L'analisi del genoma indica che nei topi esistono antifungini polienici meno tossici e più potenti. / Genome Mining Points to Less Toxic, More Potent Polyene Antifungals in Mice

 L'analisi del genoma indica che nei topi esistono antifungini polienici meno tossici e più potenti. / Genome Mining Points to Less Toxic, More Potent Polyene Antifungals in Mice

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Le infezioni fungine stanno diventando una minaccia clinica e globale sempre più difficile da combattere, in parte a causa della resistenza antimicrobica e delle difficoltà nello sviluppo di nuove terapie antifungine. I polieni, una potente classe di farmaci antifungini che comprende l'amfotericina B e la nistatina A1, rimangono tra le opzioni più efficaci per alcune infezioni potenzialmente letali. Tuttavia, la loro utilità è limitata dalla significativa tossicità e dalla scarsa solubilità, poiché le cellule fungine e quelle umane condividono caratteristiche che rendono difficile eliminare i patogeni senza danneggiare i tessuti sani.

Ora, i ricercatori dell'Imperial College di Londra e dell'Università di Manchester affermano di aver utilizzato l'analisi genomica ed un approccio basato sugli enzimi per rimodellare la bioattività dei polieni, generando derivati ​​che hanno mostrato una migliore attività antifungina ed una tossicità ridotta nei test preclinici.

Il gruppo ha utilizzato la risonanza magnetica nucleare (NMR) per determinare le strutture dei polieni scoperti di recente e ha creato una libreria di derivati ​​da testare. "L'aggiunta di un secondo zucchero, combinata con la modificazione del carbossilato, porta a nuovi derivati ​​del poliene con maggiore attività antifungina, minore tossicità e maggiore solubilità rispetto ai polieni di partenza attualmente utilizzati in clinica", scrivono gli autori.

I ricercatori hanno identificato Nys34 come candidato principale dopo che questo composto ha dimostrato una tossicità da tre a otto volte inferiore rispetto all'amfotericina B in diverse linee cellulari umane ed una riduzione del carico fungino in un modello murino di aspergillosi invasiva. Sebbene i topi abbiano tollerato tre dosi ripetute del composto, la tossicità è stata osservata dopo una quarta dose, sottolineando la necessità di ulteriori ottimizzazioni e test.

L'autore senior Jason Micklefield, PhD, professore presso il dipartimento di chimica dell'Imperial College di Londra, ha affermato che il gruppo è stato incoraggiato dall'attività dei derivati. "Siamo stati lieti di scoprire che diversi dei nuovi derivati ​​polienici erano più potenti e meno tossici dell'amfotericina e della nistatina, un altro importante poliene utilizzato anche in ambito clinico", ha dichiarato. "Il progresso chiave è stato l'utilizzo di questi metodi per individuare cluster genici biosintetici che producono polieni con più zuccheri, il che può avere un profondo effetto sulla bioattività. La maggior parte dei polieni esistenti ha un solo gruppo zuccherino."

I ricercatori hanno anche riferito che Nys34 sembra agire in modo diverso dall'amfotericina, una scoperta che potrebbe essere importante se confermata da ulteriori studi. "Siamo rimasti particolarmente sorpresi dal fatto che uno dei composti polienici che abbiamo sviluppato, Nys34, abbia un meccanismo d'azione diverso rispetto ai farmaci polienici esistenti", ha dichiarato Micklefield a GEN. "Si ritiene che i polieni agiscano su componenti della membrana cellulare piuttosto che su un enzima specifico come la maggior parte dei farmaci antimicrobici. Ciò significa che una semplice mutazione in un enzima non può conferire resistenza, ma piuttosto la composizione della membrana cellulare deve essere alterata (od il farmaco degradato da un enzima). Il fatto che Nys34 agisca attraverso un meccanismo diverso dall'amfotericina è un segnale promettente che può eludere la resistenza."

Oltre ai singoli composti, lo studio evidenzia un approccio alternativo per migliorare i farmaci a base di polieni. Poiché i polieni hanno una struttura complessa, modificarli attraverso la chimica convenzionale può richiedere "molti passaggi, un uso estensivo di gruppi protettivi e reagenti dannosi", scrivono gli autori. Gli autori citano un derivato dell'amfotericina B recentemente descritto, con tossicità ridotta, che ha richiesto 12 passaggi chimici con una resa complessiva del prodotto dello 0,7%, illustrando le difficoltà di ottimizzare queste molecole attraverso la sintesi tradizionale.

“ Nei lavori futuri, puntiamo ad approfondire il meccanismo d'azione di Nys34. Inoltre, i metodi che abbiamo sviluppato qui sono ampiamente applicabili ad una vasta gamma di impalcature e substrati polienici (ad esempio, diversi zuccheri). Stiamo attualmente esplorando ulteriori combinazioni di queste modifiche per identificare altri promettenti candidati farmaceutici”, ha aggiunto Micklefield.

Al contrario, questo nuovo approccio potrebbe consentire ai ricercatori di generare polieni modificati tramite fermentazione o processi enzimatici. Il team suggerisce che un tale approccio potrebbe essere più scalabile ed economicamente vantaggioso rispetto alla sintesi multistep convenzionale, sebbene saranno necessari ulteriori studi per determinare se la piattaforma possa supportare lo sviluppo e la produzione al di fuori del laboratorio.

ENGLISH

Fungal infections are becoming an increasingly difficult clinical and global threat, driven in part by antimicrobial resistance and challenges in developing new antifungal treatments. Polyenes, a powerful class of antifungal drugs that includes amphotericin B and nystatin A1, remain among the most effective options for some life-threatening infections. But their usefulness is limited by significant toxicity and poor solubility, because fungal and human cells share features that make it difficult to kill pathogens without harming healthy tissue.

Now, researchers at Imperial College London and The University of Manchester say they have used genome mining and an enzyme-based approach to reshape polyene bioactivity, generating derivatives that showed improved antifungal activity and reduced toxicity in preclinical testing.

The work, described in “Enzymatic glycosylation and amidation reshapes polyene bioactivity,” began with a search for pathways capable of producing previously undescribed polyenes. The researchers then characterized enzymes involved in making and modifying the compounds, including glycosyltransferases that add sugar groups and an amidotransferase that can alter a carboxylate substituent associated with unfavorable properties to reduce toxicity while increasing potency.

“The most effective antifungal agent currently available is a polyene molecule called amphotericin produced by soil bacteria,” says first author Saadia Nasr Mirza, PhD, a postdoctoral research associate at The University of Manchester. “Although amphotericin is very potent, it is highly toxic, so we set out to discover if bacteria can produce different types of polyenes that are safer than amphotericin. We developed a bioinformatics pipeline, which surprisingly showed that many bacterial species have the capability to produce novel polyenes.”

The team used nuclear magnetic resonance (NMR) to determine the structures of recently discovered polyenes and built a library of derivatives for testing. “The addition of a second sugar, combined with carboxylate modification, leads to new polyene derivatives with increased antifungal activity, lower toxicity and higher solubility than the parent polyenes used at present in the clinic,” write the authors.

The researchers identified Nys34 as a leading candidate after it demonstrated three-to-eightfold lower toxicity than amphotericin B in multiple human cell lines and reduced fungal burden in a mouse model of invasive aspergillosis. While mice tolerated three repeat doses of the compound, toxicity was observed after a fourth dose, underscoring the need for further optimization and testing.

Senior author Jason Micklefield, PhD, professor in the department of chemistry at Imperial College London, says the team was encouraged by the activity of the derivatives. “We were pleased to find that several of the new polyene derivatives were more potent and less toxic than amphotericin and nystatin, which is another important polyene that is also used in the clinic,” he said. “The key advance was the use of these methods to find biosynthetic gene clusters that produce polyenes with multiple sugars, which can have a profound effect on bioactivity. Most of the existing polyenes have just one sugar moiety.”

The researchers also reported that Nys34 appeared to act differently from amphotericin, a finding that could be important if confirmed in further studies. “We were particularly surprised that one of polyene compounds we developed, Nys34, has a different mechanism of action to the existing polyene drugs,” Micklefield told GEN. “Polyenes are thought to target components of the cell membrane rather than a specific enzyme like most antimicrobial drugs. This means that a simple mutation in one enzyme cannot confer resistance, but rather the makeup of the cell membrane must be altered (or the drug degraded by an enzyme). The fact that Nys34 acts via a different mechanism to amphotericin is a promising sign that it can evade resistance.”

Beyond the individual compounds, the study highlights an alternative approach to improving polyene drugs. Because polyenes are structurally complex, modifying them through conventional chemistry can require “many steps, extensive use of protecting groups, and deleterious reagents,” write the authors. The authors point to a recently reported amphotericin B derivative with reduced toxicity that required 12 chemical steps with a 0.7% overall product yield, illustrating the challenges of optimizing these molecules through traditional synthesis.

“In future work, we aim to explore Nys34’s mechanism of action. Also, the methods we have developed here are broadly applicable across a wide variety of polyene scaffolds and substrates (e.g. different sugars). We are currently exploring more combinations of these modifications to identify additional promising drug candidates,” added Micklefield.

By contrast, this new approach could allow researchers to generate modified polyenes through fermentation or enzymatic routes. The team suggests that such an approach may be more scalable and cost-effective than conventional multistep synthesis, though additional work will be needed to determine whether the platform can support development and manufacturing beyond the laboratory.

Da:

https://www.genengnews.com/topics/infectious-diseases/genome-mining-points-to-less-toxic-more-potent-polyene-antifungals-in-mice/?_hsenc=p2ANqtz-8Q3OYW2PQjIXF7EHskU46ZjO1sirObFJ4fx3tIq_TBK3aAiYAUycAq9vZjCqYbb532hRc8bml-GaEts_pAWHEt3cOzt4MLrc9PqU6h8EJa_hBB28I&_hsmi=430672706