Onderzoekers onderzoeken kandidaten voor de herbestemming van geneesmiddelen die zich richten op nucleotide-bindende gedeelten van meerdere SARS-CoV-2-eiwitten

Onderzoekers onderzoeken kandidaten voor de herbestemming van geneesmiddelen die zich richten op nucleotide-bindende gedeelten van meerdere SARS-CoV-2-eiwitten

Uit een recente studie gepubliceerd in virologie Onderzoekers streefden naar direct werkende medicijnen tegen het ernstige acute respiratoire syndroom coronavirus-2 (SARS-CoV-2) die strijden om nucleotide-bindende zakken (NBP’s) van SARS-CoV-2-eiwitten.

Studie: Direkt wirkende antivirale SARS-CoV-2-Medikamente mit mehreren Zielen gegen die Nukleotidbindungstaschen virusspezifischer Proteine. Bildnachweis: PHOTOCREO Michal Bednarek/Shutterstock

achtergrond

SARS-CoV-2 behoort tot de subgroep van bètacoronavirussen (β-CoV) van de familie Coronaviridae in de orde Nidovirales. Het infecteert verschillende zoogdiersoorten, waaronder mensen, en veroorzaakt acute luchtweginfecties. Het is een omhuld, enkelstrengs, positieve-sense ribonucleïnezuur (RNA)-virus met een genoom van 13 kilobase dat 14 open leesframes (ORF's) bevat. Het 5ˈ-uiteinde van het SARS-CoV-2-genoom heeft ORF's 1a en 1b, die coderen voor de polyproteïnen pp1a en pp1ab, die worden vertaald in niet-structurele eiwitten (NSP's) 1 tot 16. Het resterende 3ˈ derde genoom codeert voor structurele eiwitten, waaronder tip (S), membraan (M), envelop (E) en nucleocapside (N).

SARS-CoV-2 is sinds de opkomst ervan in 2019 geëvolueerd naar meer dan 40.000 genomische varianten. De pandemie veroorzaakt door SARS-CoV-2 blijft wereldwijd levens eisen. Daarom is er dringend behoefte aan antivirale geneesmiddelen die de heropkomst en opkomst van nieuwe zorgwekkende varianten (VOC’s) kunnen bestrijden. Biologen hebben van vrijwel alle SARS-CoV-2-eiwitten snel 3D-structuren ontwikkeld, die nu allemaal beschikbaar zijn in de Protein Data Bank (PDB) en kunnen helpen bij de ontwikkeling van op structuur gebaseerde geneesmiddelen.

Eerder hebben onderzoekers nucleotidederivaten geformuleerd die concurreren met de fysiologische nucleotiden voor binding aan de NBP's van virale eiwitten als antivirale geneesmiddelen. De Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) heeft bijvoorbeeld azidothymidine (AZT) goedgekeurd als medicijn tegen het humaan immunodeficiëntievirus (HIV) dat zich richt op het reverse transcriptase (RT) eiwit ervan.

Over de studie

In de huidige studie probeerden onderzoekers farmacologisch actieve verbindingen te hergebruiken die binden aan de NBP’s van zes SARS-CoV-2-eiwitten. Ze richtten zich specifiek op het C-terminale domein (CTD) en het N-terminale domein (NTD) van nsp12, nsp13, nsp14, nsp15, nsp16 en het N-eiwit. Ze identificeerden deze NBP's op basis van de atomaire structuren die beschikbaar zijn in het VOB. Op dezelfde manier voerden ze structuurondersteunde virtuele in silico-screening uit van drie bibliotheken om snel multi-target antivirale middelen tegen SARS-CoV-2 te identificeren.

De Single Molecular Multi-Target (SMMT)-aanpak heeft onderzoekers geholpen verschillende potentiële kleine anti-SARS-CoV-2-moleculen met multi-target-eigenschappen te verkrijgen. Ze gebruikten isothermische calorimetrie (ITC) om bindingsparameters zoals affiniteit en kinetiek van de geïdentificeerde antivirale verbindingen te meten. Ten slotte gebruikte het team celgebaseerde SARS-CoV-2-tests om de antivirale activiteit van een subset van deze verbindingen te bevestigen.

