwit met behulp van onze supercomputer ‘TSUBAME2.5’ en voerden in vitro enzymatests uit om de half-maximale remmende concentratiewaarden te bepalen,” schreven de auteurs. “We identificeerden vier treffende verbindingen die T. cruzi SpdSyn (TcSpdSyn) remmen door in silico en in vitro screening. We bepaalden ook de structuur van het TcSpdSyn-hit compound complex met behulp van röntgenkristallografie, waaruit blijkt dat de hit compound bindt aan de putrescine-bindingsplaats en interageert met Asp171 via een zoutbrug.”

Het onderzoeksteam richtte zich op SpdSyn als het doeleiwit, zoals afkomstig van het in-house websysteem iNTRODB, dat de selectie vergemakkelijkt van drug-doelwit-eiwitten voor verwaarloosde tropische ziekten, met name voor trypanosomiasis. Dit systeem verschaft informatie over trypanosomale eiwitten met nuttige annotaties, waaronder de eiwitstructuur van de Protein Data Bank (PDB) en de eiwitremmers van ChEMBL.

Na selectie werden potentiële kandidaat-geneesmiddelremmers geïdentificeerd via een screening-zoekopdracht bekend als docking simulatie-een structuur-gebaseerde geneesmiddelontwerp-benadering die gebruik maakt van 3D-simulaties om computationeel geneesmiddelverbindingen te matchen met SpdSyn. Het team identificeerde met succes vier geneesmiddelachtige verbindingen die virtueel “overeenkwamen”, evalueerde vervolgens hun remmingsactiviteit in vitro en vergeleek de resultaten met die van een positieve controle. Om de potentiële activiteit en binding verder te testen, gebruikten de onderzoekers röntgenkristallografie om deze vier verbindingen in complex met de eiwitstructuur te bevestigen. Door middel van interactie-analyses voor elke verbinding ontdekten de onderzoekers dat alle vier verbindingen een interactie aangingen met de voorgestelde doelbindingsplaatsen via hetzelfde aminozuur, Asp171. Bovendien suggereerde moleculaire simulatie aanvullende interactieplaatsen voor elke verbinding die niet waren voorspeld door docking simulatie.

Het onderzoeksteam gelooft dat de resultaten van de studie indicatief zijn voor de belofte die docking simulatie inhoudt voor de identificatie van potentiële drug-achtige remmers van het doeleiwit en therapieën voor de ziekte van Chagas. Ze hopen de algemene toepasbaarheid van hun aanpak aan te tonen en zo deuren te openen naar de ontdekking van behandelingen voor andere ziekten.