Genetic determinants of malaria therapeutics’ cross resistance with novel compounds

Abstract

In 2019, malaria caused half a million deaths worldwide, being elimination hampered by the ability of Plasmodium falciparum to evolve antimalarial resistance. The efficacy of artemisinin-based combination therapies (ACT) helped to reduce malaria mortality, however, resistance is a reality. Being ACT efficacy threatened, efforts to define the molecular basis of multidrug resistance and the search for new compound, ideally with new mechanisms of action, are urgently in need. Within the parasite, most of the available antimalarials act at the host’s intraerythrocytic stage. Here, many drugs are housed in the digestive vacuole of the parasite with flux promoted by transporter proteins, such as the Plasmodium falciparum multidrug resistance protein 1 (PfMDR1), a well-known ACT resistance player. We explored the interplay of known pfmdr1 resistance markers, namely, gene copy number variation with N86Y and Y184F single nucleotide polymorphisms to unravel the complex traits that might serve to maximize ACT resistance. Using genomic epidemiology, a global prevalence and temporal changes of pfmdr1 polymorphisms were assessed and, taking into account the information from this database, through a gene editing approach, we create in vitro edited parasite lines to evaluate the impact of these polymorphisms in the kinetics of the transporter. This data provided evidence of specific multicopy PfMDR1 with N86/184F haplotype, geographic selection and expansion in Southeast Asia. The genetic tools created could help on finding drugs with potential of reverting a multidrug resistance phenotype, as the herein explored synthetic compounds derived from steroids, a class of molecules with relevant biological activities. Structure–activity relationship led to the synthesis of steroid derivatives with promising antimalarial activity against the blood stage of the parasite’s life cycle with high selectivity and independent of PfMDR1. Exploring possible mechanisms of action of the best compound, revealed induction of oxidative stress inside the parasite and interference with the metabolic process that leads to hemozoin formation inside the digestive vacuole of the parasite. Overall, the findings presented could help tailor and optimize present antimalarial drug usage by taking into account the regional prevalence of pfmdr1 polymorphisms and highlights the high potential of the newly developed compounds, thereby underscoring the possibility to develop new antimalarial drugs based on steroids.

Em 2019, a malária causou meio milhão de mortes mundialmente, sendo a eliminação dificultada pela capacidade do Plasmodium falciparum desenvolver resistência aos antimaláricos atuais. A eficácia da terapia de combinação baseadas em artemisinina (ACT) ajudou a reduzir a mortalidade provocada pela malária, no entanto, a resistência é uma realidade. A eficácia do ACT está comprometida, as tentativas para definir as bases moleculares da multirresistência e a procura por novos compostos, idealmente com novos mecanismos de ação, são urgentes. No parasita, a maioria dos antimaláricos atua no estadio intra-eritrocítico. Muitos são alojados no vacúolo digestivo do parasita através do fluxo promovido por proteínas transportadoras, como a “Plasmodium falciparum multidrug resistance protein 1” (PfMDR1), um fator envolvido na resistência aos ACTs. Neste trabalho foi explorada a interação de marcadores de resistência conhecidos no pfmdr1, ou seja, variação do número de cópias do gene com polimorfismos no nucleótido N86Y e Y184F para tentar descobrir as características que ajudam a maximizar a resistência aos ACTs. Usando epidemiologia genómica, a prevalência e alterações temporais dos polimorfismos no pfmdr1 foram avaliadas tendo em consideração a informação obtida desta base de dados, através de edição de genes, geramos in vitro parasitas editados para avaliar o impacto desses polimorfismos na cinética do transportador. Isto desvendou evidências acerca do haplótipo específico de multicópias com N86/184F, sobre a seleção geográfica e expansão no Sudeste Asiático. As ferramentas genéticas criadas podem auxiliar na descoberta de fármacos com potencial para reverter o fenótipo de resistência, como os compostos sintéticos derivados de esteróides explorados nesta tese, uma classe de moléculas com atividade biológica relevante. A relação estrutura-atividade levou à síntese de esteróides com uma atividade promissora contra o estadio intra-eritrocítico do ciclo de vida do parasita com grande seletividade e independência do PfMDR1. Os mecanismos de ação do melhor composto foi também explorados, revelando indução de stress oxidativo no parasita e uma interferência no processo metabólico que leva à formação de hemozoína. Concluindo, os resultados apresentados podem ajudar a adaptar e otimizar o uso dos antimaláricos atuais, tendo em consideração a prevalência regional dos polimorfismos no pfmdr1 e, destaca também o grande potencial dos compostos recentemente desenvolvidos, demonstrando a possibilidade de desenvolver novos antimaláricos baseados em esteróides.