ParasiterDiscovery orsakar förödande ofsjukdomarBioactive Molecules Vi delar vår planet inte bara med andrain större Nature djur, utan också med en uppsjö olika mikroorganismer och en del av dessa är skadliga eller till och med dödliga för oss människor.
Det finns en rad olika parasiter som orsakar sjukdomar. En medicinskt viktig grupp är parasitiska maskar (helminter), som beräknas infektera en tredjedel av världens befolkning, särskilt i Afrika söder om Sahara, södra Asien samt i Mellan- och SydamerikaLars Bohlin (Figur 1). Flodblindhet och lymfatisk filariasis är två sjukdomar som orsakas av parasitiska Professormaskar. Som namnetemeritus antyder leder flodblindhet till blindhet, till följd av en kronisk inflammation i hornhinnan. Lymfatisk filariasis drabbar mer än 100 miljoner människor och orsakarPharmacognosy kronisk svullnad , samtDepartment livslång funktionsnedsättningof Pharmaceutical och stigmatisering, bland annat i form av elefantiasis (lymfödem)Bioscience samt ödem, Uppsala i skrotum. University Malaria har utgjort en farsot under hela mänsklighetens historia. Sjukdomen sprids via myggor och orsakas av encelliga parasiter, som infekterar de röda blodcellerna. Infektionen ger upphov till feberattacker och i svåra fall organskador som kan ha dödlig utgång. Mer än 3,4 miljarder människor, framför allt i fattiga områden, löper risk att bli smittade av malaria och sjukdomen skördar varje år fler än 450 000 liv, framför allt bland barn.
Från bakterier och växter Föreläsningtill nya behandlingar Apotekarkurs mot parasiter 201204 Efter årtionden av mycket begränsade framsteg i utvecklingen av behandlingar mot parasitsjukdomar har de upptäckter som gjorts av årets Nobelpristagare radikalt förbättrat denna situation.
Satoshi Ōmura, en japansk mikrobiolog och expert på att isolera naturprodukter, hade siktet inställt på en särskild sorts bakterier, Streptomyces, som lever i jorden och som man visste producerade en rad ämnen med antibakteriell aktivitet (tex Streptomycin, som upptäcktes av Selman Waksman, belönat med Nobelpriset 1952). Utrustad med en exceptionell kompetens när det gällde att utveckla metoder för att odla dessa bakterier i laboratoriet lyckades Ōmura isolera ett stort antal olika Streptomyces- stammar och få dem att växa och föröka sig i laboratoriemiljö. Från början hade han flera tiotusentals olika bakteriekulturer under odling, och han valde ut ett femtiotal som föreföll mest lovande, med en förhoppning om att deNobel skulle kunna prizeinnehålla ämnen in sommedicine kunde slå ut skadliga 2015 mikroorganismer (Figur 2).
Chiral O Figur 2: Satoshi Ōmura letadeH efter nya HOStreptomycesO -bakteriestammarO O som en O O H källa O förO att finna nya intressanta bioaktiva ämnen. HanO O isolerade OH H bakterier från jordprover i Japan, odlade dem i laboratorietO (visat till H vänster i bilden) och karakteriseradeOH tusentals olika Streptomyces-odlingar. En av dessa visade sig senare vara StreptomycesAvermectin avermitilis (visat till höger i bilden), källan till Avermectin.
Flodblindhet
Nobelförsamlingen vid Karolinska Institutet har idag beslutat att tilldela Elefantiasis
Nobelpriset i fysiologi eller medicin år 2015
Prof. Satoshi Omuramed enaand hälften Prof.gemensamt tillWilliam Campbell
William C. Campbell och Satoshi Ōmura för deras upptäckter rörande en ny terapi mot infektioner orsakade av parasitmaskar
och den andra hälften till
Youyou Tu för hennes upptäckter rörande en ny terapi mot malaria
Sjukdomar som orsakas av parasiter har varit ett gissel för mänskligheten sedan urminnes tider och utgör ett globalt hälsoproblem. Parasitsjukdomar drabbar särskilt den fattigaste delen av mänskligheten och är ett hinder för att förbättra människors hälsa och välmående. Årets Nobelpristagare har utvecklat nya terapier som har revolutionerat behandlingen av några av de mest spridda och förödande 1 parasitsjukdomarna.
