Czy nitrofurany otwierają nowe perspektywy terapeutyczne?
Nitrofurany i ich pochodne pokazują obiecującą aktywność przeciwko trzem groźnym patogenom. Badania przeprowadzone nad nifuroksazydem (Nfz) i 25 pochodnymi 4-hydroksybenzyhydrazonu przynoszą nadzieję na nowe terapie w leczeniu chorób pasożytniczych i bakteryjnych, które dotykają miliony pacjentów na całym świecie.
Nitrofurany to klasa związków heterocyklicznych z charakterystyczną grupą nitrową przyłączoną do pierścienia furanowego, która umożliwia im skuteczne zwalczanie infekcji bakteryjnych i pasożytniczych poprzez generowanie wolnych rodników uszkadzających DNA mikroorganizmów. Pomimo ich skuteczności, ich stosowanie wiąże się z potencjalnymi działaniami niepożądanymi, takimi jak dolegliwości żołądkowo-jelitowe oraz obawy dotyczące toksyczności i oporności drobnoustrojów. Nifuroksazyd (Nfz) jest pochodną nitrofuranu zawierającą szkielet hydrazonu, opisywany jako farmakofor o szerokim spektrum aktywności biologicznej, w tym przeciwko Mycobacterium tuberculosis. Jest stosowany w leczeniu ostrej biegunki zakaźnej i zapalenia okrężnicy, wykazuje również działanie przeciwbakteryjne i przeciwnowotworowe.
- Nifuroksazyd (Nfz) i jego 25 pochodnych wykazują obiecującą aktywność przeciwko trzem groźnym patogenom: T. cruzi, L. mexicana i M. tuberculosis
- Najskuteczniejsze związki przeciwko T. cruzi:
– Nfz-8 (IC50 = 7,2 µM)
– Nfz-15 (IC50 = 8,7 µM) - Przeciwko L. mexicana najlepsze wyniki osiągnęły:
– Nfz-5 (IC50 = 5,2 μM)
– Nfz-14 (IC50 = 10,2 μM) - W przypadku M. tuberculosis najbardziej skuteczne były związki zawierające heterocykl z grupą nitrową: Nfz, Nfz-1 i Nfz-2
Jakie mechanizmy kryją się za syntetyzowanymi związkami?
Naukowcy przeprowadzili syntezę i ocenę biologiczną Nfz oraz 25 pochodnych 4-hydroksybenzyhydrazonu, modyfikując cząsteczkę wyjściową poprzez zastąpienie grupy nitrofuranu biosterycznymi i nowymi grupami aromatycznymi. Związki zostały otrzymane w prosty sposób poprzez reakcję kondensacji między 4-hydroksybenzyhydrazydem a odpowiednimi aldehydami w obecności kwasu octowego jako katalizatora. Wydajności otrzymanych związków były ogólnie wysokie (>80%), z wyjątkiem Nfz-1 (<50%). Wszystkie związki zostały scharakteryzowane za pomocą spektroskopii FT-IR, NMR i UPLC-MS, potwierdzając ich strukturę poprzez obecność charakterystycznych sygnałów wiązania iminowego (N=CH, 8 ppm) i wiązania N-H (12-11,5 ppm). “Nasze badania miały na celu nie tylko poprawę lub utrzymanie efektów biologicznych przeciwko pierwotniakom Trypanosoma cruzi i Leishmania mexicana oraz Mycobacterium tuberculosis, ale także zmniejszenie efektów cytotoksycznych w normalnych liniach komórkowych” – piszą autorzy badania.
Wyniki badań aktywności trypanocydalnej były szczególnie obiecujące. Badane związki wykazały zróżnicowaną aktywność przeciwko dwóm szczepom T. cruzi (A1 i NINOA). Szczep A1 był generalnie bardziej wrażliwy na Nfz i pochodne 4-hydroksybenzyhydrazonu niż szczep NINOA. Najsilniejszym związkiem przeciwko szczepowi A1 był Nfz-8 (IC50 = 7,2 µM), pochodna para-etylofenylowa. Jednak związek Nfz-15 (IC50 = 8,7 µM) miał porównywalną aktywność trypanocydalną. Dodatkowo, pochodne Nfz-3 (IC50 = 19,9 µM) i Nfz-11 (IC50 = 18,1 μM) miały podobny efekt do nifurtimoksu (IC50 = 19,3 μM). Natomiast związki Nfz-2 (IC50 = 4,7 μM) i Nfz-24 (IC50 = 6,8 μM) wykazywały równie silne lub podobne działanie trypanocydalne przeciwko epimastigotom szczepu NINOA jak nifurtimoks (IC50 = 7 μM). Czy te różnice w wrażliwości między szczepami mogą mieć znaczenie kliniczne? Potencjalnie tak, szczególnie jeśli weźmiemy pod uwagę geograficzne zróżnicowanie szczepów T. cruzi i ich różną odpowiedź na leczenie.
