Le beta ciclodestrine possono essere utilizzate come antivirali contro SARS-CoV-2

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Un nuovo studio condotto da ricercatori spagnoli guidati dallo scienziato del Cell Structure Lab, Centro Nacional de Biotecnologia, CNB – CSIC, Campus de Cantoblanco, Madrid-Spagna ha scoperto che le ciclodestrine naturali economiche, in particolare le beta ciclodestrine, possono essere utilizzate come antivirali contro il SARS-CoV -2.

I risultati dello studio sono stati pubblicati su un server di prestampa e sono attualmente in fase di revisione tra pari.
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.11.16.516726v1

Sebbene i virus patogeni rappresentino una minaccia reale e crescente per la salute pubblica, disponiamo di pochi farmaci per prevenire e curare le infezioni virali. Qui è stata elaborata una libreria di potenziali inibitori dell’infezione da coronavirus con una strategia “basata sulla conoscenza”. 

Esaminando le informazioni disponibili su ciò che i virus utilizzano per completare il loro ciclo di vita nelle cellule e la descrizione del meccanismo d’azione dei farmaci, abbiamo trovato composti potenzialmente utilizzabili come antivirali per trattare le infezioni da coronavirus.

Il vantaggio principale di questa strategia rispetto all’analisi ad alto rendimento è che l’elenco dei candidati è limitato e che è possibile testare diversi protocolli di infezione e trattamento farmacologico, il che aumenta le probabilità di identificare molecole con attività antivirale.

Abbiamo utilizzato un flusso di lavoro unico che coinvolge l’analisi biocomputazionale e diversi test biologici per selezionare attentamente potenziali antivirali contro diversi coronavirus, tra cui HCoV-229E e SARS-CoV-2. Dal nostro elenco di 116 composti che prendono di mira fattori e percorsi cellulari, 4 hanno mostrato attività antivirale contro entrambi i coronavirus.

I risultati con i β-CD sono stati particolarmente rilevanti in quanto hanno mostrato un’efficacia costante in diversi modelli cellulari, comprese le cellule polmonari umane. Particolarmente promettente è la nostra scoperta che suggerisce che il meccanismo d’azione dei β-CD sta interferendo con la fusione virale.

I risultati dell’analisi lipidomica e della microscopia elettronica a trasmissione (TEM) hanno mostrato che i β-CD possono interferire con l’infezione da coronavirus alterando il contenuto di colesterolo e sfingomielina e interrompendo l’organizzazione delle membrane utilizzate dal virus.

Ciò è supportato dai nostri risultati TEM che hanno mostrato effetti dose-dipendenti dei β-CD in tutte le strutture SARS-CoV-2 nelle cellule infette. L’integrità dei DMV è stata compromessa e la morfogenesi virale è stata compromessa, con la produzione di particelle virali anormali che a volte sono intrappolate nei DMV e all’interno di grandi vacuoli che potrebbero rappresentare compartimenti di degradazione.

I nostri risultati confermano e ampliano le recenti scoperte incentrate sugli HP-β-CD (Bezerra et al., 2022) e, con metodi diversi, espandono ulteriormente questi risultati ad altri membri della famiglia delle ciclodestrine e ai COV SARS-CoV2, incluso Omicron.

Dato che le ciclodestrine possono essere adatte per soluzioni orali, nasali o nebulizzate, questi risultati aprono diverse strade per testare diverse formulazioni di farmaci che sono note per essere sicure negli esseri umani (Stella e He, 2008; Tian et al., 2020). Ulteriori lavori dovrebbero affrontare la potenziale attività di questi composti nel migliorare l’infezione da SARS-CoV-2 in modelli animali pertinenti.

I ben noti profili di sicurezza dei β-CD rendono queste molecole candidati ideali per sviluppare composti profilattici e terapeutici convenienti contro i coronavirus (Fatmi et al., 2021; Sorice et al., 2020). Tali farmaci, che sono già approvati per l’uso clinico nei dispositivi spray nasali (Guard et al., 1989; Paolacci et al., 2021), possono essere più facili da distribuire nei paesi a basso reddito rispetto ai vaccini, che spesso richiedono celle frigorifere e devono essere somministrati da personale addestrato.

Dato che i β-CD sono ampiamente utilizzati per l’incapsulamento dei composti, potrebbero essere facilmente combinati con altri antivirali per potenziare l’attività ed evitare la resistenza virale. Infine, l’ampio meccanismo d’azione mostrato qui, che inibisce la fusione virale con le membrane cellulari, potrebbe aiutare a contrastare altri virus respiratori, fornendo un arsenale da schierare di fronte a nuove varianti preoccupanti o futuri nuovi coronavirus con potenziale pandemico.

Gli antivirali ad ampio spettro come i β-CD potrebbero essere infine applicati per contrastare virus emergenti sconosciuti che devono ancora apparire, ma necessitano di una valutazione rigorosa nei modelli preclinici per un ulteriore sviluppo.

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Le ciclodestrine inibiscono la replicazione di SARS-CoV-2 interferendo con la fusione virale attraverso l’esaurimento del colesterolo

In precedenza avevamo scoperto che b-CD si trova nella tasca catalitica dell’Mpro di SARS-CoV-2 mediante modellazione molecolare (Fig. 1C). Questa scoperta ha indicato una possibile spiegazione per l’attività antivirale rilevata. Tutte le ciclodestrine, comprese α, b, g, HP-α, HP-b, HP-g e metil-b-CD, sono state sottoposte a screening mediante modellazione molecolare contro SARS-CoV-2 Mpro. Poiché è possibile inibire l’azione di Mpro prendendo di mira due siti allosterici -codici PDB 7AXM e 7AGA- (Günther et al., 2021)), abbiamo ampliato lo spazio chimico di ricerca nei modelli progettati.

La teoria prevede che le ciclodestrine possano legare siti Mpro sia attivi che allosterici, sebbene appaiano differenze significative a seconda delle dimensioni e della natura del macrociclo ( Tabella suppl. 3 ). Per verificare se questa interazione si è verificata in vitro , l’attività Mpro è stata misurata in presenza di concentrazioni crescenti di metil-b-CD (MbCD). Mentre MbCD non ha mostrato attività, il controllo attivo di GC376 ha inibito Mpro in modo dipendente dalla dose ( Fig. 8A) .

Successivamente abbiamo esplorato meccanismi antivirali alternativi di azione delle ciclodestrine. Data la ben nota capacità delle ciclodestrine di estrarre il colesterolo dalle membrane biologiche (López et al., 2011), abbiamo eseguito un’analisi lipidomica concentrandoci su diversi lipidi associati a domini arricchiti di colesterolo nelle membrane biologiche. Le cellule Calu-3 trattate con concentrazioni crescenti di metil-b-CD hanno mostrato una riduzione del colesterolo libero ed estere insieme alla sfingomielina e non hanno influenzato la fosfatidilcolina ( Fig. 8B ).

Questi risultati confermano ulteriormente la capacità delle ciclodestrine di alterare la composizione dei domini arricchiti di colesterolo attivamente coinvolti nei processi di fusione virale. Presi insieme, questi esperimenti lungo i saggi di fusione pseudovirale evidenziano il potenziale delle ciclodestrine di inibire la replicazione SARS-CoV-2 interferendo con la fusione virale attraverso l’esaurimento del colesterolo.

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