Forscher erforschen Kandidaten für die Wiederverwendung von Arzneimitteln, die gegen Nukleotidbindungstaschen mehrerer SARS-CoV-2-Proteine ​​wirken

In einer aktuellen Studie veröffentlicht in VirologieForscher verfolgten direkt wirkende Medikamente gegen das schwere akute respiratorische Syndrom Coronavirus-2 (SARS-CoV-2), die um Nukleotidbindungstaschen (NBPs) von SARS-CoV-2-Proteinen konkurrieren.

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

Hintergrund

SARS-CoV-2 gehört zur Untergruppe der Beta-Coronaviren (β-CoV) der Familie Coronaviridae in der Ordnung Nidovirales. Es infiziert mehrere Säugetierarten, darunter auch den Menschen, und verursacht akute Atemwegsinfektionen. Es handelt sich um ein umhülltes, einzelsträngiges Ribonukleinsäure (RNA)-Virus mit positivem Sinn und einem 13 Kilobasen großen Genom mit 14 offenen Leserahmen (ORFs). Das 5ˈ-Ende des SARS-CoV-2-Genoms verfügt über die ORFs 1a und 1b, die für die Polyproteine ​​pp1a und pp1ab kodieren, die in die Nichtstrukturproteine ​​(NSPs) 1 bis 16 übersetzt werden. Das verbleibende 3ˈ-Drittel-Genom kodiert für Strukturproteine, einschließlich Spitze (S), Membran (M), Hülle (E) und Nukleokapsid (N).

SARS-CoV-2 hat sich seit seinem Auftreten im Jahr 2019 in mehr als 40.000 genomischen Varianten entwickelt. Die durch SARS-CoV-2 ausgelöste Pandemie fordert weiterhin weltweit Todesopfer. Daher besteht ein dringender Bedarf an antiviralen Medikamenten, die das erneute Auftreten und die Entstehung neuer besorgniserregender Varianten (VOCs) bekämpfen könnten. Biologen haben in kurzer Zeit 3D-Strukturen fast aller SARS-CoV-2-Proteine ​​erarbeitet, die jetzt alle in der Proteindatenbank (PDB) verfügbar sind und bei der strukturbasierten Wirkstoffentwicklung helfen könnten.

Zuvor haben Forscher Nukleotidderivate formuliert, die mit den physiologischen Nukleotiden um die Bindung an die NBPs der viralen Proteine ​​konkurrieren, und zwar als antivirale Medikamente. Beispielsweise hat die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) Azidothymidin (AZT) als Medikament gegen das humane Immundefizienzvirus (HIV) zugelassen, das gegen sein Reverse-Transkriptase-Protein (RT) wirkt.

Über die Studie

In der vorliegenden Studie versuchten Forscher, pharmakologisch aktive Verbindungen, die an die NBPs von sechs SARS-CoV-2-Proteinen binden, wiederzuverwenden. Sie zielten speziell auf die C-terminale Domäne (CTD) und N-terminale Domäne (NTD) von nsp12, nsp13, nsp14, nsp15, nsp16 und das N-Protein ab. Sie identifizierten diese NBPs anhand der in der PDB verfügbaren Atomstrukturen. Ebenso führten sie ein strukturgestütztes virtuelles In-silico-Screening von drei Bibliotheken durch, um schnell wirksame antivirale Mittel gegen SARS-CoV-2 mit mehreren Zielen zu identifizieren.

Der Single Molecular Multi-Target (SMMT)-Ansatz half den Forschern, mehrere potenzielle kleine Anti-SARS-CoV-2-Moleküle mit Multi-Target-Eigenschaften zu erhalten. Sie verwendeten isotherme Kalorimetrie (ITC), um Bindungsparameter wie Affinität und Kinetik der identifizierten antiviralen Verbindungen zu messen. Schließlich verwendete das Team zellbasierte SARS-CoV-2-Assays, um die antivirale Aktivität einer Untergruppe dieser Verbindungen zu bestätigen.