William C. Campbell och Satoshi Ōmura upptäckte ett nytt läkemedel, Avermectin, som i en vidareutvecklad form radikalt har minskat förekomsten av flodblindhet och lymfatisk filariasis, samt visat sig vara effektivt även mot en rad andra parasitsjukdomar. Youyou Tu upptäckte Artemisinin, ett läkemedel som avsevärt sänkt dödligheten för patienter som lider av malaria.
Dessa två upptäckter har försett mänskligheten med nya sätt att bekämpa dessa svårartade sjukdomar som årligen drabbar hundratals miljoner människor. Vinsterna av detta i form av minskat lidande och förbättrad global hälsa är närmast omätbart stora.
Figur 1: 2015 års Nobelpris i Fysiologi eller Medicin belönar upptäckter rörande nya terapier för några av de mest förödande parasitsjukdomarna: flodblindhet, lymfatisk filariasis (elefantiasis) och malaria. Dessa sjukdomars utbredning är likartad och visas i blått på världskartan. William C. Campbell, forskare i USA och expert på parasitbiologi, tog emot Omuras Streptomyces- odlingar för att undersöka deras effekt på parasiter. Campbell kunde visa att en komponent från en av Ōmuras bakterieodlingar var särskilt effektiv när det gällde att slå ut parasiter hos olika husdjur. Den verksamma substansen renades fram och fick namet Avermectin. Avermectin modifierades därefter kemiskt till en ännu mer effektiv form, Ivermectin, som senare testades på smittade människor där den effektivt dödade parasitlarver (mikrofilaria) (Figur 3). Sammantaget har Omuras och Campbells upptäckter lett till upptäckten av en ny klass av läkemedel som är extremt effektiva mot parasitsjukdomar.
Figur 3: William C. Campbell upptäckte att en av Ōmuras Streptomyces- odlingar innehöll något som mycket effektivt avdödade parasiter och den aktiva komponenten, Avermectin, renades fram. Avermectin modifierades därefter till Ivermectin, som var ännu effektivare och som slog ut en rad olika parasiter, både i djur och människa. Ivermectin visade sig också vara mycket effektivt mot de parasiter som orsakar flodblindhet och lymfatisk filariasis.
Malaria behandlades traditionellt med klorokin och kinin, men med minskande framgång. Mot slutet av 1960-talet hade alla försök att utrota malaria misslyckats och sjukdomen var stadd i spridning. Vid denna tidpunkt började Youyou Tu studera gamla örtmedicinrecept för att se om detta kunde ge uppslag till nya former av behandling mot malaria. Från en storskalig analys av olika örtbaserade dekokter framstod växten Artemisia annua som en intressant kandidat. Resultaten var dock inte entydiga, men efter att än en gång konsulterat månghundraåriga recept lyckades Tu utveckla en reningsmetod för att utvinna den aktiva beståndsdelen från Artemisia annua (Figur 4). Tu kunde sedan påvisa att den framrenade beståndsdelen, som sedan kom att kallas Artemisinin, var mycket effektiv när det gällde att slå ut malariaparasiten både i djur och hos människa. Artemisinin representerar en ny klass av malarialäkemedelNobel som prize är unik genom in attmedicine den avdödar malariaparasiten 2015 på ett tidigt stadium i dess livscykel, vilket är en förklaring till att Artemisinin är den mest effektiva behandlingen för svåra former av malaria.
O O Figure 4: OYouyou Tu letade i gamla örtmedicinrecept efter uppslag för att O utvecklaH nya terapierH mot malaria. Växten Artemisia annua dök upp som en O intressant kandidatH och Tu utvecklade en reningsmetod, som ledde fram till identifieringen av den aktiva komponenten, Artemisinin. Artemisinin är ettArtemisinin mycket effektivt läkemedel mot malaria.
