Podróż naukowa trwająca od dziesięcioleci na Uniwersytecie Duke’a pozwoliła znaleźć nową strategię antybiotykową w celu pokonania bakterii Gram-ujemnych, takich jak Salmonella, Pseudomonas i E. coli, winowajców wielu infekcji dróg moczowych (ZUM). Syntetyczna cząsteczka działa szybko i jest trwała w testach na zwierzętach.
Działa poprzez zakłócanie zdolności bakterii do tworzenia zewnętrznej warstwy lipidowej, że tak powiem, skóry.
„Jeśli zakłócisz syntezę zewnętrznej błony bakteryjnej, bakterie nie mogą bez niej przetrwać” – powiedział główny badacz Pei Zhou, profesor biochemii w Duke School of Medicine. „Nasz związek jest bardzo dobry i bardzo silny”.
Związek o nazwie LPC-233 jest małą cząsteczką, która okazała się skuteczna w niszczeniu biosyntezy lipidów błony zewnętrznej u każdej bakterii Gram-ujemnej, przeciwko której była testowana. Współautorzy z Uniwersytetu w Lille we Francji przetestowali go na kolekcji 285 szczepów bakteryjnych, w tym niektórych wysoce opornych na komercyjne antybiotyki, i zabił je wszystkie.
I działa szybko. „LPC-233 może zmniejszyć żywotność bakterii 100 000-krotnie w ciągu czterech godzin” – powiedział Zhou.
Związek jest również wystarczająco wytrzymały, aby przetrwać całą drogę do dróg moczowych po podaniu doustnym, co może uczynić go niezbędnym narzędziem w walce z uporczywymi infekcjami dróg moczowych (ZUM).
Testy przeprowadzone przy wysokich stężeniach związku wykazały „niezwykle niskie wskaźniki spontanicznych mutacji oporności u tych bakterii”, zgodnie z artykułem opisującym odkrycia, który ukazał się 9 sierpnia w Science Translational Medicine.
W badaniach na zwierzętach związek był skuteczny po podaniu doustnym i dożylnym lub wstrzyknięciu do jamy brzusznej. W jednym eksperymencie myszy, którym podano śmiertelną dawkę wielolekoopornych bakterii, zostały uratowane przez nowy związek.
Poszukiwania tego związku trwały dziesięciolecia ze względu na specyficzność i bezpieczeństwo wymagane od syntetycznej cząsteczki.
Zhou przypisuje swojemu zmarłemu współpracownikowi, byłemu przewodniczącemu Duke Biochemistry Christianowi Raetzowi, rozpoczęcie poszukiwań dziesiątki lat temu. „Spędził całą swoją karierę pracując nad tą ścieżką” – powiedział Zhou. „Dr Raetz zaproponował koncepcyjny plan tej ścieżki w latach 80., a zidentyfikowanie wszystkich graczy zajęło mu ponad dwie dekady” – powiedział Zhou.
Celem nowego leku jest enzym zwany LpxC, który jest drugim enzymem w „szlaku Raetza” i jest niezbędny do wytwarzania lipidów błony zewnętrznej bakterii Gram-ujemnych.
Raetz dołączył do Duke’a jako przewodniczący biochemii w 1993 roku po tym, jak jego praca nad tą ścieżką w Merck & Co. nie przyniosła udanego kandydata klinicznego. Antybiotyk Merck działał, ale tylko przeciwko E. coli, więc nie był opłacalny komercyjnie i firma farmaceutyczna go porzuciła.
„Właściwie zwerbował mnie do Duke, abym pracował nad tym enzymem, początkowo tylko z perspektywy biologii strukturalnej”, powiedział Zhou, który przyszedł do Duke w 2001 roku.
Zhou i Raetz rozwiązali strukturę enzymu LpxC i ujawnili szczegóły molekularne kilku potencjalnych inhibitorów. „Zdaliśmy sobie sprawę, że możemy zmodyfikować mieszankę, aby była lepsza” – powiedział Zhou. Od tego czasu Zhou współpracuje ze swoim kolegą, profesorem Duke Chemistry, Ericem Toone, nad stworzeniem silniejszych inhibitorów LpxC.
Pierwsza próba inhibitorów LpxC na ludziach zakończyła się niepowodzeniem z powodu toksyczności sercowo-naczyniowej. Celem dalszych prac grupy Duke było uniknięcie skutków sercowo-naczyniowych przy jednoczesnym utrzymaniu mocy związku.
Pracowali nad ponad 200 różnymi wersjami inhibitora enzymu, zawsze szukając lepszego bezpieczeństwa i większej mocy. Inne związki działały w różnym stopniu, ale związek numer 233 zwyciężył.
LPC-233 pasuje do miejsca wiązania enzymu LpxC i uniemożliwia mu wykonywanie swojej pracy. „Pasuje we właściwy sposób, hamując tworzenie się lipidów” – powiedział Zhou. „Zablokujemy system”.
Dodając do swojej trwałości, związek działa w niezwykłym dwuetapowym procesie, powiedział Zhou. Po początkowym związaniu z LpxC, kompleks enzym-inhibitor nieco zmienia swój kształt, stając się jeszcze bardziej stabilnym kompleksem.
Czas życia inhibitora wiążącego w tym bardziej stabilnym kompleksie jest dłuższy niż czas życia bakterii. „Uważamy, że przyczynia się to do siły działania, ponieważ ma półtrwały wpływ na enzym” – powiedział. „Nawet po tym, jak niezwiązany lek jest metabolizowany przez organizm, enzym jest nadal hamowany z powodu niezwykle powolnego procesu dysocjacji inhibitora” – powiedział Zhou.
Istnieje wiele wniosków patentowych dotyczących serii związków, a Toone i Zhou są współzałożycielami firmy o nazwie Valanbio Therapeutics, Inc., która będzie poszukiwać partnerów, którzy przeprowadzą LPC-233 przez fazę 1 badań klinicznych w celu oceny bezpieczeństwa i skuteczności w ludzie.
„Wszystkie te badania przeprowadzono na zwierzętach” – powiedział Zhou. „Ostatecznie bezpieczeństwo sercowo-naczyniowe musi zostać przetestowane na ludziach”.
Synteza LPC-233 na dużą skalę została po raz pierwszy przeprowadzona przez Davida Goodena w Duke Small Molecule Synthesis Facility. Vance Fowler i Joshua Thaden (Duke School of Medicine), Ziqiang Guan (biochemia) i Ivan Spasojevic (Duke PK/PD Core) pomagali w badaniach in vivo, spektrometrii mas i analizie farmakokinetyki.
Ta praca była wspierana przez granty z National Institutes of Health (R01 GM115355, AI094475, AI152896, AI148366), North Carolina Biotechnology Center (2016-TEG-1501) oraz National Cancer Institute Comprehensive Cancer Center Core Grant (P30CA014236).