Strategie antivirali e interferoni, Università San Raffaele

Università San Raffaele Roma

Professore Paola Checconi

Argomento

Strategie antiviraliT

Farmaci antivirali

Classificazione dei microrganismi

Università San Raffaele

Roma

Paola Checconi

Eukarioti

Bacteria

Batteri parassiti obbligati

Virus

Funghi

Micobatteri

Bacteria

gram-negativi

Bacteria

gram-positivi

Chlamidia

Rickettsia

Virus

a RNA

Virus

a DNA

Terapie e farmaci specifici

Tobramicina

Penicilline

Azoli

Allilamine

Cicloeximide

Polieni

Polioxine

Analoghi dell'

acido nucleico

Echinocandine

L

Sulfonamidi

Cefalosporine

Chinoloni

Inibitori

non-nucleosidici

della trascrittasi inversa

Inibitori delle proteasi

Streptomicina

Inibitori della fusione

Tetracicline

L

Analoghi nucleosidici

Interferone

Isoniazide

L

Polimixine

L

Vancomicina

Daptomicina

L

-

Platensimicina

Strategie antivirali

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Sviluppo di farmaci antivirali

Approcci storici e moderni

Università San Raffaele

Roma

Paola Checconi

Negli anni 60'-70', l'individuazione di molecole antivirali si basava sull'osservazione dell'effetto del

composto su colture cellulari infettate.

La prima molecola selezionata fu l' amantadina (1960), ad attività anti-influenzale; per 25 anni non se

n'è conosciuto il meccanismo di azione.

Negli anni '80, questo approccio venne sostituito dal rational drug design basato sulla conoscenza del

ciclo virale. Questa strategia individua come «targets» le proteine virali necessarie alla realizzazione

del ciclo, targets che dovrebbero essere:

• precoci: per intervenire nelle prime fasi del ciclo biologico;
• selettivi: presenti solo nel virus, per ridurre la comparsa di effetti collaterali;
• condivisi: dalla maggior parte di ceppi di un virus, o specie della stessa famiglia

Identificato il target, le molecole candidate possono derivare da modificazioni di molecole note o

essere sintetizzate ex-novo a livello molecolare con l'ausilio di un software dedicato (in silico).

Screening rapido delle molecole più promettenti per selezionare le più efficaci.

Strategie antivirali

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Rational drug design: targets terapeutici

Fasi del ciclo vitale del virus

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Paola Checconi

Le strategie per lo sviluppo razionale

di farmaci antivirali mirano ad una

specifica fase del ciclo vitale del virus

E' importante interferire sul ciclo

biologico nella fase più precoce

possibile

Function

Lead compound or example

Virus

Attachment

Peptide analogs of

attachment protein

HIV

Penetration

and uncoating

Dextran sulfate,

heparin

HIV, herpes

simplex virus

mRNA synthesis

Interferon

Hepatitis A, B, and

C viruses; papillomavirus

n

Antisense

oligonucleotides

Papillomavirus, human

cytomegalovirus

Protein synthesis/

Initiation

RNA

DNA

DNA/RNA

replication

Nucleoside,

nonnucleoside analogs

Herpesviruses, HIV,

hepatitis B and C virus

Peptidomimetics

HIV, herpes simplex virus

Prof. Vincent Racaniello · Columbia University

Interferon

Hepatitis A, B, and

C viruses; papillomavirus

Assembly

Strategie antivirali

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Targets terapeutici e meccanismi d'azione

Farmaci e loro bersagli

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Roma

Paola Checconi

• Farmaci che agiscono sulle fasi precoci (Es. inibitori canale ionico

M2, amantadina -> influenza)

• Farmaci che agiscono sulla replicazione degli acidi nucleici

virali/su enzimi virus specifici [es. analoghi nucleosidici

acicloguanosina (aciclovir) -> HSV, azidotimidina AZT-> HIV; inibitori

polimerasi -> influenza, inibitori proteasi -> HIV]

• Farmaci che agiscono sull'assemblaggio e/o rilascio della

progenie virale (es. inibitori neuraminidasi, oseltamivir ->influenza)

