Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Tối ưu hóa enzyme phân hủy nicotine cho mục đích điều trị chứng nghiện nicotine
Tóm tắt
Hút thuốc và sử dụng thuốc lá tiếp tục là nguyên nhân gây tử vong có thể phòng ngừa lớn nhất trên toàn cầu. Một phương pháp điều trị mới đã được đề xuất gần đây: sử dụng một enzyme có khả năng phân hủy nicotine, thành phần gây nghiện chính của thuốc lá, nhằm giảm thiểu sự tiếp xúc của não với nicotine và giảm thiểu các tác động củng cố của nó. Bằng chứng về tính khả thi trước lâm sàng đã được thiết lập thông qua việc sử dụng enzyme amine oxidase NicA2 từ Pseudomonas putida trong các mô hình tự quản lý nicotine trên chuột cưng. Bài báo này mô tả những nỗ lực tối ưu hóa NicA2 cho mục đích điều trị tiềm năng: tăng cường độ mạnh, cải thiện hồ sơ dược động học và làm giảm tính gây miễn dịch. Các thư viện ngẫu nhiên hóa các vị trí dư lượng nằm trong tất cả 22 vị trí hoạt động của NicA2 đã được tuyển chọn. Đã xác định được 58 đột biến đơn với hoạt động xúc tác được cải thiện từ 2- đến 19 lần so với NicA2 hoang dã ở nồng độ nicotine 10 μM. Một phương pháp thử nghiệm sinh học cảm biến nicotine mới cho phép sàng lọc hiệu quả nhiều kết quả ban đầu về hoạt động tại các nồng độ nicotine thường thấy ở người hút thuốc. Đã tìm thấy 10 đột biến có hoạt động được cải thiện trong huyết thanh chuột ở mức 250 nM trở xuống. Những cải tiến về xúc tác này đã chuyển thành độ mạnh gia tăng in vivo dưới dạng giảm thêm nồng độ nicotine trong máu và sự tích tụ nicotine trong não của chuột Sprague-Dawley. Việc kiểm tra cấu trúc tinh thể X-quang cho thấy rằng các đột biến này có thể tăng tốc độ tái oxy hóa hạn chế flavin adenine dinucleotide bằng cách cải thiện việc tiếp cận của oxy phân tử. Việc PEGyl hóa NicA2 đã dẫn đến thời gian bán hủy trong huyết tương kéo dài và giảm tính gây miễn dịch ghi nhận được trong mô hình chuột chuyển gen HLA DR4 ở người mà không ảnh hưởng đến hoạt động phân hủy nicotine. Phân tích biến đổi hệ thống của vị trí hoạt động của enzyme phân hủy nicotine NicA2 đã phát hiện ra 10 biến thể làm tăng hoạt động xúc tác và ảnh hưởng của nó đến sự phân bổ nicotine in vivo tại các nồng độ nicotine trong huyết tương được tìm thấy ở người hút thuốc. Thêm vào đó, PEGyl hóa đã làm tăng đáng kể thời gian bán hủy tuần hoàn và giảm tiềm năng gây miễn dịch của enzyme. Nhìn chung, các kết quả này cung cấp một con đường khả thi hướng tới việc tạo ra ứng cử viên thuốc phù hợp cho việc sử dụng điều trị ở người trong điều trị chứng nghiện nicotine.
Từ khóa
#nicotine #enzyme #addiction #Pseudomonas putida #pharmacokinetics #immunogenicityTài liệu tham khảo
Reitsma MB, Fullman N, Ng M, Salama JS, Abajobir A, Abate KH, et al. Smoking prevalence and attributable disease burden in 195 countries and territories, 1990-2015: a systematic analysis from the global burden of disease study 2015. Lancet. 2017;389(10082):1885–906.
World Health Organization. WHO report on the global tobacco epidemic, 2017: monitoring tobacco use and prevention policies. 2017.
U. S. Department of Healh and Human Services. The Health Consequences of Smoking—50 Years of Progress, A Report of the Surgeon General. Atlanta, GA, 2014.
Fiore M. Treating Tobacco Use and Dependence. Clinical Practice Guideline, 2008 update. U.S. Department of Health and Human Services, editor. Rockville, MD, 2008.
Cahill K, Stevens S, Perera R, Lancaster T. Pharmacological interventions for smoking cessation: an overview and network meta-analysis. Cochrane Database Syst Rev. 2013;5.
Xue S, Schlosburg JE, Janda KD. A new strategy for smoking cessation: characterization of a bacterial enzyme for the degradation of nicotine. J Am Chem Soc. 2015;137(32):10136–9.
