Molekuła Miesiąca – zmiana taktyki

Prątki gruźlicy (M.tuberculosis) widziane pod mikroskopem elektronowym.

Na początku września opisywałem dwie prace dotyczące ko-ewolucji gruźlicy i człowieka oraz ewolucji lekooporności prątków gruźlicy. Zwłaszcza ta druga praca jest niezwykle ciekawa ze względu na obecną sytuację na świecie – na wykwit wszelkiego rodzaju lekoopornych szczepów, superlekoopornych szczepów i tak dalej. W tamtej pracy badaczy wykazali, że lekooporność jest procesem bardzo skomplikowanym; że odpowiada za nią cała szeroka gama genów – to zaś oznaczać może, że ten bakteryjny system obrony ma wbudowane wielopoziomowe zabezpieczenia; że plan awaryjny mikrobów jest znacznie bardziej zaawansowany, niż nam się mogło do tej pory wydawać.

Dlatego też każde doniesienie o nowym leku antybakteryjnym powinniśmy traktować z powagą, ale i z entuzjazmem. I taka właśnie wiadomość światło dzienne ujrzała w sierpniu, kiedy międzynarodowa grupa badaczy opublikowała w piśmie Nature Medicine  pracę opisującą odkrycie Q203, nowego związku o wielkim potencjale w leczeniu gruźlicy. Q203 – i w ogóle cała grupa podobnych związków – ma jedną zasadniczą cechę odróżniającą ją od istniejących na rynku antybiotyków: inny sposób działania.

Prątki gruźlicy widziane pod mikroskopem elektronowym.
Prątki gruźlicy widziane pod mikroskopem elektronowym.

Zacznijmy zatem od początku, czyli od tego, jak działa większość stosowanych dzisiaj antybiotyków. Leki tego typu można podzielić na pięć podstawowych grup zdefiniowanych według mechanizmu działania. Jedna z najmłodszych – a jednocześnie najbardziej popularnych na świecie – klas antybiotyków, antybiotyki β-laktamowe działają poprzez blokowanie syntezy ściany komórkowej bakterii. W podobny sposób – hamując inny etap syntezy ściany komórkowej – działa znacznie starszy lek, wankomycyna. Ta ostatnia, chociaż ze względu na niski poziom wchłaniania przez nabłonki układu pokarmowego nigdy nie stała się pierwszą linią obrony przez mikrobami atakującymi układ oddechowy, okazała się być idealnym lekiem na drobnoustroje panoszące się w jelitach, np. a niezwykle groźne infekcje Clostridium difficile.

Drugi mechanizm działania antybiotyków to hamowanie syntezy białek: czy to przez wiązanie się z odpowiedzialnymi za produkcję innych białek rybosomami (aminoglikozydy, np. streptomycyna; makrolidy), czy też przez blokowania wiązania się kwasu tRNA do rybosomu (tetracykliny). Trzeci – to modyfikowanie błon komórkowych: poprzez wiązanie się z jej elementami, np. lipopolisacharydem (LPS) – tak działają polimyksyny; czy też innego rodzaju oddziaływanie z błoną zaburzające jej funkcję (bacytracyna). Czwarta klasa antybiotyków to te hamujące syntezę kwasów nukleinowych, czyli mordujące infekcję dosłownie w zalążku. Tutaj znajdziemy nieco młodsze chinolony i nitroimidazole.

I wreszcie ostatni mechanizm – chociaż bynajmniej nie najnowszy – to po prostu blokowanie metabolizmu bakterii na jakimkolwiek innym etapie, niż te wymienione powyżej. I tak na przykład jedne z najstarszych znanych antybiotyków, sulfonamidy, działają hamując u bakterii syntezę kwasu foliowego (witaminy B9, którą bakterie muszą sobie same wyprodukować – oznacza to też, że sulfonamidy tak naprawdę nie zabijają bakterii, a jedynie hamują ich wzrost). Z kolei należący do tej grupy trimetoprym hamuje syntezę kwasu tetrafoliowego niezbędnego do produkcji jednej z zasad azotowych – a więc pośrednio blokuje syntezę DNA.

Wszystkie te mechanizmy polegają, jak widać, na blokowaniu produkcji czy to określonych związków, czy struktur komórkowych, niezbędnych do funkcjonowania mikroorganizmów. I przynajmniej pod tym względem Q203 jest do innych antybiotyków bardzo podobne.

