Malattia del sonno: il risveglio dei farmaci dedicati al metabolismo del parassita

La malattia del sonno (tripanosomiasi africana) è una malattia tropicale causata dal parassita Trypanosoma brucei, che viene trasmesso dal morso delle mosche tse-tse, che popolano gran parte dell’Africa tropicale. Nel corpo, il parassita si moltiplica prima sotto la pelle, nel sangue e nel sistema linfatico e quindi migra verso il sistema nervoso centrale. Se non trattata, la malattia è quasi sempre fatale. Grazie a misure di controllo intensivo, il numero di casi registrati è diminuito drasticamente negli ultimi anni. Tuttavia, la malattia del sonno è ancora considerata una delle malattie tropicali più significative. Secondo l’Organizzazione mondiale della sanità, oltre 60 milioni di persone nelle aree rurali dell’Africa subsahariana sono a rischio. Guerra, sfollamenti e migrazioni possono far divampare la malattia. Nella ricerca di un possibile punto di partenza per farmaci contro il patogeno, i ricercatori avevano preso di mira un enzima centrale dell’organismo unicellulare, l’inosina-5′-monofosfato deidrogenasi (IMPDH). Questo enzima appartiene all’inventario centrale di ogni organismo ed è un bersaglio interessante per i farmaci perché regola la concentrazione di due nucleotidi vitali nella cellula: guanosina difosfato e guanosina trifosfato. La cellula ha bisogno di questi nucleotidi per fornire energia e costruire strutture più grandi come il genoma. Interrompendo questo ciclo, la cellula muore.

L’enzima ha una sorta di interruttore on / off che viene attivato dal docking delle molecole proprie della cellula. Un approccio promettente è bloccare questo interruttore con una molecola su misura. Per costruire un tale inibitore, è necessario conoscere l’esatta struttura spaziale dell’interruttore. I biologi strutturali possono determinare la struttura delle biomolecole usando i raggi X. Per fare questo, prima coltivano piccoli cristalli dalle biomolecole, che quindi generano caratteristici schemi di diffrazione quando illuminati con i raggi X. Da questi schemi si può calcolare la struttura atomica del cristallo e i suoi mattoni, le biomolecole. Questo approccio è spesso complicato dall’intrattabilità della maggior parte delle biomolecole contro la formazione di cristalli. E se tali cristalli possono essere coltivati, di solito sono estremamente sensibili ai raggi X ad alta energia e vengono rapidamente distrutti. Sebbene le strutture di numerose deidrogenasi IMP siano già note, non vi è stato alcun successo nella crescita dei cristalli della versione T. brucei dell’enzima. Le università di Amburgo, Lubecca e Tubinga, l’Accademia delle scienze russa, la State University dell’Arizona, il Lawrence Livermore National Laboratory negli Stati Uniti, il Max Planck Institute for Medical Research, il National Accelerator Laboratory SLAC degli Stati Uniti e l’Università di Göteborg sono stati coinvolti in questa ricerca.

Il team ha quindi scelto una via alternativa: il gruppo del coautore Michael Duszenko dell’Università di Tubinga ha indotto alcune cellule di insetto a cristallizzare le biomolecole al loro interno. Usando questa cosiddetta cristallizzazione in-cellulo, la stessa squadra aveva già decifrato un altro enzima chiave del patogeno della malattia del sonno, la catepsina B, che è anche un potenziale bersaglio del farmaco. Si è scoperto che le cellule di insetto alterate producono anche cristalli della deidrogenasi ora studiati. Questi cristalli formano piccoli aghi di circa 5 millesimi di millimetro (5 micrometri) di spessore e fino a 70 micrometri di lunghezza, in modo che sporgessero dalle cellule produttrici. I cristalli in cellulo sono così piccoli che per analizzarli sono necessari raggi X molto luminosi. Più è grande un cristallo, più atomi al suo interno possono disperdere i raggi X, causando un migliore schema di diffrazione. I ricercatori hanno quindi utilizzato il laser a raggi X LCLS presso il National Accelerator Laboratory negli Stati Uniti per l’analisi. Sebbene i cristalli sensibili evaporino immediatamente, prima generano un modello di diffrazione da cui è possibile ottenere la struttura. Il metodo usato qui per sfruttare queste proprietà, chiamato cristallografia al femtosecondo seriale, è stato sviluppato in precedenza da molti dei ricercatori coinvolti in questo studio e chiamato una delle prime dieci scoperte dell’anno della rivista Science nel 2013.

Il team ha registrato i modelli di diffrazione di oltre 22.000 microcristalli ed è stato in grado di calcolare la struttura spaziale dell’enzima con una precisione di 0,28 nanometri, che corrisponde approssimativamente al diametro di un atomo di alluminio. Il risultato non mostra solo la struttura esatta dell’interruttore enzimatico, la regione di Bateman, ma anche quali molecole della cellula attivano l’interruttore e come questi cosiddetti cofattori si legano all’interruttore enzimatico. L’interruttore è gestito dal molecole di adenosina trifosfato (ATP) e guanosina monofosfato (GMP). Secondo il ricercatore, i dati potrebbero ora fornire un approccio per inibire l’enzima del parassita. Si potrebbe pensare di costruire un tipo di chiusura che coprirebbe i siti di legame di entrambi i co-fattori, ad esempio. Tuttavia, una sfida rimanente è quella di progettare l’inibitore della deidrogenasi IMP in un modo così specifico da bloccare l’enzima del parassita, ma non l’enzima umano. Se ciò ha esito positivo, il metodo potrebbe potenzialmente essere esteso ad altri agenti patogeni Altri parassiti hanno una struttura molto simile e potrebbe anche essere possibile attaccare quelli attraverso la rispettiva deidrogenasi IMP. L’enzima è un bersaglio molto interessante per i farmaci, ad esempio contro la tenia o l’agente patogeno dell’elefantiasi tropicale.

  • a cura del Dr. GIanfrancesco Cormaci, PhD, spcialista in Biochimica Clinica.

Pubblicazioni scientifiche

Nass K et al., Betzel C. Nat Commun. 2020 Jan 30; 11(1):620.

Suganuma K et al. Antimicrob Agents Chemother. 2016; 60:4391. 

Bessho T et al., Kubata KB. Parasitology 2013 May; 140(6):735-45. 

Informazioni su Dott. Gianfrancesco Cormaci 1971 Articoli
- Laurea in Medicina e Chirurgia nel 1998 (MD Degree in 1998) - Specialista in Biochimica Clinica nel 2002 (Clinical Biochemistry specialty in 2002) - Dottorato in Neurobiologia nel 2006 (Neurobiology PhD in 2006) - Ha soggiornato negli Stati Uniti, Baltimora (MD) come ricercatore alle dipendenze del National Institute on Drug Abuse (NIDA/NIH) e poi alla Johns Hopkins University, dal 2004 al 2008. - Dal 2009 si occupa di Medicina personalizzata. - Detentore di un brevetto sulla preparazione di prodotti gluten-free a partire da regolare farina di frumento immunologicamente neutralizzata (owner of a patent concerning the production of bakery gluten-free products, starting from regular wheat flour). - Autore di un libro riguardante la salute e l'alimentazione, con approfondimenti su come questa condizioni tutti i sistemi corporei. - Autore di articoli su informazione medica, salute e benessere sui siti web salutesicilia.com e medicomunicare.it