Strategie antivirali

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Farmaci anti-influenzali

Meccanismi d'azione specifici

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Paola Checconi

Attachment

Virion release

CR6261

CT-P27

MEDI8852

Oseltamivir

Zanamivir-

Peramivir

DAS-181

MHAA4549A

Packing and

budding

Nitazoxanide

Amantidine

Rimantidine

Fusion and

Uncoating

Translation

Low pH

mRNA

(-)VRNA

(+)cRNA

Baloxivir

Pimodivir

Favipiravir

Export of vRNP to

the cytoplasm

Behzadi MA Front Microbiol.2019

Strategie antivirali

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Limiti delle terapie antivirali attuali

Problematiche e sfide

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Roma

Paola Checconi

Nonostante 50 anni di ricerca abbiano fatto luce su struttura e ciclo replicativo di gran parte

dei virus patogeni, l'arsenale antivirale rimane ancora limitato.

Alcuni virus non possono essere propagati o sono altamente pericolosi (HBV, Ebola)

Gran parte delle infezioni acute è di breve durata; somministrazione del farmaco nella fase

precoce della malattia oppure a scopo profilattico

La maggior parte degli antivirali attualmente in commercio è impiegata nella terapia di

infezioni persistenti /latenti (HIV, HCV, Herpesvirus).

• Scarsa tossicità selettiva per parassitismo endocellulare obbligato dei virus
• Tossicità /Effetti collaterali
• Resistenze

Strategie antivirali

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Nuovi approcci antivirali

Composti e meccanismi emergenti

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Paola Checconi

CURCUMIN AND ANALOGUES [101; 102]

R. coreanus; OXIMACRO [110];[112]

CYSTUS052® [140]

GINSENG EXTRACT [109]

H. lupulus EXTRACT [108]

QUERCETIN AND CATECHINS [100]

GINSENG EXTRACT [109]

STILBENE AND

CHALCONE DERIVATIVES [99]

VIRAL RELEASE

1

VIRAL ENTRY

IAV

RV AND CURCUMIN

ANALOGUES [98]; [103]

Assembly

1

GSH (5; 63)

GSH-C4 [34]

MAPK

H. lupulus EXTRACT [108]

CURCUMIN ANALOGUES [103]

RNP Formation

Protein Synthesis and folding

P38

JNK

ERK1/2

1

1

GSH

Se@AM

NANOPARTICLES

[124]

mRNA Synthesis

VRNP

L

RNA (+) Synthesis

Nrf2

RNA (-)

ARE

RNA (-) Replication

VITAMINS [143-149]

SELENIUM [153-156]

NAC [55; 56]

GSH (159]

GSH-C4 [165-167]

1

IMMUNE RESPONSE

Checconi P. et al

Int J Mol Sci 2020

Strategie antivirali

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P

SULFORAPHANE; EGCG [46]

CURCUMIN [104]

ROS PRODUCTION

1T

Difese antivirali non immunitarie

Barriere e risposte innate

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• Barriere anatomiche
• Risposta infiammatoria

- Febbre

Replicazione virale

entro un ristretto range di temperatura

- Fagocitosi

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Difese antivirali non dipendenti dalla risposta immune

Xenofagia e Interferon

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• Xenofagia

Ruptured

phagosomes

Bacteria

Viruses

Galluzzi L et al. EMBO J. 2017

• Interferon

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Interferon: scoperta e meccanismo

"Interferenza virale"

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Roma

Paola Checconi

"Interferenza virale": cellule infettate da un

virus risultano resistenti ad un'infezione

successiva o concomitante

Nel 1957, Isaacs and Lindenmann infettarono

frammenti di membrana corion-allantoidea di

pollo con virus influenzale A termoinattivato.