Pentel PR, Raleigh MD, LeSage MG, Thisted T, Horrigan S, Biesova Z, et al. The nicotine-degrading enzyme NicA2 reduces nicotine levels in blood, nicotine distribution to brain, and nicotine discrimination and reinforcement in rats. BMC Biotechnol. 2018;18(1):46.
Kallupi M, Xue S, Zhou B, Janda KD, George O. An enzymatic approach reverses nicotine dependence, decreases compulsive-like intake, and prevents relapse. Sci Adv. 2018;4(10):eaat4751.
Yu H, Tang H, Wang L, Yao Y, Wu G, Xu P. Complete genome sequence of the nicotine-degrading Pseudomonas putida strain S16. J Bacteriol. 2011;193(19):5541–2.
Hecht SS, Hochalter JB, Villalta PW, Murphy SE. 2′-hydroxylation of nicotine by cytochrome P450 2A6 and human liver microsomes: formation of a lung carcinogen precursor. Proc Natl Acad Sci U S A. 2000;97(23):12493–7.
Janda KD, Kalnik MW, Thisted T. Nicotine-degrading enzymes for treating nicotine addiction and nicotine poisoning USPTO, The Scripps Research Institute and Antidote Therapeutics, Inc. 2016:US2016/045109 WO/2017/23904.
Piasecki TM, Jorenby DE, Smith SS, Fiore MC, Baker TB. Smoking withdrawal dynamics: I. abstinence distress in lapsers and abstainers. J Abnorm Psychol. 2003;112(1):3–13.
Piasecki TM, Jorenby DE, Smith SS, Fiore MC, Baker TB. Smoking withdrawal dynamics: II. Improved tests of withdrawal-relapse relations. J Abnorm Psychol. 2003;112(1):14–27.
Piasecki TM, Jorenby DE, Smith SS, Fiore MC, Baker TB. Smoking withdrawal dynamics: III. Correlates of withdrawal heterogeneity. Exp Clin Psychopharmacol. 2003;11(4):276–85.
Solomon RL, Corbit JD. An opponent-process theory of motivation: I. temporal dynamics of affect. Psych Rev. 1974;81(2):119–45.
Koob GF, Stinus L, Moal ML, Bloom FE. Opponent process theory of motivation: neurobiological evidence from studies of opiate dependence. Neurosci and Biobehav Rev. 1989;13(2):135–40.
Markou A. Neurobiology of nicotine dependence. Philos Trans R Soc B Biol Sci. 2008;363(1507):3159–68.
Harrison AA, Gasparini F, Markou A. Nicotine potentiation of brain stimulation reward reversed by DHβE and SCH 23390, but not by eticlopride, LY 314582 or MPEP in rats. Psychopharmacology. 2002;160(1):56–66.
Chaudhri N, Caggiula AR, Donny EC, Palmatier MI, Liu X, Sved AF. Complex interactions between nicotine and nonpharmacological stimuli reveal multiple roles for nicotine in reinforcement. Psychopharmacology. 2006;184(3):353–66.
Chaudhri N, Caggiula AR, Donny EC, Booth S, Gharib M, Craven L, et al. Self-administered and noncontingent nicotine enhance reinforced operant responding in rats: impact of nicotine dose and reinforcement schedule. Psychopharmacology. 2007;190(3):353–62.
Donny EC, Chaudhri N, Caggiula AR, Evans-Martin FF, Booth S, Gharib MA, et al. Operant responding for a visual reinforcer in rats is enhanced by noncontingent nicotine: implications for nicotine self-administration and reinforcement. Psychopharmacology. 2003;169(1):68–76.
Palmatier MI, Evans-Martin FF, Hoffman A, Caggiula AR, Chaudhri N, Donny EC, et al. Dissociating the primary reinforcing and reinforcement-enhancing effects of nicotine using a rat self-administration paradigm with concurrently available drug and environmental reinforcers. Psychopharmacology. 2006;184(3):391–400.
Kenny PJ, Markou A. Nicotine self-administration acutely activates brain reward systems and induces a long-lasting increase in reward sensitivity. Neuropsychopharmacology. 2005;31:1203.
Kenny PJ. Brain reward systems and compulsive drug use. Trends Pharmacol Sci. 2007;28(3):135–41.
Rollema H, Chambers LK, Coe JW, Glowa J, Hurst RS, Lebel LA, et al. Pharmacological profile of the α4β2 nicotinic acetylcholine receptor partial agonist varenicline, an effective smoking cessation aid. Neuropharmacology. 2007;52(3):985–94.
