Assessment of the drug activity of anti-infectives against Plasmodium falciparum and Schistosoma mansoni

Abstract

Parasitäre Erkrankungen sind nach wie vor eine der Hauptursachen für die hohe Morbidität und Mortalität in tropischen und subtropischen Regionen weltweit. Malaria, eine lebensbedrohliche Infektionskrankheit, die eine hohe Sterblichkeitsrate verursacht, sowie die Bilharziose, eine überwiegend chronische Erkrankung, treten oft zusammen in denselben geografischen Gebieten auf und betreffen hauptsächlich Menschen mit niedrigem sozioökonomischem Status. Die WHO empfiehlt derzeit Artemisinin-basierte Kombinationstherapien für die Behandlung von Patienten mit unkomplizierter Malaria. Aktuelle Berichte aus Südostasien zeigen jedoch eine Verzögerung in der Beseitigung der Malariaparasiten aus dem Blutkreislauf nach der Behandlung mit Artemisinin- basierten Kombinationstherapien. Dies gibt Anlass zur Sorge, dass sich diese Parasiten von Südostasien nach Afrika ausbreiten oder dort neu auftreten könnten. Darüber hinaus ist Praziquantel das einzige verfügbare Medikament zur Behandlung der Bilharziose. Diese Monotherapie birgt jedoch mehrere Risiken. Unter anderem wirkt sie nicht gegen juvenile Würmer und die Heilungsrate beträgt selten 100 %. Ein Arzneimittel oder Arzneimittelkombinationen, die auf die Lebenszyklusstadien von adulten Schistosomen sowie die Präpatenzstadien abzielen, wäre bei der Behandlung von Patienten wirksamer und würde die Übertragungsraten von Krankheitserregern signifikant verringern. Das Ziel dieser Studie war es, die Aktivität von Wirkstoffen zu ermitteln, welche auf Organelle prokaryotischer Abstammung, epigenetische Regulatoren und den Hämozoin- Syntheseweg in Plasmodium- und Schistosoma-Parasiten abzielen.

In der ersten Studie der Dissertation wurden Antibiotika auf ihre Aktivität gegen P. falciparum und S. mansoni untersucht. Das neuartige, synthetisch halogenierte Tetracyclin-Derivat Eravacyclin wurde zusammen mit Tetracyclin, Tigecyclin, Doxycyclin und dem Lincosamid Clindamycin auf seine Aktivität gegen P. falciparum untersucht, wobei der Apicoplast als potenzielles Ziel untersucht wurde. Darüber hinaus wurden Clindamycin, Doxycyclin, Mirincamycin und Tigecyclin in vitro gegen S. mansoni Schistosomula getestet. Eravacyclin zeigte die größte Wirkung aller Tetracycline in den 3- und 6-Tages-Assays gegen klinische Isolate von P. falciparum aus Gabun. Die gegen S. mansoni getesteten Antibiotika erwiesen sich in unserer Studie als inaktiv, wobei

Mirincamycin eine minimale Aktivität aufwies. Diese Ergebnisse zeigen das Potenzial neuer Antibiotika, insbesondere von Eravacyclin, als potenzielles Therapeutikum gegen Malaria sowie andere Begleitinfektionen.

Im zweiten Teil der Dissertation wurde die in vitro Potenz neuartiger HDAC- Inhibitoren anhand klinischer P. falciparum Isolate aus Lambaréné, Gabun und Umgebung untersucht. Es wurde die Wirkung von 12 Peptoid-basierten HDAC-Inhibitoren von humanem HDAC6 gegen asexuelle Stadien von klinischen P. falciparum Isolaten untersucht. Alle HDAC-Inhibitoren zeigten IC50 Werte im nanomolaren Bereich. Daher sollten Peptoid-basierte HDAC6-Inhibitoren als Leitstrukturen für die Entwicklung weiterer Chemotherapeutika gegen Malaria dienen. Außerdem sollten sie zur weiteren Erforschung epigenetischer Regulatoren, einschließlich HDACs, als Zielstrukturen in Schistosoma-Parasiten in Betracht gezogen werden.

Im abschließenden Teil der Dissertation wurden 16 antiplasmodiale Substanzen gegen S. mansoni untersucht, um alternative Behandlungsstrategien gegen Bilharziose- Infektionen zu ermitteln. Pyronaridin, Methylenblau und fünf weitere antiplasmodiale Substanzen zeigten eine hohe in vitro Aktivität gegen das Larvenstadium einer Bilharziose-Infektion mit IC50-Werten unter 10 µM. Mäuse, welche mit S. mansoni im Präpatenzstadium infiziert und anschließend mit Pyronaridin behandelt wurden, zeigten eine Reduzierung der Wurmlast um 82%. 7 von 12 Tieren wurden geheilt, jedoch blieben die adulten Stadien von S. mansoni lebensfähig. Im Gegensatz dazu reduzierte Methylenblau die Lebensfähigkeit der erwachsenen Würmer um 60 %, eine Heilung konnte jedoch nicht erzielt werden. Im Rahmen einer Beobachtungs-Pilotstudie in Gabun wurden Kinder mit S. haematobium Infektionen mit dem Malariamedikament Pyronaridin- Artesunat (Pyramax) behandelt. Dies führte zu einem Rückgang der im Urin ausgeschiedenen Eier von 10/10 ml auf 0/10 ml Urin und 3 von 4 Kindern wurden geheilt. Pyronaridin und Methylenblau sollten für die Behandlung der Bilharziose weiter klinischen

Studien am Menschen untersucht werden, da beide für die Anwendung am Menschen zugelassen sind.

