β를 비가역적으로 억제하는 비고전적 메커니즘

커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 783(2023) 이 기사 인용

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헤마틴 결정화는 말라리아 기생충의 헴 해독에 필수적인 요소이며 항말라리아제에 의한 헤마틴 결정화의 억제는 일반적인 치료 방법입니다. 우리는 높은 결정화 추진력에서 활성화되는 뚜렷한 협력 메커니즘으로 인해 생체 외 생체 모방 조건에서 헤마틴 결정 성장의 돌이킬 수 없는 억제를 입증합니다. 아르테미시닌 대사산물과 퀴놀린 계열 항말라리아제에 제한된 시간 동안 노출된 후 결정 모양이 변하는 것은 아르테미시닌 대사산물과 약물이 용액에서 제거된 후에도 결정 성장이 억제된 상태로 남아 있음을 나타냅니다. 동일한 약제로 말라리아 기생충을 치료하면 3시간 및 6시간 억제제 펄스가 전체 기생충 수명 동안 억제제 노출에 필적하는 효능으로 기생충 성장을 억제한다는 사실이 밝혀졌습니다. 광 산란으로 보완된 시간 분해 현장 원자력 현미경(AFM)은 β-헤마틴 성장 회복을 방지하는 억제제 작용의 두 가지 분자 수준 메커니즘을 보여줍니다. 아르테미시닌의 헤마틴 부가물은 더 큰 성장하는 결정에 통합되는 확장 불가능한 나노 결정의 풍부한 핵 생성을 유발하는 반면, 퀴놀린 계열 약물인 피로나리딘은 단계 다발을 촉진하여 풍부한 전위를 발생시킵니다. 통합된 결정과 전위는 둘 다 격자 변형을 유발하는 것으로 알려져 있으며, 이는 지속되고 결정 성장을 영구적으로 방해합니다. 결정 크기, 크기 분포, 종횡비 및 결정질 재료에 의존하는 수많은 분야에 필수적인 기타 특성을 제어하는 ​​수단으로 핵 생성, 단계 묶음 및 기타 협동 동작을 증폭하거나 축소할 수 있습니다.

헤마틴은 말라리아 기생충이 헤모글로빈1을 대사할 때 소화액포에서 방출되는 헴의 산화 산물입니다. 헤마틴 독성을 방어하기 위해 기생충은 이를 무해한 결정성 헤모조인2으로 격리합니다. 기생충 대사에 의해 생성되는 퀴놀린 계열 항말라리아제3,4 및 아르테미시닌 계열 약물의 헤마틴 부가물과 같은 여러 항말라리아 화합물은 헤마틴 결정화를 억제하여 기생충을 죽이며 독성 유리 헤마틴의 농도를 높입니다. 체류 시간이 제한된 약물이 어떻게 P. falciparum 기생충을 제거하는지 모델링하기 위해 항말라리아제가 억제제가 시스템에서 제거된 후에도 지속되는 헤마틴 결정 성장을 억제하는 경로를 채택할 수 있는지 여부를 조사합니다. 우리는 헤마틴 결정화의 돌이킬 수 없는 억제가 5가지 항말라리아 화합물의 제한된 시간 펄스에 의한 말라리아 기생충의 효과적인 억제와 상관관계가 있는지 여부를 테스트합니다.

우리는 hemozoin1의 합성 유사체인 β-헤마틴 결정(그림 1a)의 성장 억제의 가역성을 탐구합니다. 얻은 결과의 생리학적 관련성을 촉진하기 위해 기생충 소화 액포7,8,9,10의 지질 하위 단계와 유사한 용매 구연산 완충 포화 옥탄올을 사용합니다. 우리는 세 가지 퀴놀린 계열 항말라리아제인 피로나리딘(PY), 클로로퀸(CQ), 메플로퀸(MQ)의 활성과 두 가지 아르테미시닌 계열 약물11,12, 아르테미시닌(H-ART) 및 아르테수네이트(H)의 헤마틴 부가물을 조사했습니다. -ARS)5. 퀴놀린은 생체 내 및 시험관 내에서 헤마틴 결정화를 억제합니다13,14,15. 아르테미시닌 계열 약물의 헤마틴 부가물은 기생충 소화 액포6,16,17에서 헤모글로빈 대사의 산물로 형성되며 헤마틴 결정화도 억제합니다5.

a β-헤마틴 결정 습관과 결정 길이 \(l\) 및 너비 \(w\)의 정의를 보여주는 주사 전자 현미경(SEM) 이미지 및 개략도. 헤마틴 결정 구조에서 회색 구체는 C, 파란색, N, 은, H 및 빨간색, O를 나타냅니다. b 시간에 성장한 β-헤마틴 결정의 SEM 이미지와 (d)에서 (i)-(iii)으로 표시된 조성 10μM의 PY가 있는 경우. c 순수 용액에서 성장하는 동안 결정 모양의 보존 및 억제제와 축 및 측면 결정면의 상호 작용에 의한 \(l\) 또는 \(w\)의 억제제 유발 억제에 대한 도식. 동심 윤곽은 성장 시간이 증가하는 결정 모양을 나타냅니다. d \(l\) 및 \(w\)의 억제 가역성을 테스트하는 데 사용되는 억제제 농도 변화의 도식. 파란색 실선은 3일 동안 억제제 농도 X μM(H-ART, H-ARS 및 PY의 경우 X = 10, CQ의 경우 2, MQ의 경우 5)에 노출된 결정을 나타냅니다. 10일 동안 대사물질이나 약물이 없는 용액입니다. 주황색 점선은 13일 동안 일정한 억제제 농도 X μM로 유지된 결정을 나타냅니다. 보라색 점선은 3일 동안 억제제 농도 X μM에 노출된 결정을 나타냅니다. 짧은 점선 회색 선은 대사물질이나 약물이 없는 용액에서 13일 동안 성장한 대조군을 나타냅니다. 숫자 (i)-(iii)는 PY 존재 하에서 성장하고 패널(b)에 이미지화된 결정의 수확 구성 및 시간을 나타냅니다. e 0.5mM 헤마틴 용액과 출발 용액에 10μM H-ART, H-ARS 및 PY, 2μM CQ 및 5μM MQ가 있는 상태에서 성장한 결정의 길이와 너비. 오차 막대는 ca에 대한 평균의 표준 편차를 나타냅니다. 각 구성 체제 및 성장 시간에 대해 30개의 결정. 수직 녹색 및 빨간색 괄호는 3일과 13일 사이의 성장 동안 발생한 길이 또는 너비를 정의합니다. 수평 녹색 및 빨간색 괄호는 각각 H-ARS의 경우 가역성 기준 1, H-ARS의 경우 기준 2에서 비교되는 길이 및 너비 증분을 연결합니다. PY.