Co ciekawe, badania mechanizmu działania wykazały, że niektóre związki działają jako inhibitory proteazy cysteinowej cruzain – kluczowego enzymu T. cruzi. Związki Nfz-1 i Nfz-8 wykazały silne działanie hamujące z wartościami IC50 odpowiednio 17,6 µM i 4,6 µM. Wyniki te są znaczące w porównaniu z wcześniejszymi doniesieniami dla pokrewnych pochodnych N-acylohydrazonu (IC50 > 40 µM). Z drugiej strony, związki Nfz, Nfz-4 i Nfz-11 o działaniu trypanocydalnym nie hamowały proteaz, co sugeruje, że ich mechanizm działania nie jest bezpośrednio związany z cruzainą. Te odkrycia mogą mieć istotne znaczenie w projektowaniu leków celowanych przeciwko T. cruzi.
- Większość badanych związków wykazała niską cytotoksyczność (CC50 > 100 μM)
- Odkryto, że niektóre związki (Nfz-1 i Nfz-8) działają jako inhibitory proteazy cysteinowej cruzain
- Wysokie wskaźniki selektywności (SI) dla najskuteczniejszych związków:
– Nfz-8 (SI > 13,7)
– Nfz-15 (SI = 15,6) - Wyniki przekraczają wartości zalecane w literaturze, co uzasadnia dalsze badania kliniczne
Jak przekłada się szeroki profil aktywności na potencjał kliniczny?
W przypadku aktywności przeciwko Leishmania mexicana, związki wykazały zmienną skuteczność wobec obu badanych szczepów (M379 i FCQEPS). Nfz-5 (IC50 = 5,2 μM) i Nfz-14 (IC50 = 10,2 μM) miały najlepszą aktywność leiszmanicydalną odpowiednio przeciwko szczepom M379 i FCQEPS. Również Nfz-12 i Nfz-23 wykazały dobrą aktywność przeciwko szczepowi M379 (IC50 < 20 μM). Co więcej, dziesięć pochodnych 4-hydroksybenzyhydrazonu miało lepszy efekt biologiczny niż glukantym (IC50 = 133,9 μM) przeciwko szczepowi M379. Z drugiej strony, tylko Nfz-1 miał wartość IC50 poniżej 40 μM przeciwko szczepowi FCQEPS. Jakie znaczenie mają te wyniki dla klinicystów? Wskazują one na potencjał tych związków jako alternatywnych opcji terapeutycznych w leczeniu leiszmaniozy, szczególnie w przypadkach oporności na standardowe leki.
Badania aktywności przeciwgruźliczej wykazały, że związki o najlepszych efektach przeciwko M. tuberculosis (MIC < 20 µg/mL) to Nfz, Nfz-1 i Nfz-2, które zawierają heterocykl podstawiony grupą nitrową (furylową lub tienylową). Dodatkowo, związki Nfz-10, Nfz-16, Nfz-17 i Nfz-25 miały MIC < 50 µg/mL, podczas gdy pozostałe pochodne wykazywały niższą aktywność. Analiza zależności struktura-aktywność wykazała, że fragment 4-hydroksybenzyhydrazydu w połączeniu z 5-nitrotienylowym był najbardziej aktywny w porównaniu z jego analogiem 5-nitrofurylowym. Ponadto, włączenie atomu bromu w pozycji 5 tienylu nieznacznie zmniejszyło aktywność przeciwko M. tuberculosis. “Chociaż żaden z dwudziestu pięciu związków opisanych w tym badaniu nie przewyższał leków referencyjnych, Nfz, Nfz-1 i Nfz-2 są interesującymi cząsteczkami do dalszych badań w celu poprawy ich optymalizacji strukturalnej i aktywności przeciwdrobnoustrojowej” – zauważają badacze.
Kluczowym aspektem w ocenie potencjału terapeutycznego nowych związków jest ich cytotoksyczność. W badaniach na makrofagach myszy J774.2, Nfz i pochodne 4-hydroksybenzyhydrazonu wykazały zróżnicowaną cytotoksyczność, z wartościami CC50 od 2,45 do >200 μM. Trzy związki były cytotoksyczne dla makrofagów komórkowych, z CC50 < 29 μM, przy czym Nfz-18 (4-nitrofenyl) był najbardziej toksyczny. Związki o najmniejszej cytotoksyczności, w tym Nfz-3, Nfz-4, Nfz-8, Nfz-10, Nfz-13, Nfz-14, Nfz-17, Nfz-19, Nfz-21, Nfz-24 i Nfz-25, wykazywały wartości CC50 większe niż 100 μM, co jest bardzo obiecujące z punktu widzenia bezpieczeństwa potencjalnych terapii.
Wskaźnik selektywności (SI), obliczony dla wszystkich związków, w tym leków referencyjnych, dostarcza cennych informacji o potencjale terapeutycznym. Dla szczepu A1 T. cruzi, Nfz miał SI równy 4, podczas gdy Nfz-8 (SI > 13,7) i Nfz-15 (SI = 15,6) wykazały najlepsze wartości SI w porównaniu z benznidazolem (SI = 3,4). Nfz-24, który wykazał umiarkowaną aktywność trypanocydalną, miał wartości SI większe niż 7 dla obu szczepów. Dla szczepu NINOA, związki Nfz-2 i Nfz-24 wykazały wartości SI większe niż benznidazol (SI = 4,4) i nawet przekroczyły te zalecane w literaturze. Wreszcie, Nfz-22 (grupa bifenylowa) wykazał silną aktywność tylko przeciwko szczepowi NINOA T. cruzi, z wartością SI większą niż 6. Czy te wskaźniki selektywności są wystarczająco wysokie, aby uzasadnić dalsze badania kliniczne? Zdecydowanie tak, szczególnie biorąc pod uwagę, że przekraczają one wartości zalecane w literaturze.
