У малярийных паразитов во всем мире быстро развивается устойчивость к лекарствам первой линии, что угрожает свести на нет многолетний прогресс в снижении смертности от этой болезни.
Новые изображения ключевого посредника лекарственной устойчивости паразита, сделанные с помощью одночастичной криоэлектронной микроскопии группой ученых из Колледжа врачей и хирургов Вагелоса Колумбийского университета, теперь дают исследователям подсказки о том, как бороться с устойчивостью.
Исследование показывает, что лекарственная устойчивость малярийного паразита связана с определенным белком, и показывает, как мутации в белке позволяют паразиту изгнать лекарство.
Новое открытие может помочь ученым найти способы восстановить эффективность лекарств и позволит чиновникам здравоохранения в других частях мира отслеживать возникающую резистентность.
"Борьба с малярией заглохла," говорит Дэвид Фидок, доктор философии.D., C.S. Хэмиш Янг, профессор микробиологии & Иммунология, возглавлявшая работу с Филиппо Мансией, доктором философии.D., доцент физиологии & клеточная биофизика, и Маттиас Квик, Ph.D., доцент нейробиологии (психиатрия). "Раскрытие молекулярных основ устойчивости необходимо для продления эффективности существующих лекарств и разработки новых."
Исследование было опубликовано ноябрь. 27 в журнале Nature.
В течение почти 15 лет препарат пиперахин, или PPQ, использовался во всем мире для лечения людей, инфицированных малярийным паразитом. Препарат в сочетании с артемизинином помог сократить количество смертей, вызванных этим заболеванием, с более чем 1 миллиона в 2004 году до примерно 435000 в 2017 году. Болезнь поражает более 220 миллионов человек каждый год по всему миру, включая Африку, Юго-Восточную Азию, Западную часть Тихого океана и Южную Америку. Почти все смертельные инфекции происходят у африканских детей раннего возраста.
Но сопротивление PPQ недавно резко возросло в Юго-Восточной Азии. "В некоторых регионах передовая комбинация PPQ с дигидроартемизинином (который также потерял устойчивость) теперь эффективен только у 13% пациентов, что делает этот препарат практически бесполезным в этих регионах," Фидок говорит.
Это исследование в Nature показывает, что источником устойчивости к PPQ является белок малярийного паразита, называемый PfCRT.
PfCRT – это тот же белок, который имел опосредованную устойчивость к бывшему препарату первой линии, хлорохину (CQ).
Это совпадение может создать новые возможности для лечения, поскольку новые мутации, которые распространяются со скоростью лесного пожара по Юго-Восточной Азии, часто заставляют паразитов терять устойчивость к хлорохину. Комбинация противомалярийных препаратов может помочь в лечении лекарственно-устойчивых и чувствительных паразитарных инфекций.
Устойчивые паразиты выплевывают лекарство
Противомалярийные препараты CQ и PPQ действуют, проникая в пищеварительную вакуоль паразита (отдел, напоминающий желудок) и изменяя его так, что паразит отравляет себя собственными токсичными отходами, образованными из переваренного гемоглобина.
PfCRT находится в мембране вакуоли, а расположение мутаций – внутри центральной полости PfCRT – еще раз подтверждает наблюдение, что резистентные паразиты используют вариантные формы этого белка, чтобы вытеснить лекарство из вакуоли.
"Похоже, белок выплевывает лекарство из желудка паразита," говорит Мансия, "держать его подальше от цели."
Хотя изображения вызывали воспоминания, биохимическое тестирование транспортных свойств PfCRT было необходимо, чтобы подтвердить подозрения исследователей. Произведя другие мутации в белке и проверив их способность связываться с лекарствами и транспортировать, Квик обнаружил, что только мутации в центральной полости белка дают PfCRT способность вытеснять лекарство из вакуоли.
Ученые теперь могут предсказать, как возникнет сопротивление в других частях мира
Имея в руках изображения PfCRT в сочетании с местоположением и свойствами мутаций, вызывающих устойчивость, теперь можно предсказать, как устойчивость к PPQ возникнет в других частях мира.
"Ген PfCRT сложно секвенировать, поэтому людям было трудно его контролировать," Фидок говорит, "В PfCRT есть сотни участков, которые могут быть видоизменены, но теперь мы можем сказать, что достаточно взглянуть на них в центральной полости с особыми структурными и консервационными свойствами. Они единственные, кто может вызвать сопротивление."
Основываясь на том, что сейчас известно, Фидок говорит, что Южная Америка может стать следующим местом, где PPQ потерпит неудачу. Результаты, представленные в этом отчете, уже показывают одну такую мутацию в PfCRT, которая, если она появится и распространится в Южной Америке, приведет к высокому уровню устойчивости и увеличит риск неудач лечения.
"Опередить «кривую лекарственной устойчивости», зная, где искать в геноме паразита, будет иметь решающее значение для определения того, где возникает устойчивость, и наличия времени для перехода к альтернативным стратегиям лечения," Фидок говорит.
Фидок и Квик в настоящее время проверяют, будут ли мутации PfCRT, выявленные у азиатских малярийных паразитов, также вызывать устойчивость к PPQ у африканских паразитов, которые генетически различны и вызывают подавляющее большинство глобального бремени малярии. Эти эксперименты могут также помочь официальным лицам в Африке, которые планируют более широко применять PPQ в районах с высокой степенью передачи и которым необходимо знать, как отслеживать признаки возникающего сопротивления.
Исследование предлагает способы восстановить эффективность противомалярийных препаратов
Паразиты задействовали PfCRT в своей борьбе с противомалярийными препаратами, но исследователи также могут использовать PfCRT для восстановления эффективности PPQ и аналогичных препаратов.
"Возможно, мы сможем восстановить эффективность этих лекарств с помощью агента, который полностью блокирует способность этого белка транспортировать что-либо," говорит Фидок, который работает с коллегами над разработкой паразитарных экранов для выявления потенциальных соединений-кандидатов.
"Это сделало бы PPQ и более ранний препарат первой линии хлорохин полностью функциональным."
Ограничения нобелевской техники для получения изображений
Малярийный белок (49 кДа) является одной из самых маленьких молекул такого типа, которые можно визуализировать с помощью криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ), которая обычно ограничивается белками размером не менее 100 кДа. PfCRT необходимо было заполнить фрагментом антитела, прежде чем его можно будет увидеть под электронным микроскопом. Этот фрагмент, который, как было установлено, связывается с центральной полостью PfCRT, позволил исследователям увидеть PfCRT под разными углами, что было необходимо для создания трехмерной модели.
Небольшой рост PfCRT был не единственной проблемой в получении четких изображений с помощью крио-ЭМ. PfCRT обычно окружен липидами, встроенными в биологическую мембрану, поэтому для экстракции и очистки белка требовалось использование детергентов, создавая часто дестабилизирующую и неприродную среду для изображения белка. Исследователи обошли эту проблему, создав наноразмерные липидные диски, чтобы удерживать PfCRT в почти естественном состоянии, не скрывая важные детали из поля зрения.