Towards malaria combination therapy: Characterization of hybrid molecules for HIV/malaria combination therapy and of thiostrepton as a proteasome-targeting antibiotic with a dual mode of action

• Main Author: Aminake, Makoah Nigel
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2012
• Subjects: Malaria; HIV; Thiostrepton; Arzneimitteldesign; ddc:570
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/5994; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-71841; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-71841; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/5994/Makoah_Nigel_Aminake_thesis_2012.pdf

Malaria and HIV are among the most important global health problems of our time and together are responsible for approximately 3 million deaths annually. These two diseases overlap in many regions of the world including sub-Saharan Africa, Southeast Asia and South America, leading to a higher risk of co-infection. In this study, we generated and characterized hybrid molecules to target P. falciparum and HIV simultaneously for a potential HIV/malaria combination therapy. Hybrid molecules were synthesized by covalent fusion between azidothymidine (AZT) and dihydroartemisinin (DHA), tetraoxane or chloroquine (CQ); and a small library was generated and tested for antiviral and antimalarial activity. Our data suggest that dihyate is the most potent molecule in vitro, with antiplasmodial activity comparable to that of DHA (IC50 = 26 nM, SI > 3000), a moderate activity against HIV (IC50 = 2.9 µM; SI > 35) and safe to HeLa cells at concentrations used in the assay (CC50 > 100 µM). Pharmacokinetic studies further revealed that dihyate is metabolically unstable and is cleaved following an O-dealkylation once in contact with cytochrome P450 enzymes. The later further explains the uneffectiveness of dihyate against the CQ-sensitive P. berghei N strain in mice when administered by oral route at 20 mg/kg. Here, we report on a first approach to develop antimalarial/anti-HIV hybrid molecules and future optimization efforts will aim at producing second generation hybrid molecules to improve activity against HIV as well as compound bioavailability. With the emergence of resistant parasites against all the counterpart drugs of artemisinin derivatives used in artemisinin based combination therapies (ACTs), the introduction of antibiotics in the treatment of malaria has renewed interest on the identification of antibiotics with potent antimalarial properties. In this study we also investigated the antiplasmodial potential of thiostrepton and derivatives, synthesized using combinations of tail truncation, oxidation, and addition of lipophilic thiols to the terminal dehydroamino acid. We showed that derivatives SS231 and SS234 exhibit a better antiplasmodial activity (IC50 = 1 µM SI > 59 and SI > 77 respectively) than thiostrepton (IC50 = 8.95 µM, SI = 1.7). The antiplasmodial activity of these derivatives was observed at concentrations which are not hemolytic and non-toxic to human cell lines. Thiostrepton and derivatives appeared to exhibit transmission blocking properties when administered at their IC50 or IC90 concentrations and our data also showed that they attenuate proteasome activity of Plasmodium, which resulted in an accumulation of ubiquitinated proteins after incubation with their IC80 concentrations. Our results indicate that the parasite’s proteasome could be an attractive target for therapeutic intervention. In this regard, thiostrepton derivatives are promising candidates by dually acting on two independent targets, the proteasome and the apicoplast, with the capacity to eliminate both intraerythrocytic asexual and transmission stages of the parasite. To further support our findings, we evaluated the activity of a new class of antimalarial and proteasome inhibitors namely peptidyl sulfonyl fluorides on gametocyte maturation and analogues AJ34 and AJ38 were able to completely suppress gametocytogenesis at IC50 concentrations (0.23 µM and 0.17 µM respectively) suggesting a strong transmission blocking potential. The proteasome, a major proteolytic complex, responsible for the degradation and re-cycling of non-functional proteins has been studied only indirectly in P. falciparum. In addition, an apparent proteasome-like protein with similarity to bacterial ClpQ/hslV threonine-peptidases was predicted in the parasite. Antibodies were generated against the proteasome subunits alpha type 5 (α5-SU), beta type 5 (β5-SU) and pfhslV in mice and we showed that the proteasome is expressed in both sexual and asexual blood stages of P. falciparum, where they localize in the nucleus and in the cytoplasm. However, expression of PfhslV was only observed in trophozoites and shizonts. The trafficking of the studied proteasome subunits was further investigated by generating parasites expressing GFP tagged proteins. The expression of α5-SU-GFP in transgenic parasite appeared to localize abundantly in the cytoplasm of all blood stages, and no additional information was obtained from this parasite line. In conclusion, our data highlight two new tools towards combination therapy. Hybrid molecules represent promising tools for the cure of co-infected individuals, while very potent antibiotics with a wide scope of activities could be useful in ACTs by eliminating resistant parasites and limiting transmission of both, resistances and disease. === Malaria und HIV gehören zu den wichtigsten weltweiten Gesundheitsproblemen unserer Zeit und verursachen jährlich zusammen fast drei