Czy struktura cząsteczkowa determinuje właściwości terapeutyczne?
Analiza zależności struktura-aktywność (SAR) dostarczyła cennych informacji na temat wpływu różnych podstawników na aktywność biologiczną. W przypadku aktywności przeciwko T. cruzi, zastąpienie pierścienia 5-nitrofuranu pierścieniem 5-nitrotiofenu w Nfz-1 poprawiło aktywność trzykrotnie (IC50 = 11,9 μM). Może to wynikać z faktu, że heterocykl tiofenowy wykazuje lepszą lipofilowość w porównaniu z furanem. Podstawienie grupy -NO2 bromem w pozycji 5 pierścienia tienylowego (Nfz-2) znacznie zwiększa aktywność biologiczną (IC50 = 4,7 µM). Niepodstawiony pierścień tienylowy (Nfz-3) wykazywał słabą aktywność (IC50 > 50 µM). Związek Nfz-4 z pierścieniem furylowym bez grupy nitrowej miał lepszą aktywność trypanocydalną (IC50 = 18,8 µM) niż Nfz i benznidazol (IC50 = 30 µM). Jednak dodanie pierścienia N-metylo-pirolowego w Nfz-5 spowodowało brak aktywności.
W przypadku aktywności przeciw L. mexicana, analiza SAR wykazała, że fragment heterocykliczny wykazywał zmienne zachowanie w obu szczepach. Nfz i pochodne Nfz-1, Nfz-2 i Nfz-3 nie miały efektów leiszmanicydalnych przeciwko szczepowi M379. Tylko Nfz-5 z pierścieniem N-metylo-pirolowym wykazał silny efekt leiszmanicydalny (IC50 = 5,2 μM). Z drugiej strony, pochodne Nfz-6, Nfz-7 i Nfz-8 były nieaktywne (IC50 > 90 μM), co sugeruje, że podstawniki alifatyczne nie przyczyniają się do aktywności leiszmanicydalnej przeciwko szczepowi M379.
Podsumowując, badania te dostarczają cennych informacji na temat potencjału terapeutycznego nifuroksazydu i jego pochodnych 4-hydroksybenzyhydrazonu w leczeniu chorób wywoływanych przez T. cruzi, L. mexicana i M. tuberculosis. Nfz i jego analogi Nfz-1, Nfz-4, Nfz-8, Nfz-9, Nfz-11 i Nfz-13 miały lepszą aktywność trypanocydalną w skali mikromolarnej niż leki referencyjne przeciwko dwóm szczepom T. cruzi. Ponadto, Nfz-2 i Nfz-24 wykazały silną aktywność specyficzną dla szczepu NINOA, podczas gdy Nfz-15 był selektywny dla szczepu A1. Badania enzymatyczne wykazały mechanizm działania Nfz-1 i Nfz-8 jako inhibitorów proteazy cysteinowej. “Nasze wyniki zachęcają do kontynuowania badań nad potencjałem Nfz i pochodnych 4-hydroksybenzyhydrazonu jako środków leiszmanicydalnych oraz do wyjaśnienia mechanizmu działania przeciwko szczepom L. mexicana” – konkludują autorzy. Dalsze badania mogą skupić się na optymalizacji strukturalnej najbardziej obiecujących związków w celu poprawy ich skuteczności i selektywności, co ostatecznie może prowadzić do opracowania nowych i skuteczniejszych leków przeciwko tym chorobom zakaźnym.
Podsumowanie
Badania nad nifuroksazydem (Nfz) i jego 25 pochodnymi 4-hydroksybenzyhydrazonu wykazały znaczący potencjał terapeutyczny w walce z trzema groźnymi patogenami. W przypadku Trypanosoma cruzi najskuteczniejsze okazały się związki Nfz-8 i Nfz-15, wykazujące lepszą aktywność niż standardowe leki. Badania nad Leishmania mexicana ujawniły, że Nfz-5 i Nfz-14 mają najsilniejsze działanie leiszmanicydalne, przewyższając skuteczność glukantymu. W kontekście Mycobacterium tuberculosis, najlepsze efekty wykazały związki Nfz, Nfz-1 i Nfz-2, zawierające heterocykl z grupą nitrową. Kluczowym odkryciem było zidentyfikowanie mechanizmu działania niektórych związków jako inhibitorów proteazy cysteinowej cruzain. Większość badanych związków charakteryzowała się niską cytotoksycznością i korzystnym wskaźnikiem selektywności, co czyni je obiecującymi kandydatami do dalszych badań klinicznych.