Nobelförsamlingen vid Karolinska Institutet har idag beslutat att tilldela Malaria
Nobelpriset i fysiologi eller medicin år 2015
med ena hälften gemensamt till Prof. Tu You You William C. Campbell och Satoshi Ōmura för deras upptäckter rörande en ny terapi mot infektioner orsakade av parasitmaskar
och den andra hälften till
Youyou Tu för hennes upptäckter rörande en ny terapi mot malaria
Sjukdomar som orsakas av parasiter har varit ett gissel för mänskligheten sedan urminnes tider och utgör ett globalt hälsoproblem. Parasitsjukdomar drabbar särskilt den fattigaste delen av mänskligheten och är ett hinder för att förbättra människors hälsa och välmående. Årets Nobelpristagare har utvecklat nya terapier som har revolutionerat behandlingen av några av de mest spridda och förödande parasitsjukdomarna. HistoricalWilliam C. Campbell impact och Satoshi Ōmura upptäckteon drug ett nytt läkemedel, discovery Avermectin, som i en based vidareutvecklad form radikalt har minskat förekomsten av flodblindhet och lymfatisk filariasis, samt visat sig vara effektivt även mot en rad andra parasitsjukdomar. Youyou Tu upptäckte Artemisinin, ett läkemedel som avsevärton sänkt naturaldödligheten för patienter compounds som lider av malaria. Dessa två upptäckter har försett mänskligheten med nya sätt att bekämpa dessa svårartade sjukdomar som årligen drabbar hundratals miljoner människor. Vinsterna av detta i form av minskat lidande och förbättrad global hälsa är närmast omätbart stora. • Cardiac glycosides Treatment of heart failure
• Penicillin G Infectious diseases
• Tubocurarine New possibilities in surgery • Aspirin / morphine Treatment of pain
• Quinine / artemisinine Treatment of malaria
• Vinca alkaloids, taxol Treatment of cancer
• Cyclosporin Organ transplantations
Figur 1: 2015 års Nobelpris i Fysiologi eller Medicin belönar upptäckter rörande nya terapier för några av de mest förödande parasitsjukdomarna: flodblindhet, lymfatisk filariasis (elefantiasis) och malaria. Dessa sjukdomars utbredning är likartad och visas i blått på världskartan.
2
Drug discovery based on natural products
Cardiovascular drugs
Pyr-Trp-Pro-Arg-Pro-Gln-Ile-Pro-Pro
Teprotide
CH3 HS N CO2H O
Bothrops jararaca Captopril (ACE-inhibitor) Blood pressure
Continuing source…
Newman, D. And Cragg, G. J. Nat. Prod., Vol. 79, 629-661, 2016
3 Pharmacognosy
”Pharmacognosy is a molecular science that explores nature in search for structure-activity relationships with a drug potential.”
Bruhn, J. and Bohlin, L., Drug Discovery Today, 2, 243-246, 1997
Modern Pharmacognosy: Connecting biology and chemistry
4 Strategy Pharmacognosy research
in vivo
in vitro
in silico
biological activity
systems
observation selection bioassay correlation
organism data phylogenetic analysis separation identification
chemoinformatics
Larsson, S., Backlund, A. and Bohlin, L. Phytochemistry Letters 1, 131-134 (2008)
Diversity of bioassays
2020 • Rheumatoid arthritis antibodies • Pathogenic parasites • Multiresistant bacteria • Human cancer cells • COX-2 expression human intestine • Binding to 5HT-receptors • Settlement of cyprid larvae • Binding to PAF-receptor 2013 • Surface Plasmon Resonance • Scintillation Proximity Assay • Inhibition of cyclo-oxygenases • Exocytosis in human neutrophil • Skin transplantation in mouse • Rat paw and mouse ear oedema • Ischemi rat kidney • Secretion in mouse intestine • Contraction Guinea-pig ileum Bohlin, L. and Huss, U. • Metabolism in rats Biological screening of plant constituents • Contraction rat diaphragma Training manual, ICS-UNIDO, 2006 • Hippocratic screening in rat Claeson, P. and Bohlin, L., • Contraction human uterus 1960 Trends in Biotechnology,15, 245-248, 1997
5 Congo Host defence Clinical use against Gotland psoriasis - Truffles
muscle Sweden - Deep sea Honduras
activity Chemical space Micro poisons cosmos relaxant Arrow Chemical and genetic diversity Thailand Madagascar
Target Prediction finding
Antidot against A research journey… Jelly fish stings Historical use Polypeptides West Samoa
Living tradition Sweden
Sweden Polypeptides Sweden
Toxicological observation of the use of poisons
6 Pharmacological potential of the rain forest
Central African Rebublic Meeting between Prof. Finn 1962-63 Sandberg and Abraham Bitombi
Botanical origin of the arrow poison?
