Mecanismos não clássicos para suprimir irreversivelmente β

Biologia das Comunicações, volume 6, número do artigo: 783 (2023) Citar este artigo

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A cristalização da hematina é um elemento essencial da desintoxicação do heme dos parasitas da malária e a sua inibição por medicamentos antimaláricos é uma via de tratamento comum. Demonstramos em condições biomiméticas in vitro a inibição irreversível do crescimento de cristais de hematina devido a mecanismos cooperativos distintos que são ativados em forças motrizes de alta cristalização. A evolução da forma do cristal após exposição por tempo limitado aos metabólitos da artemisinina e aos antimaláricos da classe da quinolina indica que o crescimento do cristal permanece suprimido após os metabólitos da artemisinina e os medicamentos serem eliminados da solução. O tratamento dos parasitas da malária com os mesmos agentes revela que pulsos inibidores de três e seis horas inibem o crescimento do parasita com eficácia comparável à da exposição ao inibidor durante toda a vida do parasita. A microscopia de força atômica in situ (AFM) resolvida no tempo, complementada por espalhamento de luz, revela dois mecanismos de ação inibidora em nível molecular que impedem a recuperação do crescimento da β-hematina. Os adutos de hematina das artemisininas incitam a nucleação copiosa de nanocristais não extensíveis, que se incorporam em cristais maiores em crescimento, enquanto a pironaridina, uma droga da classe das quinolinas, promove cachos escalonados, que evoluem para gerar luxações abundantes. Sabe-se que tanto os cristais incorporados quanto os deslocamentos induzem tensão na rede, que persiste e impede permanentemente o crescimento do cristal. Nucleação, agrupamento de etapas e outros comportamentos cooperativos podem ser amplificados ou reduzidos como meios para controlar tamanhos de cristais, distribuições de tamanho, proporções de aspecto e outras propriedades essenciais para vários campos que dependem de materiais cristalinos.

A hematina é o produto da oxidação do heme liberado no vacúolo digestivo dos parasitas da malária à medida que metabolizam a hemoglobina1. Para se defender contra a toxicidade da hematina, os parasitas a sequestram na inócua hemozoína cristalina2. Vários compostos antimaláricos, como os antimaláricos da classe da quinolina3,4 e os adutos de hematina dos medicamentos da classe da artemisinina, produzidos pelo metabolismo do parasita5,6, matam os parasitas ao inibir a cristalização da hematina, o que aumenta a concentração de hematina livre de tóxicos. Para modelar como os medicamentos com tempos de residência limitados eliminam os parasitas P. falciparum, investigamos se os antimaláricos podem adotar vias que levam à inibição do crescimento de cristais de hematina que dura após um inibidor ter sido removido do sistema. Testamos se a inibição irreversível da cristalização da hematina se correlaciona com a supressão eficaz dos parasitas da malária por pulsos de tempo limitado de cinco compostos antimaláricos.

Exploramos a reversibilidade da inibição do crescimento de cristais de β-hematina (Fig. 1a), um análogo sintético da hemozoína1. Para promover a relevância fisiológica dos resultados obtidos, utilizamos como solvente octanol saturado com tampão cítrico, um análogo da subfase lipídica no vacúolo digestivo do parasita7,8,9,10. Nós investigamos a atividade de três antimaláricos da classe quinolina, pironaridina (PY), cloroquina (CQ) e mefloquina (MQ), e os adutos de hematina de dois medicamentos da classe artemisinina11,12, artemisinina (H-ART) e artesunato (H -ARS)5. As quinolinas inibem a cristalização da hematina tanto in vivo quanto in vitro13,14,15. Os adutos de hematina dos medicamentos da classe da artemisinina formam-se como produto do metabolismo da hemoglobina no vacúolo digestivo do parasita6,16,17 e também suprimem a cristalização da hematina5.

a Uma imagem e um esquema de microscopia eletrônica de varredura (SEM) ilustrando o hábito do cristal de β-hematina e as definições de comprimento do cristal \(l\) e largura \(w\). Na estrutura cristalina da hematina, as esferas cinza representam C, azul, N, prata, H e vermelho, O. b Imagens SEM de cristais de β-hematina cultivados em tempos e composições indicadas com (i) – (iii) em (d) na presença de 10 μM de PY. c Esquema de preservação da forma do cristal durante o crescimento em soluções puras e supressão induzida por inibidor de \(l\) ou \(w\) pela interação de um inibidor com faces axiais e laterais do cristal, respectivamente. Contornos concêntricos denotam a forma do cristal em tempos crescentes de crescimento. d Esquema de variação da concentração do inibidor usado para testar a reversibilidade da inibição de \(l\) e \(w\). A linha azul sólida indica cristais expostos a uma concentração de inibidor X μM (onde X = 10 para H-ART, H-ARS e PY; 2 para CQ; e 5 para MQ) por 3 dias, após os quais os cristais foram expostos a um solução livre de metabólitos ou medicamentos por 10 dias. A linha tracejada laranja representa cristais que foram mantidos em uma concentração constante de inibidor X μM por 13 dias. A linha roxa pontilhada indica cristais expostos à concentração do inibidor X μM por 3 dias; a linha cinza tracejada curta indica controles que cresceram em uma solução livre de metabólitos ou drogas por 13 dias. Os números (i) – (iii) indicam composições e tempos de colheita de cristais cultivados na presença de PY e visualizados no painel (b). e Comprimentos e larguras de cristais cultivados em soluções de hematina 0,5 mM e na presença de 10 μM de H-ART, H-ARS e PY, 2 μM de CQ e 5 μM de MQ na solução inicial. As barras de erro representam os desvios padrão das médias acima de ca. 30 cristais para cada regime de composição e tempo de crescimento. Os colchetes verticais verdes e vermelhos definem o comprimento ou largura acumulado durante o crescimento entre os dias 3 e 13. Os colchetes horizontais verdes e vermelhos ligam os incrementos de comprimento e largura que são comparados, respectivamente, no critério de reversibilidade 1, para H-ARS, e no critério 2, para PI.