Een zogenoemde macrogametocyt, een vrouwelijke voortplantingscel, van de malariaparasiet Plasmodium falciparum. Centers for Disease Control and Prevention/Public domain

Doorbraak in strijd tegen resistente malariaparasieten

Parasieten van het geslacht Plasmodium veroorzaken malaria en ze worden overgebracht bij mensen door beten van geïnfecteerde muggen. De parasieten kunnen overleven in die twee totaal verschillende gastheren door de plasticiteit van hun genoom, door het feit dat hun genetisch materiaal zich in hoge mate kan aanpassen. Franse onderzoekers hebben nu de epigenetische mechanismen achter die plasticiteit onderzocht, meer bepaald de methylering van DNA. Vervolgens hebben ze een aantal verbindingen geïdentificeerd die in staat zijn de methylering van DNA te verhinderen en zo zelfs de meest resistente Plasmodium falciparum parasieten te doden. Dat kan leiden tot nieuwe geneesmiddelen tegen malaria.

Epigenetische mechanismen zijn erfelijke mechanismen die 'bovenop' het genetische element komen, vandaar ook de naam: epi betekent op in het Grieks. Ze veranderen de functie van genen zonder dat het genetisch materiaal veranderd wordt. Het DNA blijft dus hetzelfde, maar doordat het zich rond bepaalde proteïnen - histonen - wikkelt of doordat bepaalde chemische groepen zich hechten aan bepaalde plaatsen op het DNA of op de staarten van histonen, worden genen geactiveerd of net uitgeschakeld.

Een van de chemische groepen die zich hechten aan DNA, is een methylgroep en dit proces wordt methylering genoemd. 

Het is in grote mate dankzij die epigenetische mechanismen dat de Plasmodium-parasiet zijn fenotype, de verschijningsvorm die het gevolg is van de wisselwerking tussen de epigenetica en het genetisch materiaal, kan aanpassen aan de verschillende gastheren. 

Verschillende epigenetische mechanismen: methylering, histonen waarrond het DNA zich wikkelt zodat sommige genen niet bereikbaar zijn en niet geactiveerd kunnen worden, en een aanpassing van de histonen doordat er een factor zich aan hun staart bindt, wat de mate waarin het DNA opgewonden zit verandert en dus ook de bereikbaarheid van sommige genen. National Institutes of Health/Public domain

Resistentie neemt toe

Malaria treft wereldwijd elk jaar meer dan 200 miljoen mensen en eist elk jaar 435.000 levens. De resistentie van de malariaparasiet tegen de verschillende behandelingen neemt gestaag toe en er is nog steeds geen efficiënt vaccin, zodat nieuwe geneesmiddelen meer dan welkom zijn.

De infectieziekte wordt veroorzaakt door parasieten van het geslacht Plasmodium die in staat zijn om zich aan te passen aan verschillende omgevingen. De parasiet leeft gedurende zijn levenscyclus in de speekselklieren van de malariamug, voor hij eerst de lever en vervolgens het bloed van zijn menselijke gastheer infecteert. 

"In elk stadium van de cyclus regelen epigenetische mechanismen zoals histonen of modificaties van het DNA de uitdrukking van de genen van de parasiet, en maken ze de specifieke expressie van bepaalde genen in de cel op een bepaald ogenblik mogelijk, zodat de parasiet zich kan aanpassen aan zijn omgeving", zei Flore Nardella, de eerste auteur van de studie en een onderzoeker bij de Unité Biologie des Interactions Hôte-Parasite van het Franse Institut Pasteur, het Centre Nationale de la Recherche Scientifique (CNRS) en het Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM).    

De ingewikkelde levenscyclus van de Plasmodium-parasiet. Centers for Disease Control and Prevention/Public domain

Methylering verhinderen

In 2019 had het laboratorium van Nardella, onder leiding van Artur Scherf, al het belang aangetoond van epigenetische DNA-aanpassingen voor de levenscyslus van de parasiet. Het Epigenetic Chemical Biology lab van het Institut Pasteur had dan weer een uitzonderlijke expertise op het gebied van DNA methyltransferase inhibitors, stoffen die de methylering van DNA verhinderen of afremmen, en dus was het logisch dat de twee teams samen gingen werken om moleculen te identificeren die in staat waren de methylering te verhinderen en de parasiet te doden.  