? Village Nola Central African Republic
Semillas de Strophantus gratus (Nea)
Corteza de Erythrophleum suaveolens (Mgbanda) Corteza de Strychnos icaja (Mbondo) Bulbos de Dioscorea bulbifera (Kole) Bulbos de Diospyros physocalycina (Timpo)
7 Expedition to East Africa 1975
Field work
8 Pharmacological activity Strychnos alkaloids
Arrow poisons and muscle-relaxant activity
Professor Finn Sandberg
Central Africa Missionaries
Systemic effect? Hippocratic screening in rats and mice
Central or peripheral effect?
Ph.D. Rob Verpoorte 1976 Diaphragma muscle
Ph.D. Lars Bohlin 1978 Bioassay guided isolation of Ph.D. Wenche Rolfsen 1980 muscle-relaxant and convulsive indol alkaloids
9 End of hard work
Ecological observation of marine organisms
10 Use of marine organisms
Marine organisms
11 Marine natural product reseach
Tetrodotoxin from Puffer fish
Ulupualide from Nudibranch
Post-doc at Stanford University and Manoa University, USA 1978-1981
12 The complexity of nature
Limu-Make-O-Hana Palythoa toxica
Arrow poison
Coelenterate (Zoanthid)
Palytoxin
C129H223N3O54
Induce coronary artery contraction Na+, K+-ATP-ase target molecule Palytoxin
Marine anticancer drug 2007
Yondelis (Trabectidin)
Soft tissue sarcoma Ovarian cancer
Sea squirt Ecteinascidia turbinata
13 Marine Pharmacognosy Pharmacological potential of Swedish marine organisms
O
NH H HN N NH2 Br N H O NH
Sponge reefs in North Atlantic
Very old Hot spots diversity Slowly growing Vulnerable
14 Koster fjord at Swedish west-coast
Geodia barretti
123.5 m depth
Marine host-defence interactions
The marine sponge Geodia barretti as a model for studying:
• Ecologically-guided isolation of bioactive compounds • Roles of multiple defence - synergistic actions • Development of synthetic analogues • Physiological action Geodia barretti • Receptor-ligand interactions
15 Target organism
Balanus improvisus
Biofouling
• Tolerates low salinities • Reproduces several times per season • Prefers smooth surfaces
16 The life cycle of B. improvisus
7-14 days
Nauplius larvae 1.5 cm
0.5 mm Cyprid larvae Adult barnacle
1-14 days 1 mm 14 days Cyprid larvae 24 h attached to the surface Juvenile barnacle
Antifouling activity
Sjögren, M. et al., Biofouling, 20, 291-297 (2004)
17 Ecological observation in cold waters
Barettin 100 8,9-dihydrobarettin 5-hydroxytryptamine 80 Methysergide
60
40
20
0 -10 -8 -6 -4 -2 log [compound]
Similarities to human molecular targets? (Pharmacology, UU) Systemic function (TMBL, GU, Cell Biology, GU) Bioassay-guided characterization (Pharmacognosy, UU)
O
NH H HN N NH IPR & leads Br N 2 H O NH (UUU AB, UIC) Photo: Thomas Lundälv
Chemical Synthetic strategy ecology (Org. Chem., KI) (TMBL, GU)
Development of a non-toxic on-growth inhibiting paint
Ethnopharmacological observations of the use of medicinal plants
18 Observation of the use of medicinal plants in West Samoa
Collection of medicinal plants in West Samoa 1989
19 Screening of pharmacological activity of plant extracts from West Samoa
Alphitonia zizyphoides
• Rainforest tree in the Pacific islands • West Samoa: Healers prepare decoction of bark against Fula=swelling; Mumu=inflammatory diseases • Extract (70% ethanol): Rat ear oedema, Pg-biosynthesis. Muscle relaxant (in vivo and in vitro) • Extract (water): Replacement of FCS – culture of lymphoid cells in vitro
Crude ethanol extract
Water soluble Water insoluble
AZH Zizyphoisides
Perera, P. et al. Magn Res Chem, 31, 472-480 (1993) Andersson Dunstan, C. et al., Cytotechnology, 14, 27-38 (1994)
20
Medicinal plant orally used against psoriasis in Honduras
• Sold in pharmacy as extract in capsules • Treatment of inflammatory skin • Traditional name: Calaguala • Clinical studies • Immune system Polypodium decumanum CH2SO3Na In vitro O (CH2 )14CH3 HO PAF/fMLP O (CH2)14CH3 In vivo Cytoto PAF and fMLP O receptors HO OH xic effects
