Neuartiges therapeutisches Mittel zur Bekämpfung arzneimittelresistenter Tuberkulose

Zusammenfassung

Ein Forschungsteam unter der Leitung von außerordentlichem Professor Noriyuki Kurita von der Abteilung für Informatik und Ingenieurwesen der Toyohashi University of Technology und von außerordentlichem Professor Pornpan Pungpo von der Ubon Ratchathani-Universität in Thailand hat mithilfe hochpräziser molekularer Simulationstechniken ein neuartiges Therapeutikum gegen Tuberkulose vorgeschlagen. Es wird erwartet, dass das vorgeschlagene Arzneimittel stark an das Arzneimittel-metabolisierende Enzym Cytochrom P450 (CYP) bindet, wodurch ein übermäßiger CYP-vermittelter Metabolismus gehemmt und der Abbau gleichzeitig verabreichter Arzneimittel verhindert wird. Da dieses Mittel außerdem auf Enzyme abzielt, die vom Tuberkulosebakterium freigesetzt werden, und nicht auf das Bakterium selbst, wird die Wahrscheinlichkeit einer bakteriellen Mutation und Resistenzentwicklung verringert, was auf eine anhaltende therapeutische Wirksamkeit über einen längeren Zeitraum hindeutet.

Details

Die Infektion mit Mycobacterium tuberculosis ist nach wie vor eine der gefährlichsten Infektionskrankheiten weltweit und hat die Entwicklung verschiedener Therapeutika angeregt. Rifampicin, eines dieser Arzneimittel, induziert das Arzneimittel-metabolisierende Enzym Cytochrom P450 (CYP), das den Abbau gleichzeitig verabreichter Arzneimittel beschleunigt und deren Wirksamkeit verringert. Daher besteht ein dringender Bedarf an der Entwicklung von Verbindungen, die einen übermäßigen CYP-vermittelten Stoffwechsel hemmen. Frühere Studien haben die Hämgruppe als aktives Zentrum von CYP identifiziert und gezeigt, dass die Koordinationsbindung zwischen dem zentralen Hämeisen und Inhibitoren für die CYP-Hemmung wesentlich ist. Herkömmliche molekulare Simulationen hatten Schwierigkeiten, diese Koordinationsbindung genau zu reproduzieren. Als Reaktion darauf konstruierte diese Studie ein neuartiges molekulares Kraftfeld, das Koordinationsbindung und Ladungsübertragung um das Häm-Eisen beinhaltet und so die experimentell beobachtete Struktur eines CYP-Inhibitor-Komplexes erfolgreich reproduziert. Darüber hinaus wurde die Fragment-Molekularorbital-Methode (FMO) eingesetzt, um die Bindungseigenschaften der elektronischen Struktur zwischen CYP und dem Inhibitor zu analysieren und so die Aminosäurereste zu identifizieren, die für die Bindung des Inhibitors an CYP entscheidend sind.

In dieser Studie wurden in Zusammenarbeit mit Forschern in Thailand verschiedene Substituenten an den durch den roten Kreis in der Abbildung gekennzeichneten Positionen eingeführt, um systematisch Kandidatenverbindungen mit erhöhter Bindungsaffinität für CYP und verbessertem Hemmpotenzial zu identifizieren. Als Kandidaten wurden elf neuartige Verbindungen ausgewählt, die günstige Arzneimitteleigenschaften und eine geringe Toxizität aufweisen. Mithilfe einer fortschrittlichen molekularen Simulationsmethode und Supercomputing-Ressourcen wurden die Bindungseigenschaften von CYP mit diesen neuartigen Verbindungen analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass zwei der neuen Verbindungen eine stärkere Bindung an CYP aufweisen als bestehende Inhibitoren und voraussichtlich wirksame CYP-Inhibitoren sind.

Hinter den Kulissen der Entwicklung

Herr Nagura und Frau Chimura, beide Masterstudenten und Hauptautoren der beiden veröffentlichten Arbeiten, reflektieren über ihre Erfahrungen: „Das in dieser Forschung untersuchte CYP-Protein enthält Häm-Eisen in seinem aktiven Zentrum; daher war eine molekulare Simulation, die den Bindungszustand um das Eisen herum genau beschreiben kann, unerlässlich. Herkömmliche klassische Berechnungsmethoden konnten die experimentelle Struktur jedoch nicht reproduzieren, und wir stießen auf erhebliche Herausforderungen bei der Entwicklung einer Methode, die die Koordinationsbindungen und die Ladungsverteilung um Eisen herum genau berücksichtigte. Darüber hinaus bei der Analyse der Bindungseigenschaften zwischen verschiedenen Verbindungen und CYP.“ Bei der Verwendung der neuen Methode haben wir stark von den Ratschlägen des Professors und der Studenten in unserem gemeinsamen Forschungslabor in Thailand profitiert, was uns eine effizientere Suche nach neuen Verbindungen ermöglichte. Ich glaube, dass der zweimonatige Aufenthalt im Forschungslabor in Thailand und die gemeinsame Forschung durch direkte Gespräche wesentlich zum Erfolg dieses Projekts beigetragen haben.

Zukunftsaussichten

Die in diesem Artikel vorgeschlagene neuartige molekulare Simulationsmethode wird auf weitere Enzymproteine ​​angewendet, um neue Verbindungen zu identifizieren, die deren Funktion wirksam hemmen. Diese Verbindungen werden in einem Labor in Thailand synthetisiert und ihre hemmende Wirkung wird durch zellbasierte Experimente bewertet. Um diese gemeinsame Forschung voranzutreiben, werden außerordentliche Professorin Kurita und die Doktoranden des Labors das thailändische Labor besuchen, um einen detaillierten Forschungsumsetzungsplan zu entwickeln. Die gemeinsame Forschung und der Studentenaustausch mit dem thailändischen Labor bestehen seit über 10 Jahren. Es wird erwartet, dass dieser Austausch fortgesetzt wird und zur Entwicklung neuer Tuberkulosetherapien beiträgt.

Danksagungen

Diese Forschung wurde im Rahmen des International Internship Program der Japan Student Services Organization (JASSO) und des Student Exchange and Research Exchange Program zwischen der Toyohashi University of Technology und der Ubon Ratchathani University in Thailand durchgeführt. Wir danken der außerordentlichen Professorin Pornpan Pungpo vom Fachbereich Chemie der Fakultät für Naturwissenschaften der Ubon Ratchathani-Universität und den Doktoranden in ihrem Labor für ihre wertvollen Beiträge zu dieser gemeinsamen Forschung. Darüber hinaus wurde ein Teil dieser Forschung im Rahmen einer Aktivität des FMO Drug Discovery Consortium durchgeführt und die Berechnungsergebnisse wurden mit dem Supercomputer Fugaku von RIKEN in Japan (Projektnummer: hp250154) ermittelt.

Quellen: