Inhibition of the Toxoplasma gondii replication by inhibition of the mitochondrial respiratory chain

Abstract

Der obligat intrazelluläre Parasit Toxoplasma gondii gehört ebenso wie Plasmodium falciparum zu den Apicomplexa. Das in den letzten Jahren gehäufte Auftreten von Resistenzen gegenüber gängigen Therapeutika macht die Erforschung neuer medikamentöser Angriffspunkte für diese Parasiten notwendig. Die mitochondriale Atmungskette von Toxoplasmen und Plasmodien weist eine Komponente auf, die in Säugerzellen nicht vorkommt und deshalb einen viel versprechenden Angriffspunkt für Antiparasitika darstellt: T. gondii und P. falciparum besitzen anstelle des konventionellen Komplexes I eine alternative NADH-Dehydrogenase. Die Substanz 1-Hydroxy-2-Dodecyl-4(1)-Quinolon (HDQ) ist in Enzymassays als hoch affiner Inhibitor der alternativen NADH-Dehydrogenase des Hefepilzes Yarrowia lipolytica beschrieben worden. HDQ ist außerdem in der Lage, das Wachstum von P. falciparum und Genotyp-I-Parasiten von T. gondii in der Zellkultur zu hemmen. Die vorliegende Dissertation hat zum Ziel, die Wirkungsweise von HDQ in verschiedenen T. gondii-Stämmen und -Mutanten genauer zu charakterisieren. Mit zwei unabhängigen Wachstumsassays wird nachgewiesen, dass HDQ das Wachstum unterschiedlicher T. gondii-Stämme im nanomolaren Bereich effektiv inhibiert unabhängig davon, ob es sich um Genotyp-I- oder Genotyp-II-Parasiten handelt. Der Inhibitor zeigt in den Kurzzeitversuchen eine parasitostatische Wirkung. Unerwarteterweise erholen sich die Parasiten unter der Behandlung mit HDQ im Langzeitversuch. Ein kritischer Punkt in der Struktur von 1-Hydroxy-2-Alkyl-4(1)Quinolon-Derivaten ist die Länge der Alkyl-Seitenkette an Position zwei. So zeigt sich HDQ als Derivat mit einer langen Alkyl-Seitenkette (C12) als effektiver Inhibitor der T. gondii-Replikation. Im Gegensatz dazu konnte ein Derivat mit einer kürzeren Alkyl-Seitenkette (C6) den Parasiten nicht in seinem Wachstum inhibieren. Eine definierte Mindestlänge der Alkyl-Seitenkette ist möglicherweise entscheidend, um in die innere Mitochondrienmembran zu diffundieren oder als Kompetitor zu Ubiquinon zu fungieren. Eine Inkubation von Toxoplasmen mit HDQ und dem Komplex-III-Inhibitor Atovaquon führt zu einem Synergismus, der unabhängig vom Genotyp des Parasiten vorhanden ist. Vermutlich kommt es hierbei zu einer Inhibition des Ubiquinon/Ubiquinol-Kreislaufs an der Reduktionsseite durch HDQ und an der Oxidationsseite durch Atovaquon. Die Behandlung von T. gondii mit HDQ und dem Komplex-III-Inhibitor Antimycin A ist tendenziell additiv und unterscheidet sich somit von der synergistischen Wirkung zwischen HDQ und Atovaquon. Ein Schwerpunkt dieser Dissertation ist die vergleichende Untersuchung von Wildtyp-Parasiten und UPRT-Defizienzmutanten. Wildtyp-Parasiten können Pyrimidine sowohl über die de-novo-Biosynthese herstellen als auch über den salvage pathway wieder verwerten, wohingegen bei UPRT-Defizienzmutanten der salvage pathway funktionsunfähig ist. Die UPRT-Defizienzmutanten zeigen gegenüber HDQ im Vergleich zu den Wildtyp-Parasiten eine signifikant höhere Sensitivität. Diese HDQ-Hypersensitivität könnte auf eine direkte oder indirekte Hemmung der Pyrimidin-de-novo-Synthese hinweisen, da dieser Stoffwechselweg über die Dihydroorotat-Dehydrogenase mit der mitochondrialen Atmungskette verbunden ist und dieses Enzym Ubiquinon als Elektronenakzeptor verwendet. Diese Dissertation verdeutlicht, dass die Inhibierung der Toxoplasma-gondii-Replikation durch Hemmung der mitochondrialen Atmungskette und assoziierter Stoffwechselwege wie der Pyrimidin-de-novo-Biosynthese viel versprechende Ansatzpunkte für die Entwicklung spezifischer Antiparasitika liefert und daher sicherlich auch in Zukunft ein interessantes Forschungsobjekt darstellt.