NEUTROPHIL Other receptors SQDG Elastase inhibition Intracellula
ELASTASE r signalling
Suc-Ala-Ala-Val-pNA pNA (SAAVNA) p-nitroanilide
Vasänge et al., J. Pharm. Pharmacol., 49, 562 (1997)
Anti-inflammatory compounds OH O H OH HO O H O OH O OH OH O OH H CO O O Noreen, Y. et al, 3 OH Planta Med. 64 (1998) OH OH OH HO O OCH3 Ibewuike, J. C. et al, OCH3 OH O Phytoter. Res. 11 (1997) O OH OH O H OH O H H COOH HO Pongprayoon, U. et al, Bucar, F. et al, HO Planta Med. 57 (1991) Planta Med. 64 (1998) HO HO Nasiri, A. et al H OH Ringbom, T. et al, Planta Med. 59 (1993) H3CO J. Nat. Prod. 61 (1998) OH O O O HOH2C OH HO H O HO OH H H3CO O H Andersson Dunstan, C. et al, HO H Phytochemistry 48 (1998) H OH O H H O O HO OH O OCH3 O OH OH OCH3 Noreen, Y. et al HO J. Nat. Prod. 61 (1998) OH Segura, L. et al Planta Med. 66 (2000) Ogundaini, A. et al, J. Nat. Prod. 59 (1996) Olsson, E. et al, Planta Med. 59 (1993) COOH
Kraus, C. M. et al, J. Nat. Prod. 61 (1998)
21 Can known compounds be of value?
Tulp, M., and Bohlin, L. Bioorganic and Medicinal Chemistry, 13, 5274-5285 (2005)
Cytotoxic Activity of Cardiac Glycosides - mechanism of action, and combination effects
Anticancer Drugs 2001
J. Nat Prod. 2009
PlosONE 2011
22 Traditional use in Central Africa Two independant observations by Lorents Gran and Finn Sandberg
1970 F. Sandberg, Etude sur les plantes medicinales et toxiques d’Afrique équatoriale (1965). Cahiers de la Maboké, III (1), 5
Oldenlandia affinis DC Kalata-kalata Similar effect as oxytocin? Polypeptid?
1995 Discovery of novel chemical structure Facilitate child birth Cyclotide
Cyclotides Novel scientific questions
Why are they there? Biological activity Occurrence and structures Structure/activity
How are they produced? Folding studies
Can we use them? Pharmacological/biological activity Scaffolds for protein engineering
Fundamental research - driven by curiosity!
23 Cyclotides-insecticidal activity
Helicoverpa punctigera larvae
Insecticidal effect of kalata B1. After feeding 16 days 3 mg weight against control 284 mg.
Jennings, C. et al., PNAS, 98, 10614-10619 (2001)
Cyclotide cocktails in Viola species
V. cotyledon
V. biflora LC-MS reveals V. arvensis hundreds (?) of cyclotides in a single plant species V. tricolor
V. riviniana
V. odorata aerial
underground
Göransson et al., Anal Biochem, 318, 107, 2003
24 Cyclotides-ultrastable proteins
• 28-37 AA • Cyclic peptide backbone • 3 disulfide bonds in a cystine knot • Genetic origin • Extremely stable
• Today 200+ sequences known • Mostly from Violaceae • Produced in “coctails” • Hemolytic • Anti-HIV • Neurotensin-binding inhibitory • Insecticidal Biophysical studies on membrane • Antimicrobial effect interactions • Antimicrobila effec Cytotoxi Antimicrobial
Novel strategies
Göransson, U. et al., Current Protein and Peptide Science, 5, 317-329, 2004
25 Novel structure and novel bioactivity
Zizyphoisid Cyclotide New structure
Chemical Histamine SQDG Known
Known New
Biological activity
Inflammation and cancer
26 Potential for natural product research
• Understand and exploit mechanisms of evolution and adaption
• Develop the multidisciplinary aspect of natural product research
• Teaching and understanding of Nature to influence a future sustainable use of biodiversity
Linnaeus view on teaching
Herbationes Upsalienses, defended by Fornander in 1753 The students should be able to read Nature as a book Linnaeus saw the landscape as a part of an interconnected web of relations and hence among other things – as a tool for learning and understanding
27 Observation of Nature
In a holistic way!
Paul Cox
28