Tararina MA, Janda KD, Allen KN. Structural analysis provides mechanistic insight into nicotine oxidoreductase from Pseudomonas putida. Biochemistry. 2016;55(48):6595–8.
Tararina MA, Xue S, Smith LC, Muellers SN, Miranda PO, Janda KD, et al. Crystallography coupled with kinetic analysis provides mechanistic underpinnings of a nicotine-degrading enzyme. Biochemistry. 2018;57(26):3741–51.
Zhou M, Panchuk-Voloshina N. A one-step Fluorometric method for the continuous measurement of monoamine oxidase activity. Anal Biochem. 1997;253(2):169–74.
Vita R, Overton JA, Greenbaum JA, Ponomarenko J, Clark JD, Cantrell JR, et al. The immune epitope database (IEDB) 3.0. Nucleic Acids Res. 2015;43(D1):D405–D12.
Firnberg E, Ostermeier M. PFunkel: Efficient, Expansive. User-Defined Mutagenesis PLoS One. 2012;7(12):e52031.
Hukkanen J, Jacob P, Benowitz NL. Metabolism and disposition kinetics of nicotine. Pharmacol Rev. 2005;57(1):79–115.
Hieda Y, Keyler DE, VanDeVoort JT, Niedbala RS, Raphael DE, Ross CA, et al. Immunization of rats reduces nicotine distribution to brain. Psychopharmacology. 1999;143(2):150.
Petrovsky N, Harrison LC. Cytokine-based human whole blood assay for the detection of antigen-reactive T cells. J Immunol Methods. 1995;186(1):37–46.
Chattopadhyay PK, Gierahn TM, Roederer M, Love JC. Single-cell technologies for monitoring immune systems. Nat Immunol. 2014;15:128.
Benowitz NL. Pharmacology of nicotine: addiction, smoking-induced disease, and therapeutics. Ann Rev Pharmacol Tox. 2009;49:57–71.
U. S. Department of Healh and Human Services. The Health Consequences of Smoking: A Report of the Surgeon General. Atlanta, GA, 2004.
Pozzi MH, Fitzpatrick PF. A lysine conserved in the monoamine oxidase family is involved in oxidation of the reduced flavin in mouse polyamine oxidase. Arch Biochem Biophys. 2010;498(2):83–8.
Gottowik J, Cesura AM, Malherbe P, Lang G, Da Prada M. Characterisation of wild-type and mutant forms of human monoamine oxidase a and B expressed in a mammalian cell line. FEBS Lett. 1993;317(1–2):152–6.
Lutz SB, U. T. Protein Engineering Handbook. Weinheim, Germany: Wiley-VCH; 2012.
Lipsky PE, Calabrese LH, Kavanaugh A, Sundy JS, Wright D, Wolfson M, et al. Pegloticase immunogenicity: the relationship between efficacy and antibody development in patients treated for refractory chronic gout. Arthritis Res Ther. 2014;16(2):R60.
Jacob P, Wilson M, Benowitz N. Improved gas chromatographic method for the determination of nicotine and cotinine in biologic fluids. J Chromatogr. 1981;222:61–70.
Hieda Y, Keyler DE, Vandevoort JT, Kane JK, Ross CA, Raphael DE, et al. Active immunization alters the plasma nicotine concentration in rats. J Pharmacol Exp Ther. 1997;283(3):1076–81.
Johnson KA. A century of enzyme kinetic analysis, 1913 to 2013. FEBS Lett. 2013;587(17):2753–66.
Zhang Y, Huo M, Zhou J, Xie S. PKSolver: an add-in program for pharmacokinetic and pharmacodynamic data analysis in Microsoft excel. Comput Methods Prog Biomed. 2010;99(3):306–14.
Ito K, Bian HJ, Molina M, Han J, Magram J, Saar E, et al. HLA-DR4-IE chimeric class II transgenic, murine class II-deficient mice are susceptible to experimental allergic encephalomyelitis. J Exp Med. 1996;183(6):2635–44.
Ahmed SS, Wang XN, Fielding M, Kerry A, Dickinson I, Munuswamy R, et al. An in vitro human skin test for assessing sensitization potential. J Appl Tox. 2016;36(5):669–84.
Basketter DA, Lea LJ, Dickens A, Briggs D, Pate I, Dearman RJ, et al. A comparison of statistical approaches to the derivation of EC3 values from local lymph node assay dose responses. J Appl Tox. 1999;19(4):261–6.