요약: 연구자들이 말라리아 기생충이 가장 중요한 항말라리아 약물 종류인 아르테미시닌계(artemisinins)에 내성을 가지게 만드는데 원인이 되는 분자 기전을 밝혔다. 아르테미시닌계 약물은 가장 위험한 형태의 말라리아를 일으키는 기생충 종들에 대항하는 현재의 모든 약물들 중 가장 빠른 작용을 가진 강력한 약물들이다. 아르테미시닌 조합 요법(Artemisinin combination therapies (ACTs))은 이제 P. falciparum 말라리아를 위한 전세계적인 표준 요법이다. 불행하게도, 아르테미시닌에 대한 내성이 서남아시아에 걸친 다섯 개 나라에서 감지되었다. 

세계 보건 기구(World Health Organization)의 2014 세계 말라리아 보고서에 따르면, 세계적으로 33억 명이 감염 위험에 있고 1억 9800만 건의 말라리아 사례가 있는 것으로 추정된다. 비록 말라리아의 영향이 여전히 크지만, 그 통계는 세계적인 말라리아 부담에서 상당한 감소를 반영한다. 2010년 이래로, 질병 전염은 30퍼센트 줄었고, 말라리아로 인한 사망률은 거의 반으로 줄었다. 

아르테미시닌계 약물은 가장 위험 형태의 말라리아를 일으키는 기생충인 Plasmodium falciparum에 대항하는 모든 현재의 약물들 중 가장 빠른 작용을 가지는 강력한 약물들이다. 아르테미시닌 조합 요법(Artemisinin combination therapies (ACTs))은 이제 P. falciparum 말라리아를 위한 세계적인 표준 요법이다. 불행하게도, 아르테미시닌에 대한 내성이 서남아시아에 있는 다섯 개 국에서 감지되었다. 캄보디아-태국 국경을 따라서, P. falciparum은 이제 대부분의 사용가능한 항말라리아 약물에 내성을 가진다. 아르테미시닌 내성은 말라리아 제어와 제거에 심각한 위협이 되고 있다. 

“혈액 단계 말라리아 감염에는 두 가지 단계가 있다. 첫 번째 단계에서, ‘ring’ 기생충 단계가 혈류에 순환하고, 두 번째 단계에서, ‘성숙한’ 기생충 단계가 몸의 조직들에 은신한다”고 Boler-Parseghian희귀 및 소외 질환을 위한 연구소(Boler-Parseghian Center for Rare and Neglected Diseases)의 James C. Parsons and Carrie Ann Quinn 소장이며 생물과학 Rev. Julius A. Nieuwland 교수인 Kasturi Haldar는 설명했다. “아르테미시닌계 약물은 첫 번째 단계를 표적으로 하기 때문에 빨리 말라리아를 치료하는데 매우 효과적이다. 환자들이 그 약품을 복용할 때, 그들의 열이 빠르게 내리고 그 기생충은 빠르게 제거된다”고 Haldar는 말했다.

비록 아르테미시닌계 약물이 널리 사용되고 조사되었지만, 아무도 그것들이 어떻게 작용하는지 또는 왜 임상적인 내성이 출현했는지를 완전히 이해하지 못하고 있다. 실험실 연구들은 아르테미시닌계 약물이 조직에 숨은 성숙한 기생충 단계에 대항해서 항상 활성을 가진다고 보였지만, 임상의들은 여전히 감염의 초기 단계에 있는 환자들로부터 내성 감염을 목격하고 있다. 덧붙여, P. falciparum에 대한 이전의 전장유전체 연관(genome wide association) 연구들은 아르테미시닌 내성과 연관된 유전자들을 확인했지만, 그 유전자들이 어떻게 작용하는지는 알려지지 않았다. 이번 노틀담대(University of Notre Dame)가 이끈 연구는 임상적으로 영향을 받은 ring 단계들에서 아르테미시닌의 표적과 그 기생충의 내성을 추적하기 위해서 사용되는 우성 표지인 PfKelch13이라고 불리는 유전자가 어떻게 아르테미시닌 내성을 일으키는지를 확인했다. 

“우리는 PI3P(phosphatidylinositol-3-phosphate)라고 불리는 지질의 수준이 아르테미시닌에 반응하는 종들보다 아르테미시닌-내성 P. falciparum 에서 더 높은 것을 관찰했다”고 이 연구의 공동-제일 저자이며 생물과학의 박사후 연구원인 Alassane Mbengue가 말했다. “이 지질은 PfPI3K라고 불리는 효소에 의해서 만들어진다. 우리는 아르테미시닌계 약물이 이 인산화효소가 PI3P 지질을 만드는 것을 억제하는 것을 발견했다”고 Mbengue가 덧붙였다. “우리는 또한 그 기생충에 존재하는 그 인산화효소의 양이 유전자 PfKelch13에 의해서 통제되는 것을 발견했다”고 Mbengue는 말했다. “이 유전자에서의 돌연변이는 그 인산화효소의 수준을 높이는데, 이 결과 PI3P 지질 수준을 늘린다. 그 기생충에 있는 PI3P 지질의 수준이 더 높을수록 아르테미시닌 내성의 수준이 더 높다. 우리는 또한 유전자 돌연변이 없이 기생충에서 그 지질의 수준을 연구하고 PI3P 지질 수준이 인공적으로 늘어났을 때, 그 기생충은 여전히 비례해서 내성을 가지게 되는 것을 관찰했다”고 Mbengue가 언급했다.

