Interplay between malaria, crystalline hemozoin formation and antimalarial drug action and design

Weissbuch I, Leiserowitz L. Interplay between malaria, crystalline hemozoin formation and antimalarial drug action and design. Chem Rev; 108 (11): 4899-4914.

Resumen por:

Cristel Alfaro Alfaro Rosanna Betancourt Hernández Elizabeth Campos Zárate

Introducción:

El incremento de la incidencia de malaria en el mundo se debe tanto a factores climáticos y ambientales, como a la creciente resistencia del mosquito Anopheles a los insectidas usados y a su adaptación para evitar contactar con superficies tratadas con los mismos. La dispersión de esta enfermedad es además preocupante por el desarrollo de resistencia parasitaria a las drogas antimaláricas actualmente empleadas, lo que lleva a la necesidad de diseñar nuevos fármacos para tratar este padecimiento.

· Malaria

Epidemiología

La malaria humana es una enfermedad infecciosa causada por varias especies de parásitos protozoarios del género Plasmodium.; dentro de los que se encuentran: P.falciparum, P.vivax, P.ovale, P. malarie, P.knowlesi. De esta el P. falciparum es la de mayor prevalencia en el mundo , siendo muchas veces mortal. (2)

Es una enfermedad predominante de zonas tropicales, aunque también se encuentra en algunas regiones templadas. P. falciparum predomina en África, Nueva Guinea y Haití; mientras que P. vivax es más común en América Central. Ambas especies presentan una prevalencia similar en sur América, India, este de Asia y Oceanía. (1)

Se reportan alrededor de 300 millones de casos en el mundo, que resultan en 1-3 millones de muertes por año. (2)

Ciclo de vida del parásito:

El parásito en forma de esporozoito es transmitido a los humanos durante la picadura del mosquito. Este pasa unas horas después al hígado donde se desarrolla un esquizonte. Tras 5-15 días el esquizonte se rompe liberando miles de parásitos hijos llamados merozoitos que ingresan al torrente sanguíneo invadiendo los glóbulos rojos. Cada merozoito madura en un esquizonte conteniendo muchos merozoitos dentro de las células sanguíneas. Los glóbulos rojos se rompen liberando los merozoitos que infectaran otros glóbulos rojos. Algunos merozoitos se diferencian en machos y hembras, formas conocidas como gametocitos que son tomados por el mosquito durante la picadura. Eventualmente estos gametocitos se desarrollan en esporozoitos que pueden ser liberados en la saliva del mosquito cuando sea picado otro ser humano.

Formación de los cristales de hemozoina

Dentro de las células sanguíneas el parásito digiere la hemoglobina, en un proceso enzimático en que la globina es separada en pequeños péptidos, generando grupos heme libres (Fe2+ -protoporfirina) un subproducto tóxico para el parásito. A partir de la hemoglobina el parásito obtiene los aminoácidos y el hierro que necesita. Este grupo heme sufre una oxidación convirtiéndose en ferriprotoporfirina (Fe3+ -protoporfirina) que precipita en la vacuola digestiva del parásito como cristales, llamados hemozoina. Estos cristales son inocuos para el parásito.

La hemozoina en un marcador de la presencia de malaria en análisis sanguíneos.

Las drogas antimaláricas (quinolinas) actúan uniéndose a las superficie de los cristales de hemozoina, lo que podría inhibir su crecimiento resultando en un aumento de heme tóxico y así la muerte del parásito. Este supuesto ha sido reforzado por experimentos in vitro.

La estructura de la hemozoina fue dilucidada mediante el análisis de su forma sintética la (-hematina. Mediante difractometría de rayos X se determinó que la estructura cristalina es centrosimétrica, consistiendo en grupos propionato [ Fe-O-C(=O)CH2CH2- ] conectados recíprocamente cabeza –cola, dímeros cíclicos de heme unidos vía puentes de hidrógeno (ácido propiónico)O-H—O=C. El conocimiento de la morfología de los cristales es necesario para determinar posibles sitios de acción de drogas antimaláricas.

· Efecto de los medicamentos antimaláricos en el crecimiento de los cristales de hemozoina.

A partir de experimentos realizados se ha encontrado que un inhibidor efectivo es aquel que se une a las caras del cristal que crecen con mayor rapidez. Las drogas inhibidoras de la nucleación y el crecimiento pueden clasificarse como:

Capping molecules: Son aquellas que presentan complementariedad con la superficie a la que se unen pero no poseen similitud estructural con las moléculas del cristal.