Grupa Kevina Pethe z koreańskiego Instytutu Pasteura od lat zajmuje się poszukiwaniem nowych leków przeciwbakteryjnych. W 2008 roku grupa opublikowała wyniki badań, w których pokazała, że niedzieląca się odmiana prątków gruźlicy utrzymuje stały poziom ATP – cząsteczki odpowiedzialnej w organizmie za magazynowanie energii – znacząco niższy niż u dzielącej się (czyli rosnącej) odmiany bakterii. W związku z tym obniżeniem poziomu ATP, ta odmiana bakcyla jest wyjątkowo czuła na dalszą redukcję ilości tej cząsteczki. Jednocześnie podejrzewano, że to właśnie ta odmiana bakterii jest odpowiedzialna za jej wyjątkową oporność na niektóre leki.

W związku z powyższym grupa postanowiła szukać nowych terapeutyków atakujących elementy metabolicznego szlaku syntezy ATP. Pierwsze wyniki opublikowali na początku 2012 roku: wówczas po przesiewowym badaniu 600 tysięcy związków, udało im się znaleźć około 800, które obniżały poziom ATP w nieco innym gatunku mykobakterii. Z tych 800 dalsze 140, które nie wykazywało cytotoksyczności, zbadano pod kątem ich działania już na prątki gruźlicy. Jedną z trzech klas związków badanych dalej były imidazopirydyny (IPA), które w kolejnych badaniach okazały się być niezwykle efektywnymi inhibitorami wzrostu mykobakterii.

W badaniu opublikowanym w sierpniu grupa Pethe’a opisała przesiewowe badanie nieco mniejszej biblioteki zawierającej nieco ponad 100 tysięcy różnych cząsteczek. Związki te badano pod kątem ich zdolności do hamowania wzrostu mykobakterii bezpośrednio w mysich makrofagach (komórkach układu odpornościowego). To podejście jest o tyle nowe, że zazwyczaj takie badania wykonuje się in vitro. Zastosowanie mysich makrofagów powoduje, że warunku doświadczenia są jednak znacznie bardziej zbliżone do warunków fizjologicznych, zaś test sprawdza jednocześnie nie tylko zdolność do hamowania wzrostu M. tuberculosis, ale też jednocześnie ogólną cytotoksyczność (czyli to, czy związek jest szkodliwy także dla komórek gospodarza).

106 z badanych związków wybijało prątki gruźlicy nie czyniąc szkody makrofagom – z tych ponad stu cząsteczek jedna wyróżniała się swoją zdolnością do wybijania szczepów gruźlicy wyizolowanych z ludzkich tkanek. Trochę bez zaskoczenia cząsteczka ta należy do klasy imidazopirydyn. Badacze dokonali niewielkich zmian w strukturze cząsteczki, dzięki którym zwiększyli jej bakteriobójczy potencjał stukrotnie. Uzyskana molekuła to właśnie Q203.

Grupa Pethe’a przetestowała następnie Q203 na sześciu szczepach gruźlicy, aby określić, jaki dokładnie jest mechanizm działania tej cząsteczki. Wstępne podejrzenia już mieli z wcześniejszych badań: w końcu wiedzieli, że imidazopirydyny wpływają na gospodarkę ATP. Tym razem zsekwencjonowali genomy tych bakterii (co, nawiasem mówiąc, pięknie pokazuje, jak proste jest obecnie sekwencjonowanie niewielkich bakteryjnych genomów) i znaleźli mutację wspólną dla wszystkich sześciu szczepów. Okazało się, że mutacja ta wpływała na kompleks cytochromu bc1 – białka uwikłanego w przemiany ATP.

Grupa cząsteczek z klasy imidazopirydyn, które posiadają właściwości przeciwgruźlicze. /źródło: Abrahams et al. (2012) PLoS ONE 7(12): e52951 (CC BY-SA)
Grupa cząsteczek z klasy imidazopirydyn, które posiadają właściwości przeciwgruźlicze. /źródło: Abrahams et al. (2012) PLoS ONE 7(12): e52951 (CC BY-SA)

Q203 jest dobrym znakiem pokazującym, że potrafimy jeszcze wytwarzać nowe antybiotyki. W kwietniu tego roku Amerykańskie Towarzystwo Chorób Zakaźnych opublikowało nieco mrożący krew w żyłach raport wyrażający obawy związane z tym, że liczba nowych antybiotyków – w różnych fazach prób klinicznych – jest bardzo nikła i zbyt mała byśmy w nieodległej przyszłości mogli skutecznie walczyć z szybko nabywającymi oporność bakteriami, zwłaszcza bakteriami Gram ujemnymi, do których należą takie pyszności jak E.coli, Salmonella, Helicobacter, H.influenzae, K.pneumoniae – czyli jedne z najgorszych mikrobów powodujących infekcje dróg oddechowych, układu pokarmowego i moczowego (prątki gruźlicy są bakterią Gram dodatnią). Według raportu w późnym stadium prób klinicznych znajduje się tylko siedem nowych antybiotyków (sic!), które w dodatku niekoniecznie radzić sobie będą ze szczepami lekoopornymi.

