Mécanismes non classiques pour supprimer de manière irréversible β

Biologie des communications volume 6, Numéro d'article : 783 (2023) Citer cet article

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La cristallisation de l'hématine est un élément essentiel de la détoxification de l'hème des parasites du paludisme et son inhibition par les médicaments antipaludiques constitue une voie de traitement courante. Nous démontrons dans des conditions biomimétiques in vitro une inhibition irréversible de la croissance des cristaux d'hématine en raison de mécanismes coopératifs distincts qui s'activent à des forces motrices de cristallisation élevées. L'évolution de la forme des cristaux après une exposition de durée limitée aux métabolites de l'artémisinine et aux antipaludiques de la classe quinoléine indique que la croissance des cristaux reste supprimée une fois les métabolites de l'artémisinine et les médicaments purgés de la solution. Le traitement des parasites du paludisme avec les mêmes agents révèle que des impulsions d'inhibiteurs de trois et six heures inhibent la croissance du parasite avec une efficacité comparable à celle de l'exposition aux inhibiteurs pendant toute la durée de vie du parasite. La microscopie à force atomique (AFM) in situ résolue dans le temps, complétée par la diffusion de la lumière, révèle deux mécanismes d'action inhibiteurs au niveau moléculaire qui empêchent la récupération de la croissance de la β-hématine. Les adduits d'hématine des artémisinines provoquent une nucléation abondante de nanocristaux non extensibles, qui s'incorporent dans des cristaux en croissance plus grands, tandis que la pyronaridine, un médicament de la classe des quinoléines, favorise les paquets d'étapes, qui évoluent pour engendrer des luxations abondantes. On sait que les cristaux incorporés et les dislocations induisent une déformation du réseau, qui persiste et entrave de manière permanente la croissance des cristaux. La nucléation, le regroupement par étapes et d'autres comportements coopératifs peuvent être amplifiés ou réduits afin de contrôler la taille des cristaux, les distributions de taille, les rapports d'aspect et d'autres propriétés essentielles pour de nombreux domaines qui reposent sur des matériaux cristallins.

L'hématine est le produit de l'oxydation de l'hème libéré dans la vacuole digestive des parasites du paludisme lors de leur métabolisation de l'hémoglobine1. Pour se défendre contre la toxicité de l’hématine, les parasites la séquestrent dans l’hémozoïne cristalline inoffensive2. Plusieurs composés antipaludiques, tels que les antipaludiques de la classe quinoléine3,4 et les adduits à l'hématine des médicaments de la classe de l'artémisinine, produits par le métabolisme du parasite5,6, tuent les parasites en inhibant la cristallisation de l'hématine, ce qui augmente la concentration d'hématine libre toxique. Pour modéliser la manière dont les médicaments à temps de séjour limité éliminent les parasites P. falciparum, nous cherchons à savoir si les antipaludiques peuvent adopter des voies conduisant à l'inhibition de la croissance des cristaux d'hématine qui dure après le retrait d'un inhibiteur du système. Nous testons si l'inhibition irréversible de la cristallisation de l'hématine est en corrélation avec la suppression efficace des parasites du paludisme par des impulsions à durée limitée de cinq composés antipaludiques.

Nous explorons la réversibilité de l'inhibition de la croissance des cristaux de β-hématine (Fig. 1a), un analogue synthétique de l'hémozoïne1. Pour favoriser la pertinence physiologique des résultats obtenus, nous utilisons comme solvant l'octanol saturé de tampon citrique, un analogue de la sous-phase lipidique de la vacuole digestive du parasite7,8,9,10. Nous avons étudié l'activité de trois antipaludiques de la classe des quinoléines, la pyronaridine (PY), la chloroquine (CQ) et la méfloquine (MQ), ainsi que les adduits à l'hématine de deux médicaments de la classe de l'artémisinine11,12, l'artémisinine (H-ART) et l'artésunate (H -ARS)5. Les quinoléines inhibent la cristallisation de l'hématine in vivo et in vitro13,14,15. Les adduits d’hématine des médicaments de la classe de l’artémisinine se forment en tant que produit du métabolisme de l’hémoglobine dans la vacuole digestive du parasite6,16,17 et suppriment également la cristallisation de l’hématine5.

a Une image et un schéma de microscopie électronique à balayage (MEB) illustrant l'habitude des cristaux de β-hématine et les définitions de la longueur des cristaux \(l\) et de la largeur \(w\). Dans la structure cristalline de l'hématine, les sphères grises représentent C, bleu, N, argent, H et rouge, O. b Images SEM de cristaux de β-hématine cultivés à certains moments et compositions indiquées par (i) – (iii) dans (d) en présence de 10 µM de PY. c Schéma de préservation de la forme cristalline pendant la croissance dans des solutions pures et suppression induite par un inhibiteur de \(l\) ou \(w\) par interaction d'un inhibiteur avec les faces cristallines axiales et latérales, respectivement. Les contours concentriques dénotent la forme des cristaux à des moments de croissance croissants. d Schéma de variation de la concentration d'inhibiteur utilisé pour tester la réversibilité de l'inhibition de \(l\) et \(w\). La ligne bleue continue indique les cristaux exposés à une concentration d'inhibiteur X μM (où X = 10 pour H-ART, H-ARS et PY ; 2 pour CQ ; et 5 pour MQ) pendant 3 jours, après quoi les cristaux ont été exposés à un solution sans métabolite ni médicament pendant 10 jours. La ligne pointillée orange représente les cristaux qui ont été maintenus à une concentration constante d’inhibiteur X µM pendant 13 jours. La ligne violette pointillée indique les cristaux exposés à une concentration d’inhibiteur X µM pendant 3 jours ; la ligne grise en pointillés courts indique les contrôles qui se sont développés dans une solution sans métabolite ni médicament pendant 13 jours. Les nombres (i) à (iii) indiquent les compositions et les moments de récolte des cristaux cultivés en présence de PY et imagés dans le panneau (b). e Longueurs et largeurs de cristaux cultivés dans des solutions d'hématine 0,5 mM et en présence de 10 μM de H-ART, H-ARS et PY, 2 μM de CQ et 5 μM de MQ dans la solution de départ. Les barres d'erreur représentent les écarts types par rapport aux moyennes sur environ. 30 cristaux pour chaque régime de composition et temps de croissance. Les accolades verticales vertes et rouges définissent la longueur ou la largeur accumulée au cours de la croissance entre les jours 3 et 13. Les parenthèses horizontales vertes et rouges relient les incréments de longueur et de largeur qui sont comparés respectivement dans le critère de réversibilité 1, pour H-ARS, et le critère 2, pour PY.