"Arturs team had een grondige kennis van de epigenetische mechanismen bij malaria, en wij hadden een unieke chemische bibliotheek met inhibitors die al geoptimaliseerd waren voor deze aanpassingen", zei chemicus Paola B. Arimondo, directeur Onderzoek bij het CNRS en het hoofd van de eenheid Epigenetic Chemical Biology van het Institut Pasteur/CNRS. 

De onderzoekers beslisten te werken met de Plasmodium falciparum parasiet, de dodelijkste van de vijf Plasmodium-parasieten die bij de mens malaria veroorzaken, die goed is voor vijftig procent van alle besmettingen.  Ze kozen meer bepaald voor een stam uit Cambodja die resistent was tegen artemisinine, een stof uit de zomeralsem-plant uit China die werkzaam blijkt te zijn tegen malaria. 

Verschillende vormen van P. falciparum in een uitstrijkje van bloed: ringstadium rechts, een schizont in het midden en een trofozoïet links.. Lukas S./Public domain

Parasieten in slechts zes uur gedood

In een eerste reeks van in-vitro-experimenten  - experimenten in schaaltjes in het labo - werden de parasieten losgelaten op menselijke rode bloedcellen zodat ze die konden infecteren en er zich in konden ontwikkelen. Meer dan 70 moleculen die methylering verhinderen, werden vervolgens getest om hun doeltreffendheid vast te stellen.

"Van zodra we de eerste moleculen testten, zagen we aanzienlijke activiteit, vergelijkbaar met middelen zoals chloroquine [een veel gebruikt middel tegen malaria, nvdr.]", zei Flore Nardella. "Dat gebeurt zeer zelden wanneer je een nieuwe bibliotheek aan moleculen test." "De inhibitor-moleculen waren zeer effectief en sommige ervan doodden de Plasmodium falciparum-parasieten in slechts zes uur", voegde Paola Arimondo daaraan toe. 

De onderzoekers zetten hun onderzoek voort met een tweede reeks experimenten waarin de meest effectieve moleculen getest werden op resistente geïsoleerde parasieten en opnieuw waren de resultaten overtuigend: de moleculen doodden wel degelijk de parasieten. 

"De studie toont voor het eerst aan dat parasieten in het bloed, waaronder ook artemisinine-restente stammen, snel gedood kunnen worden door de DNA-methylering in het vizier te nemen", zei Arimondo. "Gelet op het falen van de behandelingen dat we vooral zien in Zuidoost-Azië, is het belangrijk om nieuwe therapeutische doelwitten te vinden. Methylering zou de deur kunnen openen naar nieuwe geneesmiddelen die, in combinatie met artemisinine, resistente parasieten zouden kunnen uitschakelen", zei Nardella.  

In het derde stadium van hun werk testte het team de inhibitors in vivo - op levende wezens - op muizen die geïnfecteerd waren met de parasiet Plasmodium berghei. Opnieuw bleek die benadering succesvol: de behandeling doodde de parasieten in het bloed en de muizen overleefden de herseninfectie met malaria. 

De volgende stappen voor de twee onderzoeksteams zijn het nog meer optimaliseren van de selectiviteit en de doeltreffendheid van de meest veelbelovende moleculen, wat cruciaal is als de moleculen gebruikt zouden worden bij mensen, en het identificeren van moleculen die zouden kunnen inwerken op andere stadia van de ontwikkeling van de parasieten. 

De studie van de onderzoekers van het Institut Pasteur en het CNRS is vorig jaar gepubliceerd in ACS Publications. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van het Institut Pasteur.  

Het ringstadium van Plasmodium falciparum (de kleine donkere ringetjes). Ernst Hempelmann/Public domain