Das Team führte das molekulare Andocken mehrerer Nukleotidmono- und -triphosphate (NMPs/NTPs) durch. [(e.g., adenosine mono- and tri-phosphate (AMP and ATP)]und Remdesivir. Letzteres, ein Nukleotid-Prodrug eines Adenosin-Analogons, diente als Positivkontrolle. Die Forscher markierten jedes Molekül als potenziellen Medikamentenkandidaten, wenn es einen günstigen Molekültoxizitätsbereich und pharmakokinetische (PK) Eigenschaften aufwies. Sie nutzten das Online-Tool SwissADME für die In-silico-Arzneimittelähnlichkeitsanalyse, die die ausgewählten Moleküle anhand ihrer Absorptions-, Verteilungs-, Stoffwechsel- und Ausscheidungseigenschaften (ADME) charakterisierte.

Darüber hinaus verwendete das Team das BOILED-Egg-Modell (Brain Or IntestinaL EstimateD Permeation), um die gastrointestinale (GI) Absorption oder die Blut-Hirn-Schranke (BBB)-Permeation einer Verbindung sowie die Substrat-/Nicht-Substrat-Analyse von P-Glykoprotein (Pgp) vorherzusagen.

Studienergebnisse

Da Nukleoside/Nukleotide die Bausteine ​​der RNA, also des viralen Genoms, sind, könnten Moleküle, die auf das Nukleosidgerüst abzielen, vielversprechende antivirale Moleküle sein. Obwohl es schwierig ist, das In-vivo-Verhalten dieser Moleküle zu beurteilen, haben sich In-silico-Methoden als sehr nützlich erwiesen, um eindeutige Beweise für die Wechselwirkung eines Arzneimittelmoleküls mit dem Zielprotein und seine Bioverfügbarkeit im Wirtsorganismus zu liefern.

Zunächst wählten die Forscher die 30 besten Verbindungen aus, deren Bindungsenergie gleich oder größer als die Positivkontrolle im ausgewählten Satz der SARS-CoV-2-Proteine ​​war. Das Team sagte die Medikamentenähnlichkeit der besten zehn dieser 30 Verbindungen voraus. Die endgültige Bindungsenergie erhielten sie nach dem molekularen Andocken der Verbindungen. Obwohl diese zehn Verbindungen hohe Bindungsenergien für die viralen Ziele aufwiesen, zeigten ihre physikochemischen Parameter für die Arzneimittelähnlichkeit keine akzeptablen Eigenschaften.

Darüber hinaus bewertete das Team diese Verbindungen anhand thermodynamischer Kriterien, wobei sich nur drei Top-Verbindungen mit Anti-SARS-CoV-2-Potenzial ergaben. Dies waren Olaparib, INCB28060 und VX-809. Interessanterweise hatten drei vielversprechende Verbindungen aus jeder Bibliothek auch ähnlich interagierende Aminosäuren. Darüber hinaus zeigten drei von neun potenziellen Verbindungen (INCB28060, Darglitazon-Natrium und Columbianadin) in verschiedenen In-vitro-Tests eine erhebliche antivirale Aktivität. Die wirksamste Verbindung war Darglitazon-Natrium, dessen halbmaximale wirksame Konzentration (EC50) unter 10 µM lag.

Alle drei Medikamentenkandidaten zeigten ebenfalls hemmende Eigenschaften, aber INCB28060 und Darglitazon-Natrium hatten die größte Anti-SARS-CoV-2-Aktivität. Interessanterweise hat Columbianadin nachweislich analgetische, entzündungshemmende und antitumorale Eigenschaften und ist außerdem ein Inhibitor spannungsgesteuerter Calciumkanäle (Ca2+). Die antivirale Wirkung von Columbianadin gegen SARS-CoV-2 über die Modulation der Ionenkanalaktivität bedarf weiterer experimenteller Untersuchungen.

Abschluss

Die aktuelle Studie verdeutlichte den Nutzen strukturbasierter Methoden bei der Entdeckung eines potenziellen Arzneimittelmoleküls, das auf mehrere Proteine ​​von SARS-CoV-2 abzielen könnte. Den Autoren zufolge befinden sich diese Arzneimittelmoleküle in der klinischen Prüfung und könnten bald für eine antivirale Therapie gegen SARS-CoV-2 eingesetzt werden.

Referenz:

• 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