Odkrycie Q203 przez grupę Pethe’go, ale także innych imidazopirydyn działających przeciwgruźliczo przez innych badaczy, jest zatem ważnym wydarzeniem: jest to zupełnie nowa (pod kątem mechanizmu działania)klasa antybiotyków, które w dodatku są niedrogie w syntezie i wyglądają na bezpieczne (chociaż oczywiście szczegółowe próby kliniczne jeszcze przed nami).

Literatura:

ResearchBlogging.org1. Katherine A. Abrahams, Jonathan A. G. Cox, Vickey L. Spivey, Nicholas J. Loman, Mark J. Pallen, Chrystala Constantinidou, Raquel Fernández, Carlos Alemparte, Modesto J. Remuiñán, David Barros, Lluis Ballell, & Gurdyal S. Besra (2012). Identification of Novel Imidazo[1,2-a]pyridine Inhibitors Targeting M. tuberculosis QcrB PLoS ONE, 7 (12) DOI: 10.1371/journal.pone.0052951

2. Thierry Christophe, Mary Jackson, Hee Kyoung Jeon, Denis Fenistein, Monica Contreras-Dominguez, Jaeseung Kim, Auguste Genovesio, Jean-Philippe Carralot, Fanny Ewann, Eun Hye Kim, Sae Yeon Lee, Sunhee Kang, Min Jung Seo, Eun Jung Park, Henrieta Škovierová, Ha Pham, Giovanna Riccardi, Ji Youn Nam, Laurent Marsollier, Marie Kempf, Marie-Laure Joly-Guillou, Taegwon Oh, Won Kyung Shin, Zaesung No, Ulf Nehrbass, Roland Brosch, Stewart T. Cole, & Priscille Brodin (2009). High Content Screening Identifies Decaprenyl-Phosphoribose 2′ Epimerase as a Target for Intracellular Antimycobacterial Inhibitors PLoS Pathogens, 5 (10) DOI: 10.1371/journal.ppat.1000645

3. Srinivasa P. S. Rao, Sylvie Alonso, Lucinda Rand, Thomas Dick, & Kevin Pethe (2008). The protonmotive force is required for maintaining
ATP homeostasis and viability of hypoxic, nonreplicating Mycobacterium tuberculosis Proceedings of the National Academy of Sciences, 105 (33), 11945-11950 DOI: 10.1073/pnas.0711697105

4. Puiying A. Mak, Srinivasa P. S. Rao, Mai Ping Tan, Xiuhua Lin, Jason Chyba, Joann Tay, Seow Hwee Ng, Bee Huat Tan, Joseph Cherian, Jeyaraj Duraiswamy, Pablo Bifani, Vivian Lim, Boon Heng Lee, Ngai Ling Ma, David Beer, Pamela Thayalan, Kelli Kuhen, Arnab Chatterjee, Frantisek Supek, Richard Glynne, Jun Zheng, Helena I. Boshoff, Clifton E. Barry, Thomas Dick, Kevin Pethe, & Luis R. Camacho (2012). A High-Throughput Screen To Identify Inhibitors of ATP Homeostasis in Non-replicating Mycobacterium tuberculosis ACS Chemical Biology, 7, 1190-1197

5. Richard Johnston (2013). Synthetic molecule chokes TB growth Nature DOI: 10.1038/nature.2013.13500

6. Kevin Pethe, Pablo Bifani, Jichan Jang, Sunhee Kang, Seijin Park, Sujin Ahn, Jan Jiricek, Juyoung Jung, Hee Kyoung Jeon, Jonathan Cechetto, Thierry Christophe, Honggun Lee, Marie Kempf, Mary Jackson, Anne J Lenaerts, Ha Pham, Victoria Jones, Min Jung Seo, Young Mi Kim, Mooyoung Seo, Jeong Jea Seo, Dongsik Park, Yoonae Ko, Inhee Choi, Ryangyeo Kim, Se Yeon Kim, SeungBin Lim, Seung-Ae Yim, Jiyoun Nam, Hwankyu Kang, Haejin Kwon, Chun-Taek Oh, Yoojin Cho, Yunhee Jang, Junghwan Kim, Adeline Chua, Bee Huat Tan, Mahesh B Nanjundappa, Srinivasa P S Rao, Whitney S Barnes, René Wintjens, John R Walker, Sylvie Alonso, Saeyeon Lee, Jungjun Kim, Soohyun Oh, Taegwon Oh, Ulf Nehrbass, Sung-Jun Han, Zaesung No, Jinhwa Lee, Priscille Brodin, Sang-Nae Cho, Kiyean Nam, & Jaeseung Kim (2013). Discovery of Q203, a potent clinical candidate for the treatment of tuberculosis Nature Medicine, 19 (9), 1157-1160 DOI: 10.1038/nm.3262

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s