Het team voerde moleculaire koppeling uit van meerdere nucleotide mono- en trifosfaten (NMP's/NTP's). [(bijv. adenosine mono- en trifosfaat (AMP en ATP)] en remdesivir. De laatste, een nucleotide-prodrug van een adenosine-analoog, diende als een positieve controle. De onderzoekers markeerden elk molecuul als een potentieel kandidaat-medicijn als het een gunstig moleculair toxiciteitsbereik en farmacokinetische (PK) eigenschappen had. Ze gebruikten de online tool SwissADME voor in silico analyse van de geneesmiddelgelijkenis, waarbij de geselecteerde moleculen werden gekarakteriseerd op basis van hun absorptie-, distributie-, metabolisme- en excretie-eigenschappen (ADME).

Daarnaast gebruikte het team het BOILED-Egg (Brain Or IntestinaL EstimateD Permeation) model om de gastro-intestinale (GI) absorptie of bloed-hersenbarrière (BBB) ​​permeatie van een verbinding te voorspellen, evenals substraat/niet-substraatanalyse van P-glycoproteïne (Pgp).

Studieresultaten

Omdat nucleosiden/nucleotiden de bouwstenen zijn van RNA, dat wil zeggen het virale genoom, zouden moleculen die zich richten op het nucleosideskelet veelbelovende antivirale moleculen kunnen zijn. Hoewel het moeilijk is om het in vivo gedrag van deze moleculen te beoordelen, zijn in silico-methoden zeer nuttig gebleken bij het verschaffen van duidelijk bewijs van de interactie van een geneesmiddelmolecuul met het doeleiwit en de biologische beschikbaarheid ervan in het gastheerorganisme.

Eerst selecteerden de onderzoekers de top 30 verbindingen waarvan de bindingsenergie gelijk was aan of groter was dan de positieve controle in de geselecteerde set SARS-CoV-2-eiwitten. Het team voorspelde de gelijkenis met medicijnen van de top tien van deze 30 verbindingen. Ze verkregen de uiteindelijke bindingsenergie na moleculaire koppeling van de verbindingen. Hoewel deze tien verbindingen hoge bindingsenergieën voor de virale doelwitten vertoonden, vertoonden hun fysisch-chemische parameters geen aanvaardbare eigenschappen voor gelijkenis met geneesmiddelen.

Bovendien evalueerde het team deze verbindingen met behulp van thermodynamische criteria, waarbij slechts drie topverbindingen met anti-SARS-CoV-2-potentieel aan het licht kwamen. Dit waren olaparib, INCB28060 en VX-809. Interessant genoeg hadden drie veelbelovende verbindingen uit elke bibliotheek ook aminozuren die op vergelijkbare wijze op elkaar inwerken. Bovendien vertoonden drie van de negen potentiële verbindingen (INCB28060, darglitazon-natrium en columbianadine) significante antivirale activiteit in verschillende in vitro-tests. De krachtigste verbinding was natriumdarglitazon, waarvan de halfmaximale effectieve concentratie (EC50) minder dan 10 µM was.

Alle drie de kandidaat-geneesmiddelen vertoonden ook remmende eigenschappen, maar INCB28060 en natriumdarglitazon hadden de grootste anti-SARS-CoV-2-activiteit. Interessant is dat is aangetoond dat Columbianadine pijnstillende, ontstekingsremmende en antitumorale eigenschappen heeft en ook een remmer is van spanningsafhankelijke calciumkanalen (Ca2+). Het antivirale effect van columbianadine tegen SARS-CoV-2 via modulatie van de ionkanaalactiviteit vereist verder experimenteel onderzoek.

Diploma

De huidige studie benadrukte het nut van op structuur gebaseerde methoden bij het ontdekken van een potentieel medicijnmolecuul dat zich zou kunnen richten op meerdere eiwitten van SARS-CoV-2. Volgens de auteurs worden deze medicijnmoleculen momenteel klinisch getest en kunnen ze binnenkort worden gebruikt voor antivirale therapie tegen SARS-CoV-2.

Referentie:

• Ruchi Rani, Siwen Long, Akshay Pareek, Preeti Dhaka, Ankur Singh, Pravindra Kumar, Gerald McInerney, Shailly Tomar. (2022). Direkt wirkende antivirale SARS-CoV-2-Medikamente mit mehreren Zielen gegen die Nukleotidbindungstaschen virusspezifischer Proteine. Virologie. doi: https://doi.org/10.1016/j.virol.2022.08.008 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0042682222001386