Role of metals in the mechanism of action of antimalarial peroxides

par Fatima Bousejra-El Garah

Thèse de doctorat en Chimie. Biologie. Santé

Sous la direction de Anne Robert.

Soutenue en 2010

à Toulouse 3 .

mots clés

• Paludisme
• Traitement
• Peroxydes antipaludiques
• Artémisinine
• Trioxaquines
• Tétraoxanes
• Hème
• Alkylation
• PfATP6
• Modélisation
• Peroxydes -- Synthèse (chimie)
• Artémisinine -- Effets physiologiques
• Paludisme -- Chimiothérapie
• Plasmodium falciparum -- Effets des médicaments

Titre traduit

Rôle des métaux dans le mécanisme d'action des peroxydes antipaludiques

Résumé

Le cycle 1,2,4-trioxane de l'artémisinine est essentiel pour son activité antipaludique. Le fer(II) peut catalyser la réaction de réduction de la liaison peroxyde de l'artémisinine et conduire à la formation de radicaux. Ces radicaux alkylent l'hème libéré lors de la dégradation de l'hémoglobine par Plasmodium pour former des produits de couplage appelés adduits hème-artémisinine. Ce processus d'alkylation pourrait être directement ou indirectement responsable de la mort du parasite. La connaissance du mécanisme d'action de l'artémisinine est le point de départ de ce projet de thèse qui se divise en deux parties distinctes. La première partie consiste à étudier le rôle de complexes métalliques, l'hème en particulier, dans le mécanisme d'action in vitro et in vivo de nouveaux peroxydes synthétiques ou hémi-synthétiques (artémisone, trioxaquines, trioxolanes et tétraoxanes). Nous avons caractérisé des adduits hème-drogue dans tous les cas, et confirmé l'importance de l'hème dans l'activité antipaludique de ces molécules. Une étude de docking a également été réalisée entre ces molécules et la protéine parasitaire PfATP6 présentée dans la littérature comme une autre cible de l'artémisinine. Les principaux résultats de notre étude montrent qu'il n'y a pas de corrélation entre l'affinité pour la protéine PfATP6 et l'activité in vitro des molécules testées.

Résumé

The 1,2,4-trioxane core structure of artemisinin is essential for its activity. It was shown that iron(II) catalyses the reductive cleavage of the peroxide bond of the drug, leading to the formation of C-centered radicals. These radicals are able to alkylate heme resulting from host cell hemoglobin digestion, and parasitic proteins. These alkylation processes are believed to induce parasite death. In the present work, we studied the two main mechanisms proposed in the literature for artemisinin, namely heme alkylation and PfATP6 inhibition. In addition, we also explored the possible bio-activation of artemisinin by copper enzymes. We report our investigation into the reactivity of metal salts and complexes, such as heme, toward highly active antimalarial peroxide-containing drugs, namely artemisone, trioxaquines, trioxolanes, and tetraoxanes. Overall, our results with heme confirmed that the alkylating properties of artemisinin, in particular in malaria-infected mice, are not limited to this natural compound, but are shared with other potent peroxide-containing drugs. It is likely that heme alkylation plays a very important role in their anti-plasmodial mechanism of action. In this work, we also considered an alternative mechanism of action for artemisinin, based on the inhibition of PfATP6. The main result is that the predicted binding affinity of the tested compounds does not correlate with their in vitro antimalarial activity.