I frammenti non solo diventavano resistenti a

superinfezioni con lo stesso virus (attivo), ma

rilasciavano in soluzione una proteina capace di

trasferire lo stato di resistenza antivirale ad altri

frammenti - a questa proteina venne dato il

nome di interferon

Transfer

medium

Heat-inactivated

Influenza

Live

virus

overnight

discard

overnight

overnight

Fresh

membrane

Chori oallantoic

membrane

NO

REPLICATION

The Discovery of Interferon

From Isaacs and Lindenmann, Proc. Roy Soc B, 1957

Strategie antivirali

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IFNs: Caratteristiche

Proprietà delle molecole proteiche

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Paola Checconi

Famiglia di molecole proteiche, talvolta glicosilate -differenti per struttura

molecolare, origine cellulare e stimolo inducente - e accomunate dalle seguenti

caratteristiche:

• Proteine la cui sintesi è indotta da vari stimoli, in particolar modo da

un'infezione virale

• L'attività antivirale non è diretta, ma mediata da proteine effettrici
• L'azione non è specifica per il virus inducente, essendo capaci di inibire la

replicazione di altri virus

Sono dotate di specie-specificità, essendo attive su cellule della stessa specie, o

specie tassonomicamente vicine a quelle in cui sono state prodotte

Persistenza limitata (poche ore/giorni), l'attività antivirale permane per 48 h

dalla loro eliminazione

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Tipologie di Interferon

Classificazione e modo d'azione

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Paola Checconi

• IFN-a proteine poco o non glicosilate prodotte prevalentemente da cellule dendritiche,

monociti, linfociti B stimolati da cell. "estranee" (cellule infettate da virus)

• IFN-B: proteine glicosilate prodotte da cellule infettate da virus (cell. epiteliali,

fibroblasti) stimolate dalla presenza di acidi nucleici estranei

Modo d'azione: inducono le cellule a produrre proteine antivirali (AVPs) che inibiscono la

replicazione virale.

• IFN-y: glicoproteina prodotta dai linfociti T stimolati da antigeni. Induce i neutrofili e i

macrofagi alla fagocitosi. Coinvolto anche nell'immunità anti- tumorale

Sono stati prodotti interferoni ricombinanti, ma hanno una breve azione e molti effetti

collaterali. Non hanno azione sulle cellule già infettate.

Strategie antivirali

13 di 15T

Meccanismo d'azione dell'Interferon

Processo di difesa cellulare

Università San Raffaele

Roma

Paola Checconi

1

Viral RNA

from an

infecting

virus

enters

the cell.

2

The infecting virus

replicates into

new viruses.

5

New viruses released by the

virus-infected host cell infect

neighboring host cells.

Viral RNA

Infecting

virus

Viral RNA

6

AVPs degrade

viral mRNA and

inhibit protein

synthesis-and

thus interfere

with viral

replication.

Nucleus

Translation

Antiviral

proteins

(AVPs)

200000

Transcription

Transcription

IFN-mRNA

Translation

Alpha- and beta-

interferons

Virus-infected host cell

Neighboring host cell

3

The infecting

virus also induces

the host cell to

produce inter-

feron on RNA

(IFN-mRNA),

which is trans-

lated into alpha-

and beta-

interferons.

AVPs:

oligoadenilato sintetasi

proteinchinasi

proteine MX ->Influenza virus

4

Interferons released by the virus-infected host cell bind

to plasma membrane or nuclear membrane receptors

on uninfected neighboring host cells, inducing them

to synthesize antiviral proteins (AVPs). These include

oligoadenylate synthetase and protein kinase.

Strategie antivirali

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Applicazioni terapeutiche dell'Interferon

Produzione e impiego clinico

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Paola Checconi

Produzione:

IFN naturale (colture cellulari)

IFN ricombinante (ingegneria genetica)

Impiego:

IFN-a (e, in minor parte, IFN-ß) utilizzati per:

epatiti croniche (HBV, HCV), infezioni genitali/laringee da HPV

neoplasie: alcuni tipi di leucemie; scarsa efficacia verso tumori solidi

IFN- y utilizzato per:

malattia granulomatosa cronica, lebbra, leishmaniosi viscerale, toxoplasmosi

Emivita modesta (5-6 ore) che può essere aumentata (6-7 giorni) mediante coniugazione a

polietilene glicole (forma «peghilata» garantisce una concentrazione ematica maggiore e più

duratura , consentendo un minor numero di somministrazioni)

Strategie antivirali

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