A mechanism for cross-resistance to nifurtimox and benznidazole in trypanosomes

Abstract

Nifurtimox and benznidazole are the front-line drugs used to treat Chagas disease, the most important parasitic infection in the Americas. These agents function as prodrugs and must be activated within the parasite to have trypanocidal effects. Despite >40 years of research, the mechanism(s) of action and resistance have remained elusive. Here, we report that in trypanosomes, both drugs are activated by a NADH-dependent, mitochondrially localized, bacterial-like, type I nitroreductase (NTR), and that down-regulation of this explains how resistance may emerge. Loss of a single copy of this gene in Trypanosoma cruzi, either through in vitro drug selection or by targeted gene deletion, is sufficient to cause significant cross-resistance to a wide range of nitroheterocyclic drugs. In Trypanosoma brucei, loss of a single NTR allele confers similar cross-resistance without affecting growth rate or the ability to establish an infection. This potential for drug resistance by a simple mechanism has important implications, because nifurtimox is currently undergoing phase III clinical trials against African trypanosomiasis.activation ͉ nitroheterocyclic drugs ͉ Trypanosoma brucei ͉ Trypanosoma cruzi

Sensibilidad al benzonidazol de cepas de Trypanosoma cruzi sugiere la circulación de cepas naturalmente resistentes en Colombia

“…El panorama se complica aún más por la ineficiente quimioterapia que existe para esta enfermedad, ya que el benzonidazol y el nifurtimox son efectivos sólo bajo ciertas circunstancias, tienen diversos efectos secundarios (6,29) y pueden generar resistencia en T. cruzi (13)(14)(15), además de la existencia de cepas naturalmente resistentes a dichos medicamentos (8).…”

“…En este sentido, hoy en día se están haciendo muchos esfuerzos por entender los mecanismos de acción del benzonidazol y el nifurtimox, con el fin de mejorar el uso de estos medicamentos (7,12,13,39,40). Si bien es cierto que se han producido algunos avances en este sentido (7,12,13,41,42), en la actualidad aún no se han podido esclarecer parámetros tales como cuáles son las concentraciones del medicamento para considerar las cepas como resistentes y cuál es la relación entre los mecanismos de resistencia natural y la inducida.…”

“…Si bien es cierto que se han producido algunos avances en este sentido (7,12,13,41,42), en la actualidad aún no se han podido esclarecer parámetros tales como cuáles son las concentraciones del medicamento para considerar las cepas como resistentes y cuál es la relación entre los mecanismos de resistencia natural y la inducida. Además, existen pocos reportes sobre la correlación de la sensibilidad al benzonidazol con parámetros biológicos y genéticos del parásito, como la diversidad filogenética y la sensibilidad natural e inducida, entre otros, y los resultados obtenidos de estos estudios son controversiales (22,(43)(44)(45)(46).…”

“…Sin embargo, aparte de los estudios llevados a cabo mediante inducción in vitro e in vivo por presiones con los medicamentos (12)(13)(14)(15)48), no existen otros estudios que establezcan cuáles son las concentraciones para considerar una cepa como resistente. Aunque los estudios in vivo, como los de Filardi y Brener, resultan como una mejor aproximación en la definición de estas categorías biológicas, la metodología por ellos utilizada es dispendiosa como método de tamización (8).…”

“…Algunos trabajos reportan que 27 % de las cepas de T. cruzi aisladas de diferentes orígenes biológicos y geográficos, poseen resistencia natural al benzonidazol y al nifurtimox, con porcentajes de curación menores de 50 % en ratones, a pesar de nunca haber estado en contacto con estos medicamentos (8). Además, se reportó que es posible inducir resistencia en este parásito, tanto in vitro como in vivo, por presiones continuas con estos medicamentos (12)(13)(14)(15), lo cual genera poblaciones resistentes a concentraciones de benzonidazol de hasta 220 μM (15), y se han propuesto algunos genes involucrados en el surgimiento del fenotipo de resistencia a este medicamento (12,13,(16)(17)(18)(19)(20)(21). A la fecha, no se han podido correlacionar los mecanismos moleculares involucrados entre estos dos tipos de resistencia (16)(17)(18)(19)(20)(21), ni tampoco la resistencia con otros parámetros biológicos, genéticos o bioquímicos de T. cruzi (22,23).…”