“우리의 결과는 우리가 아르테미시닌 내성이 널리 퍼져있는 곳인 캄보디아로부터 임상 기생충들을 연구했기 때문에 특히 의미가 있다”고 이 논문의 공동-제일 저자이며 생물 과학의 연구조교수인 Souvik Bhattacharjee는 설명했다. “우리는 아시아와 유럽, 미국에 있는 연구자들과 임상의들과 협력했다. Boler-Parseghian 희귀 및 소외 질환을 위한 연구소에 있는 협력자들은 IUSM의 Rob Stahelin, Computer Assisted Molecular Design Core, 화학 및 생화학과의 Olaf Wiest, 생물 과학과와 Genomics and Bioinformatics Core의 Shahir Rizk를 포함한다. 이것은 국제적이고 국지적인 수준에서 몇 년에 걸친 진정한 협력이었다”고 Bhattacharjee는 언급했다.

이 연구를 위한 다음 단계에 대해서 물었을 때, Bhattacharjee는 “아르테미시닌 내성을 극복하기 위해 현재 두 개의 선택권이 있다. 노틀담대와 Eli Lilly & Co, 그리고 Medicines for Malaria Venture에 있는 우리의 협력자들과 함께 연구해서, 우리는 PI3P 지질을 만드는 인산화효소의 기능을 억제하거나 인산화효소 자체의 생산을 방해함으로써 그 기생충을 죽이는 약물들을 찾을 필요가 있다”고 말했다.

Date:April 17, 2015 

Source:University of Notre Dame 

Summary:A molecular mechanism responsible for making malaria parasites resistant to artemisinins, the leading class of antimalarial drugs, has been discovered by researchers. Artemisinins are powerful drugs that have the most rapid action of all current drugs against the parasite species that causes the most dangerous form of malaria. Artemisinin combination therapies (ACTs) are now standard treatment worldwide for P. falciparum malaria. Unfortunately, resistance to artemisinin has been detected in five countries across Southeast Asia. 

According to the World Health Organization's 2014 World Malaria Report, there are an estimated 198 million cases of malaria worldwide with 3.3 billion people at risk for contracting the infection. Although the impact of malaria is still significant, the statistics reflect a considerable reduction in the global malaria burden. Since 2010, disease transmission has been reduced by 30 percent and mortality due to malaria has decreased by almost half.

Artemisinins are powerful drugs that have the most rapid action of all current drugs against Plasmodium falciparum, the parasite species that causes the most dangerous form of malaria. Artemisinin combination therapies (ACTs) are now standard treatment worldwide for P. falciparum malaria. Unfortunately, resistance to artemisinin has been detected in five countries across Southeast Asia. Along the Cambodia-Thailand border, P. falciparum is now resistant to most available antimalarial drugs. Artemisinin resistance poses a serious global threat to malaria control and elimination.

"There are two phases of blood stage malaria infection. In the first phase, the 'ring' parasite stage circulates in the bloodstream, and in the second phase, the 'mature' parasite stage sequesters in the tissues of the body," explained Kasturi Haldar, the Rev. Julius A. Nieuwland Professor of Biological Sciences and the James C. Parsons and Carrie Ann Quinn Director of the Boler-Parseghian Center for Rare and Neglected Diseases. "Artemisinins are highly effective in treating malaria quickly because they target the first ring stage. When patients take the medication, their fevers reduce quickly, and the parasite is eliminated rapidly."

Although artemisinins have been widely used and investigated, no one fully understood how they worked or why clinical resistance has emerged. Laboratory studies showed that artemisinins were always active against the mature parasite stages that sequester in tissues, but clinicians were observing resistant infections from patients who were still in early stage of infections. In addition, previous genome wide association studies of P. falciparum identified genes associated with artemisinin resistance, but it was unknown how the genes worked. This Notre Dame-led study identified both the target of artemisinins in the clinically affected ring stages and how a gene named PfKelch13, a dominant marker used to track the parasite's resistance, causes artemisinin resistance.

"We observed that levels of a lipid called phosphatidylinositol-3-phosphate (PI3P) were higher in artemisinin-resistant P. falciparum than artemisinin-sensitive strains," said Alassane Mbengue, a postdoctoral associate in biological sciences and co-first author on the study. "This lipid is produced by an enzyme called PfPI3K. We found that artemisinins block this kinase from producing PI3P lipids."

"We also discovered that the amount of the kinase present in the parasite is controlled by the gene PfKelch13," Mbengue said. "Mutation in the gene increases the kinase levels, which in turn increases PI3P lipid levels. The higher the level of PI3P lipids present in the parasite, the greater the level of artemisinin resistance. We also studied the lipid levels in parasites without the gene mutation and observed that when PI3P lipid levels were increased artificially, the parasites still became proportionately resistant."

"Our results are especially significant because we studied clinical parasites from Cambodia, where artemisinin resistance is highly prevalent," explained Souvik Bhattacharjee, research assistant professor of biological sciences and co-first author of the paper. "We collaborated with researchers and clinicians in Asia, Europe and the U.S. The local collaborators at the Boler-Parseghian Center for Rare and Neglected Diseases include Rob Stahelin at IUSM, Olaf Wiest in the Department of Chemistry and Biochemistry, the Computer Assisted Molecular Design Core, Shahir Rizk in the Department of Biological Sciences and the Genomics and Bioinformatics Core. This was true cooperation over several years at both the international and the local levels."

When asked about the next steps for this research, Bhattacharjee said, "There are presently two options for overcoming artemisinin resistance. Working with our colleagues at Notre Dame, Eli Lilly & Co. and the Medicines for Malaria Venture, we need to find drugs that kill the parasite by blocking the function of the kinase from making the PI3P lipid or disrupting the production of the kinase itself."