Sökandet efter nya behandlingar för att bekämpa malaria har försvårats av bristen på validerade mål på parasiten som orsakar sjukdomen. I arbete nyligen publicerat i PNAS , ett team från Drug Discovery Unit vid University of Dundee presenterar en ny förening som är en selektiv hämmare av lysyl-tRNA-syntetasenzymet i parasiter som orsakar malaria och kryptosporidios. Deras arbete validerar lysyl-tRNA-syntetas som ett läkemedelsmål i dessa organismer och erbjuder en stark ledning för framtida läkemedelsupptäckt.

Kontroll av malaria och kryptosporidios

Malaria, orsakas av en parasit som sprids av myggor, orsakade mer än 400, 000 dödsfall över hela världen under 2017. Vi behöver nya läkemedel för att bekämpa malaria, både på grund av ökat motstånd mot befintliga behandlingar, och ett behov av enklare behandlingsregimer som är lättare att slutföra. För att utvecklas mot kontroll och eliminering av malaria, vi kommer också att behöva nya läkemedel som kan stoppa överföringen av sjukdomen, och förhindra att patienter återfaller.

Mag-tarmsjukdomen kryptosporidios orsakas av en relaterad parasit och sprids genom kontakt med avföring från människor eller djur (ofta via förorenat vatten). Hos friska individer, symtomen avtar vanligtvis inom ett par veckor. Dock, sjukdomen kan vara dödlig hos patienter med nedsatt immunförsvar, och undernärda barn är särskilt utsatta. Det finns ingen effektiv behandling för infekterade barn, och kryptosporidios beräknas orsaka över 200, 000 dödsfall varje år.

Forskare letar efter nya behandlingar, som fungerar på nya sätt, för båda sjukdomarna. Det finns två sätt att söka efter nya malarialäkemedel. Den första är fenotypisk screening, som identifierar föreningar som dödar malariaparasiten. Under det senaste decenniet, Medicines for Malaria Venture (MMV) har identifierat majoriteten av lovande kandidater på detta sätt.

Det andra tillvägagångssättet, målbaserad screening, letar efter föreningar som attackerar parasiten på specifika sätt. Det är ett mer fokuserat tillvägagångssätt, använda kompletterande metoder för att informera om läkemedelsdesign. Det har varit ett framgångsrikt tillvägagångssätt för många andra sjukdomar men har hämmats av bristen på validerade mål för malariaparasiten.

MMV tilldelade nyligen sitt Årets projekt 2018 till ett team av forskare under ledning av prof Ian Gilbert, Prof Kevin Read och Dr Beatriz Baragaña vid Drug Discovery Unit (DDU) vid University of Dundee. Med hjälp av makromolekylär kristallografi (MX), och kompletterande tekniker, teamet validerade ett nytt biologiskt mål för både malaria och kryptosporidios och en spännande ny föreningsserie som visar aktivitet mot detta mål.

Kraften i ett samarbetssätt

Dundee-gruppen byggde på arbetet i ett team ledd av mikrobiologen professor Elizabeth Winzeler vid University of California San Diego. Prof Winzeler identifierade en naturlig svampförening (cladosporin) som var aktiv mot malaria, och identifierade sedan sitt mål.

Plasmodium falciparum är den parasitart som är ansvarig för den farligaste formen av malaria — falciparum malaria — och omkring 50 % av alla fall av malaria. Parasiten har två olika versioner av lysyl-tRNA-syntetas, ett enzym som är avgörande för proteinsyntesen. Utan detta enzym, parasiten kan inte göra proteiner och därmed överleva. Cladosporin angriper en version av enzymet, PfKRS1.

Cladosporin är inte en lämplig läkemedelskandidat i sig, men DDU-teamet kunde utforska potentialen hos PfKRS1 som ett nytt terapeutiskt mål, arbetar genom den strukturstyrda drogupptäcktskoalitionen, finansierat av Bill &Melinda Gates Foundation. Arbetar i samarbete med prof Wes van Voorhis vid University of Washington i Seattle, de screenade bibliotek av föreningar för potentiella PfKRS1-hämmare.

Från denna visning, de hittade en kemisk utgångspunkt. De har modifierat detta för att göra en serie liknande föreningar, varav en visade sig vara effektiv mot parasiter som orsakar malaria, metaboliskt stabil, och lämpar sig för vidare undersökningar. Makromolekylär kristallografi är avgörande för detta arbete, avslöjar formen på molekyler och insikter om deras funktion, och kristallograferna i teamet arbetade på anläggningar i Seattle och New Delhi samt på Diamond. Dundee-teamet har BAG (Block Allocation Group) tillgång till Diamond, en åtkomstväg speciellt utformad för grupper av användare som behöver regelbunden åtkomst, och vem kan koordinera olika korta experiment för att fylla ett stråltidsskift på 8 timmar. För just detta arbete, de använde Diamonds Microfocus MX beamline I24.

Deras resultat erbjuder en stark validering av lysyl-tRNA-syntetas som ett läkemedelsmål för malaria och kryptosporidios. Teamet har identifierat en värdefull verktygsblandning, och deras fokus ligger nu på att förbättra egenskaperna hos den sammansatta serien. Det är tidiga dagar, men målet skulle vara att leverera en läkemedelskandidat som kan klara alla säkerhetsmilstolpar som krävs för att gå vidare till klinisk utveckling.

Enligt prof Gilbert, "Detta är ett mycket spännande mål, definitivt värt att utforska, men det finns mycket arbete kvar att göra. Det är viktigt att vara extremt noggrann i de tidiga stadierna av läkemedelsutveckling. Det kommer att dröja innan vi vet om detta arbete kommer att leda till en ny läkemedelsbehandling."

För Dr. Timothy Wells, MMV:s Chief Scientific Officer, "Det här arbetet representerar ett steg framåt från läkemedelsupptäckten "business-as-usual". Att ha en större förståelse för strukturen av läkemedelsmålet har varit som att skina ett starkt ljus på arbetet med att optimera läkemedelsserien - det betyder att vi kan vara riktigt exakta när vi förbättrar selektiviteten och styrkan hos föreningarna."