Meccanismi non classici per sopprimere irreversibilmente il β

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 783 (2023) Citare questo articolo

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La cristallizzazione dell'ematina è un elemento essenziale della disintossicazione dell'eme dai parassiti della malaria e la sua inibizione da parte dei farmaci antimalarici è una via di trattamento comune. Dimostriamo in condizioni biomimetiche in vitro un'inibizione irreversibile della crescita dei cristalli di ematina dovuta a distinti meccanismi cooperativi che si attivano a forze motrici ad alta cristallizzazione. L’evoluzione della forma dei cristalli dopo un’esposizione per un periodo limitato sia ai metaboliti dell’artemisinina che agli antimalarici della classe della chinolina indica che la crescita dei cristalli rimane soppressa dopo che i metaboliti dell’artemisinina e i farmaci vengono eliminati dalla soluzione. Il trattamento dei parassiti della malaria con gli stessi agenti rivela che gli impulsi inibitori di tre e sei ore inibiscono la crescita dei parassiti con un’efficacia paragonabile a quella dell’esposizione agli inibitori durante l’intera vita del parassita. La microscopia a forza atomica (AFM) in situ risolta nel tempo, integrata dalla diffusione della luce, rivela due meccanismi a livello molecolare dell'azione inibitrice che impediscono il recupero della crescita della β-ematina. Gli addotti con ematina delle artemisinine stimolano la copiosa nucleazione di nanocristalli non estensibili, che si incorporano in cristalli in crescita più grandi, mentre la pironaridina, un farmaco della classe delle chinoline, promuove grappoli a gradini, che si evolvono per generare abbondanti dislocazioni. È noto che sia i cristalli incorporati che le dislocazioni inducono una tensione reticolare, che persiste e impedisce permanentemente la crescita dei cristalli. La nucleazione, il raggruppamento a gradini e altri comportamenti cooperativi possono essere amplificati o ridotti come mezzo per controllare le dimensioni dei cristalli, la distribuzione delle dimensioni, le proporzioni e altre proprietà essenziali per numerosi campi che si basano su materiali cristallini.

L'ematina è il prodotto dell'ossidazione dell'eme rilasciato nel vacuolo digestivo dei parassiti della malaria mentre metabolizzano l'emoglobina1. Per difendersi dalla tossicità dell'ematina, i parassiti la sequestrano nell'innocua emozoina cristallina2. Numerosi composti antimalarici, come gli antimalarici della classe della chinolina3,4 e gli addotti dell'ematina dei farmaci della classe dell'artemisinina, prodotti dal metabolismo dei parassiti5,6, uccidono i parassiti inibendo la cristallizzazione dell'ematina, che aumenta la concentrazione di ematina libera tossica. Per modellare il modo in cui i farmaci con tempi di residenza limitati eliminano i parassiti P. falciparum, analizziamo se gli antimalarici possono adottare percorsi che portano all'inibizione della crescita dei cristalli di ematina che dura dopo che un inibitore è stato rimosso dal sistema. Verifichiamo se l'inibizione irreversibile della cristallizzazione dell'ematina è correlata all'efficace soppressione dei parassiti della malaria mediante impulsi a tempo limitato di cinque composti antimalarici.

Esploriamo la reversibilità dell'inibizione della crescita dei cristalli di β-ematina (Fig. 1a), un analogo sintetico dell'emozoina1. Per promuovere la rilevanza fisiologica dei risultati ottenuti, utilizziamo come solvente l'ottanolo saturo di tampone citrico, un analogo della sottofase lipidica nel vacuolo digestivo del parassita7,8,9,10. Abbiamo analizzato l'attività di tre antimalarici della classe della chinolina, pironaridina (PY), clorochina (CQ) e meflochina (MQ), e gli addotti con ematina di due farmaci della classe dell'artemisinina11,12, artemisinina (H-ART) e artesunato (H -ARS)5. Le chinoline inibiscono la cristallizzazione dell'ematina sia in vivo che in vitro13,14,15. Gli addotti dell'ematina dei farmaci della classe dell'artemisinina si formano come prodotto del metabolismo dell'emoglobina nel vacuolo digestivo del parassita6,16,17 e sopprimono anche la cristallizzazione dell'ematina5.

a Un'immagine e uno schema al microscopio elettronico a scansione (SEM) che illustrano l'abito dei cristalli di β-ematina e le definizioni di lunghezza \(l\) e larghezza \(w\) dei cristalli. Nella struttura cristallina dell'ematina, le sfere grigie rappresentano C, blu, N, argento, H e rosso, O. b Immagini SEM di cristalli di β-ematina cresciuti a volte e composizioni indicate con (i) – (iii) in (d) in presenza di 10 μM di PY. c Schema della conservazione della forma del cristallo durante la crescita in soluzioni pure e della soppressione indotta dall'inibitore di \(l\) o \(w\) mediante l'interazione di un inibitore con le facce cristalline assiali e laterali, rispettivamente. I contorni concentrici denotano la forma del cristallo in tempi crescenti di crescita. d Schema della variazione della concentrazione dell'inibitore utilizzato per testare la reversibilità dell'inibizione di \(l\) e \(w\). La linea blu continua indica cristalli esposti a una concentrazione di inibitore X μM (dove X = 10 per H-ART, H-ARS e PY; 2 per CQ; e 5 per MQ) per 3 giorni, dopo di che i cristalli sono stati esposti a una soluzione priva di metaboliti o farmaci per 10 giorni. La linea tratteggiata arancione rappresenta i cristalli mantenuti a una concentrazione costante di inibitore X μM per 13 giorni. La linea viola tratteggiata indica i cristalli esposti alla concentrazione dell'inibitore X μM per 3 giorni; la linea grigia tratteggiata corta indica i controlli cresciuti in una soluzione priva di metaboliti o farmaci per 13 giorni. I numeri (i)–(iii) indicano composizioni e tempi di raccolta dei cristalli cresciuti in presenza di PY e ripresi nel pannello (b). e Lunghezze e larghezze dei cristalli cresciuti in soluzioni di ematina da 0,5 mM e in presenza di 10 μM di H-ART, H-ARS e PY, 2 μM di CQ e 5 μM di MQ nella soluzione iniziale. Le barre di errore rappresentano le deviazioni standard dalle medie su ca. 30 cristalli per ogni regime di composizione e tempo di crescita. Le parentesi verticali verdi e rosse definiscono la lunghezza o la larghezza maturata durante la crescita tra i giorni 3 e 13. Le parentesi orizzontali verdi e rosse collegano gli incrementi di lunghezza e larghezza che vengono confrontati, rispettivamente, nel criterio di reversibilità 1, per H-ARS, e nel criterio 2, per PI.