Diese Dissertation liefert innovative Daten zu neuartigen Inhibitoren, welche auf Organelle prokaryotischer Abstammung, epigenetische Regulatoren und den Hämozoin- Syntheseweg in Plasmodium- und Schistosoma-Parasiten wirken. Diese Erkenntnisse werden zu weiteren Innovationen neuartiger Inhibitoren beitragen, die zur verstärkten Bekämpfung und Eliminierung beider parasitärer Erkrankungen in endemischen Gebieten eingesetzt werden können. Zukünftige Arbeiten werden neue Substanzen in klinischen Studien am Menschen untersuchen und möglicherweise weitere Informationen über therapeutische Ansatzpunkte dieser Wirkstoffklassen liefern.

Parasitic diseases continue to be a leading cause of disability, morbidity, and mortality in tropical and subtropical regions of the world. Malaria, an acute and life-threatening disease, causing significant mortality, and schistosomiasis, a predominantly chronic disease leading to long-term morbidity, are often found together in the same geographical area, principally affecting people of low socioeconomic status. Artemisinin-based combination therapies are currently recommended by WHO for the treatment of patients with uncomplicated malaria. Recent reports from Southeast Asia show a delay in the clearance of malaria parasites from the bloodstream after treatment with artemisinin- based combination therapies. Thus, raising concerns that the parasites may spread from Southeast Asia to sub-Saharan Africa or occur de novo. Moreover, praziquantel is the only available drug for the treatment of schistosomiasis. However, this monotherapy presents with several challenges including that it is not active against juvenile worms and the cure rate is rarely 100%. A drug or drug combinations targeting the adult and prepatent life cycle stages of schistosomes would be more effective in treating patients and would significantly reduce pathogen transmission rates. The aim of this study was to assess the activity of compounds targeting organelles of prokaryotic descent, epigenetic regulators, and the hemozoin synthesis pathway in Plasmodium and Schistosoma parasites.

The first study evaluated antibiotics for their drug activity against P. falciparum and S. mansoni. The novel synthetic halogenated tetracycline derivative eravacycline, together with tetracycline, tigecycline, doxycycline, and the lincosamide clindamycin, were evaluated for their drug activity against P. falciparum with the apicoplast investigated as a potential target. Moreover, clindamycin, doxycycline, mirincamycin, and tigecycline were tested against S. mansoni schistosomula in vitro. Eravacycline showed the highest activity of all the tetracyclines in the 3-day and 6-day assays against P. falciparum clinical isolates in Gabon. Antibiotics tested against S. mansoni were shown to be inactive in our study, though mirincamycin exhibited minimal activity. These findings show the potential of novel antibiotics, especially eravacycline, as candidate antimalarial therapies and interventions in concomitant infections.

In the second study, the in vitro potency of novel HDAC-inhibitors was evaluated against P. falciparum clinical isolates collected in Lambaréné, Gabon and surrounding area. The potency of 12 peptoid-based HDAC-inhibitors of human HDAC6 against asexual stages of P. falciparum clinical isolates was investigated. All HDAC-inhibitors demonstrated 50% inhibitory concentrations at nanomolar ranges. Peptoid-based HDAC6-inhibitors should be lead structures further evaluated for the development of antimalarial chemotherapeutics and to further investigate epigenetic regulators, including HDACs, as targets in Schistosoma parasites.

In the final study, 16 antiplasmodial compounds were evaluated against S. mansoni, for alternative treatment strategies of Schistosoma infections. Pyronaridine, methylene blue, and 5 other antiplasmodial compounds were highly active in vitro against the larval stage schistosomula with IC50s below 10µM. Mice infected with S. mansoni at the prepatent stage were treated with pyronaridine which reduced the worm burden by 82% and cured 7 out of 12 animals, though the adult stages remained viable. Though, on the contrary, methylene blue inhibited adult worms by 60%, but did not cure the mice. As part of an observational pilot study in Gabon, children with S. haematobium infections were treated with pyronaridine-artesunate (Pyramax), resulting in a reduction of eggs excreted in urine from 10/10 ml to 0/10 ml, and 3 out of 4 children were cured. Pyronaridine and methylene blue should be further investigated as candidates in humans in clinical studies for schistosomiasis treatment, since both are already approved for human use.

This thesis provides innovative data on novel inhibitors targeting organelles of prokaryotic descent, epigenetic regulators, and the hemozoin synthesis pathway in Plasmodium and Schistosoma parasites. These findings will contribute to further innovation of novel inhibitors used to increase control and elimination efforts for both parasitic diseases in endemic areas. Prospective work will further evaluate novel compounds in clinical studies in humans and potentially provide more information on the targets of each of these drug classes.