Millionen Todesfälle. Das Verbreitungsgebiet beider Krankheit überschneidet sich in vielen Weltregionen wie Afrika südlich der Sahara, Südostasien und Südamerika, was zu einem erhöhten Risiko für Koinfektionen führt. Während der vorliegenden Arbeit stellten wir Hybridmoleküle her und charakterisierten diese in Bezug auf ihre gleichzeitige Wirksamkeit gegen P. falciparum und HIV mit dem Ziel einer möglichen Kombinationstherapie gegen beide Krankheiten. Diese Hybridmoleküle wurden durch kovalente Verbindung von Azidothymidin (AZT) mit Dihydroartemisinin (DHA), Tetraoxan und Chloroquin (CQ) hergestellt. Die dabei hergestellte kleine Molekülsammlung wurde auf antivirale Wirkung und Wirkung gegen Malaria getestet. In vitro ist, gemäß unserer Daten, Dihyate das wirksamste Molekül, mit einer dem DHA vergleichbaren Wirksamkeit gegen Plasmodium (IC50 = 26 nM, SI > 3000), einer mittelmäßigen Wirksamkeit gegen HIV (IC50 = 2.9 µM; SI > 35) und keiner Wirkung auf HeLa-Zellen bei den im Versuch verwendeten Konzentrationen (CC50 > 100 µM). Weiterhin ergaben pharmakokinetische Studien, dass Dihyate metabolisch instabil ist und nach einer O-Dealkylierung gespalten wird, sobald es in Kontakt mit Cytochrom P450 Enzymen kommt. Dies erklärt auch die Unwirksamkeit von Dihyate gegen dem CQ-sensitiven P. berghei N Stamm im Mausversuch bei oraler Gabe von 20mg/kg. Wir berichten hier von einem ersten Ansatz Hybridmoleküle gegen Malaria/ HIV zu entwickeln. Zukünftige Verbesserungen werden darauf abzielen Hybridmoleküle der zweiten Generation herzustellen um sowohl die Wirksamkeit gegen HIV als auch die Bioverfügbarkeit zu verbessern. Auf Grund der Entwicklung von Resistenzen gegenüber sämtliche Substanzen, die zusammen mit Artemisinin in Kombinationstherapien genutzt werden, hat die Verwendung von Antibiotika bei der Behandlung der Malaria das Interesse daran neu geweckt, Antibiotika mit starker Wirksamkeit gegenüber Plasmodium aufzuspüren. Während der vorliegenden Studie untersuchten wir die Wirksamkeit von Thiostrepton und seinen Derivaten gegenüber Plasmodium. Diese Derivate wurden durch Kombinationen von Verkürzung der Seitenkette, Oxidation und der Anbringung von lipophilen Thiolen an die endständige Dehydroaminosäure hergestellt. Wir konnten zeigen, dass die Derivate SS231 und SS234 (IC50 = 1 µM SI > 59 und SI > 77) eine bessere Wirksamkeit gegen Plasmodium besitzen als Thiostrepton (IC50 = 8.95 µM, SI = 1.7). Diese Wirksamkeit konnte bei Konzentrationen beobachtet werden, die nicht hämolytisch sind und ungiftig gegenüber menschlichen Zelllinien. Thiostrepton und seine Derivate zeigten transmissionsblockierende Eigenschaften, wenn sie in Konzentrationen, die ihren IC50- oder IC90-Werten entsprachen, eingesetzt wurden. Unsere Daten zeigen auch, dass diese Substanzen die Aktivität des Proteasoms von Plasmodium abschwächen, was zu einer Anreicherung von ubiquitinierten Proteinen führte, wenn die Parasiten mit den Substanzen in IC80-Konzentrationen inkubiert wurden. Unsere Ergebnisse sprechen dafür, dass das Proteasom ein attraktives Ziel für therapeutische Maßnahmen sein kann. In diesem Zusammenhang sind die Derivate des Thiostreptons vielversprechende Kandidaten, da sie gleichzeitig an zwei unabhängigen Zielstrukturen angreifen, dem Proteasom und dem Apicoplasten und die Fähigkeit besitzen, sowohl die asexuellen Blutstadien als auch diejenigen Blutstadien, die für die Weitergabe des Parasiten verantwortlich sind, zu beseitigen. Um unsere Ergebnisse weiter zu untermauern, untersuchten wir die Wirkung von Peptidyl-Sulfonyl-Fluoriden, einer neuen Klasse von Substanzen mit Wirksamkeit gegen Malaria und hemmender Wirkung gegenüber dem Proteasom auf die Reifung von Gametozyten. Die Substanzen AJ34 und AJ38 unterdrückten die Bildung von Gametozyten vollständig, wenn sie in Konzentrationen, die ihren IC50-Werten (0.23 µM und 0.17 µM) entsprachen, eingesetzt wurden. Dies spricht für ein starkes transmissionsblockierendes Potential dieser Substanzen. Das Proteasom, ein bedeutender proteinabbauender Komplex, der für den Abbau und die Wiedergewinnung nicht funktioneller Proteine verantwortlich ist, wurde bisher nur indirekt in P. falciparum untersucht. Zusätzlich wurde die Existenz eines, dem Proteasom-ähnlichen, Proteins mit Ähnlichkeiten zu bakteriellen ClpQ/hslV Threonin-Peptidasen in Plasmodium vermutet. Gegen die Untereinheiten alpha 5 (α5-SU), beta 5 (β5-SU) und gegen pfhslV wurden in Mäusen Antikörper generiert. Mit diesen konnten wir zeigen, dass das Proteasom sowohl in den asexuellen als auch in den sexuellen Blutstadien von P. falciparum exprimiert wird und im Zellkern und im Zytoplasma lokalisiert sind. Die Expression von PfhslV konnte jedoch nur in Trophozoiten und Schizonten beobachtet werden. Der Transport der Proteasomuntereinheiten wurde weiterhin durch die Herstellung von transgenen Parasiten, die GFP-markierte Proteine bilden, untersucht. Die Expression von α5-SU-GFP in transgenen Parasiten schien im Zytoplasma aller Blutstadien lokalisiert zu sein, wobei durch diese Parasiten keine zusätzlichen Informationen gewonnen werden konnten. Zusammengefasst sprechen unsere Daten für zwei neue Werkzeuge für Kombinationstherapien. Hybridmoleküle sind vielversprechende Werkzeuge zur Heilung von gleichzeitig mit Malaria und HIV infizierten Patienten. Sehr wirksame Antibiotika mit einem breiten Wirkungsspektrum könnten in Artemisinin-Kombinationstherapien nützlich werden, wenn es darum geht, resistente Parasiten zu beseitigen und die Übertragung sowohl der Resistenz als auch der Krankheit zu verringern.