Tailor-made molecules: su estructura molecular imita la del cristal hospedero presente en solución pero cambiando la estructura del mismo.

Mecanismo de acción de las Quinolinas

La quinina se encuentra en la corteza del Cinchona, árbol andino cuyo uso se describe para el tratamiento de la malaria desde mediados del siglo XVII. Sin embargo, el alcaloide activo de la planta, la quinina, no fue aislado de la corteza hasta cerca de 200 años después, en 1820. En el siglo XX varias quinolinas sintéticas se introdujeron en el mercado para el tratamiento de la malaria, siendo de estas la cloroquina la droga de mayor elección por su excelente eficacia, baja toxicidad y económica manufactura.

Lamentablemente, se ha visto evolucionar la resistencia del parásito tanto a la cloroquina como a otras quinolinas sintéticas, lo que ha creado la necesidad de incrementar el conocimiento sobre el mecanismo de acción de las quinolinas para emplearlo en el diseño de nuevos antimaláricos.

Los planteamientos actuales indican que las principales interacciones entre la cloroquina y el grupo hemo libre se dan mediante uniones π-π del anillo quinolínico sobre la porfirina con posibles interacciones electrostáticas débiles; contrariamente a lo antes pensado respecto a la formación de un complejo hemo – quinolina enlazado a una hemozoina polimérica.

Existen antimaláricos recientemente reportados conocidos como “cloroquina reversos”, cuya estructura se encuentra diseñada para incorporar una porción que funciona como un agente reverso capaz de inhibir la salida de la cloroquina de la vacuola digestiva en parásitos cloroquina resistentes. Este tipo de fármacos ha resultado ser 10 veces más potente que la cloroquina en parásitos cloroquina-resistentes e incluso el doble de efectivos en parásitos que no hayan desarrollado resistencia.

Otros compuestos

La 3,6 – bis – ω – dietilamino – alcoxixantonas pertenece a una novedosa clase de compuestos antimaláricos efectivos contra Plasmodium resistentes a múltiples drogas. Este tipo de compuestos forman complejos solubles con el grupo hemo, evitando la precipitación de β – hematina (análogo sintético de la hemozoína) bajo condiciones acídicas similares a las de la vacuola digestiva del parásito (pH = 4.8 ± 4).

Artemisina

La artemisina se extrae de un remedio natural chino de uso milenario, preparado con la planta Artemisia annua. El cual resulta altamente eficaz para el tratamiento de la malaria producida por P. falciparum resitente a múltiples medicamentos. Su baja solubilidad tanto en agua como en aceite ha llevado a desarrollar la investigación de derivados análogos como el Artemether y el Artesunato, que han resultado igualmente eficaces. La reactividad de la función peróxido de la artemisina se considera el factor principal para su actividad farmacológica.

En concentraciones micromolares la artemisina inhibe el mecanismo de digestión de la hemoglobina y por consiguiente la formación de cristales de hemozoina, al formar enlaces atemisina – aductos de hemozoina, funcionando como un inhibidor de tipo tailor made. Sin embargo, existen varias hipótesis sobre los mecanismos de acción de drogas basadas en el efecto de la artemisina, los cuales van más allá de la alquilación del grupo hemo.

Conclusiones

El reto en el diseño de medicamentos antimaláricos que actúen en la etapa eritrocítica del ciclo de vida del parásito es conocer y tomar ventaja de los diferentes grupos funcionales presentes en las diferentes superficies del cristal y que van a actuar como receptores del fármaco garantizando su absorción simultánea a lo largo de toda la superficie cristalina, logrando con esto inhibir de forma más eficiente la nuclueación y el crecimiento de cristales de hemozoina. Se ha encontrado hasta el momento que los sitios receptores presentes en el cristal que serían capaces de formar interacciones con moléculas inhibitorias adicionadas son las fracciones de ácido propiónico y carboxilato – hierro y varios grupos C – H presentes tanto en la periferia del anillo de porfirina como en la superficie como en la superficie de este último.

Se ha obtenido a su vez que terapias combinadas empleando tanto artemisina como quinolinas resultan más efectivas que los tratamientos con cada tipo de droga por separado en el tratamiento de la malaria. Lo anterior basado en el hecho de que cada tipo de estos fármacos inhibe la formación de cristales de hemozoína al enlazarse a diferentes regiones del cristal.