Неклассические механизмы необратимого подавления β

Биология связи, том 6, Номер статьи: 783 (2023) Цитировать эту статью

331 Доступов

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Кристаллизация гематина является важным элементом детоксикации гема малярийных паразитов, а ее ингибирование противомалярийными препаратами является распространенным методом лечения. Мы демонстрируем в биомиметических условиях in vitro необратимое ингибирование роста кристаллов гематина благодаря различным кооперативным механизмам, которые активируются при высоких движущих силах кристаллизации. Эволюция формы кристаллов после ограниченного времени воздействия как метаболитов артемизинина, так и противомалярийных препаратов класса хинолина указывает на то, что рост кристаллов остается подавленным после того, как метаболиты артемизинина и лекарства выводятся из раствора. Лечение малярийных паразитов одними и теми же препаратами показывает, что трех- и шестичасовые импульсы ингибитора подавляют рост паразита с эффективностью, сравнимой с эффективностью воздействия ингибитора в течение всей жизни паразита. Атомно-силовая микроскопия с временным разрешением in situ (АСМ), дополненная светорассеянием, выявляет два механизма ингибиторного действия на молекулярном уровне, которые предотвращают восстановление роста β-гематина. Гематиновые аддукты артемизининов вызывают обильное зародышеобразование нерасширяемых нанокристаллов, которые объединяются в более крупные растущие кристаллы, тогда как пиронаридин, препарат класса хинолинов, способствует образованию ступенчатых группировок, которые эволюционируют, образуя многочисленные дислокации. Известно, что как внедренные кристаллы, так и дислокации вызывают деформацию решетки, которая сохраняется и постоянно препятствует росту кристаллов. Нуклеация, ступенчатое группирование и другие совместные действия могут быть усилены или сокращены как средства контроля размеров кристаллов, распределения размеров, соотношений сторон и других свойств, важных для многочисленных областей, в которых используются кристаллические материалы.

Гематин является продуктом окисления гема, высвобождаемого в пищеварительной вакуоли малярийных паразитов при метаболизме гемоглобина1. Чтобы защититься от токсичности гематина, паразиты изолируют его в безобидный кристаллический гемозоин2. Некоторые противомалярийные соединения, такие как противомалярийные препараты класса хинолина3,4 и гематиновые аддукты препаратов класса артемизинина, образующиеся в результате метаболизма паразитов5,6, убивают паразитов, ингибируя кристаллизацию гематина, что повышает концентрацию токсичного свободного гематина. Чтобы смоделировать, как препараты с ограниченным временем действия уничтожают паразитов P. falciparum, мы исследуем, могут ли противомалярийные препараты действовать по пути, приводящим к ингибированию роста кристаллов гематина, который сохраняется после удаления ингибитора из системы. Мы проверяем, коррелирует ли необратимое ингибирование кристаллизации гематина с эффективным подавлением малярийных паразитов с помощью ограниченных по времени импульсов пяти противомалярийных соединений.

Мы исследуем обратимость ингибирования роста кристаллов β-гематина (рис. 1а) – синтетического аналога гемозоина1. Чтобы повысить физиологическую значимость полученных результатов, мы используем в качестве растворителя октанол, насыщенный лимонным буфером, аналог липидной субфазы пищеварительной вакуоли паразита7,8,9,10. Мы исследовали активность трех противомалярийных препаратов класса хинолина: пиронаридина (PY), хлорохина (CQ) и мефлохина (MQ), а также гематиновых аддуктов двух препаратов класса артемизинина11,12: артемизинина (H-ART) и артесуната (H). -АРС)5. Хинолины ингибируют кристаллизацию гематина как in vivo, так и in vitro13,14,15. Гематиновые аддукты препаратов класса артемизинина образуются как продукт метаболизма гемоглобина в пищеварительной вакуоли паразита6,16,17 и также подавляют кристаллизацию гематина5.

a Изображение и схема, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), иллюстрирующие габитус кристаллов β-гематина и определения длины кристалла \(l\) и ширины \(w\). В кристаллической структуре гематина серые сферы обозначают C, синий, N, серебро, H и красный, O. b СЭМ-изображения кристаллов β-гематина, выращенных в моменты времени и составы, обозначенные (i) – (iii) в (d) в присутствии 10 мкМ PY. в Схема сохранения формы кристалла при росте в чистых растворах и подавления ингибитором \(l\) или \(w\) за счет взаимодействия ингибитора с осевой и латеральной гранями кристалла соответственно. Концентрические контуры обозначают форму кристаллов при увеличении времени роста. d Схема изменения концентрации ингибитора, используемая для проверки обратимости ингибирования \(l\) и \(w\). Сплошная синяя линия указывает на кристаллы, подвергшиеся воздействию ингибитора в концентрации X мкМ (где X = 10 для H-ART, H-ARS и PY; 2 для CQ; и 5 для MQ) в течение 3 дней, после чего кристаллы подвергались воздействию раствор, не содержащий метаболитов или лекарств, в течение 10 дней. Оранжевая пунктирная линия представляет кристаллы, которые хранились при постоянной концентрации ингибитора X мкМ в течение 13 дней. Пунктирная фиолетовая линия указывает на кристаллы, подвергнутые воздействию ингибитора в концентрации X мкМ в течение 3 дней; короткая пунктирная серая линия обозначает контрольные образцы, которые росли в растворе, не содержащем метаболитов или лекарств, в течение 13 дней. Числа (i)–(iii) обозначают состав и время сбора кристаллов, выращенных в присутствии PY и изображенных на панели (б). e Длина и ширина кристаллов, выращенных в растворах гематина с концентрацией 0,5 мМ и в присутствии 10 мкМ H-ART, H-ARS и PY, 2 мкМ CQ и 5 мкМ MQ в исходном растворе. Столбики ошибок отображают стандартные отклонения от средних значений за период ок. По 30 кристаллов для каждого режима состава и времени роста. Вертикальные зеленые и красные скобки обозначают длину или ширину, накопленную во время роста между 3-м и 13-м днями. Горизонтальные зеленые и красные скобки связывают приращения длины и ширины, которые сравниваются соответственно по критерию обратимости 1 для H-ARS и критерию 2 для H-ARS. ПЯ.