Pharmacological study of drugs for Chagas disease treatment

La enfermedad de Chagas es una enfermedad tropical desatendida causada por el parásito protozoario Trypanosoma cruzi que afecta a más de 8 millones de personas en todo el mundo, especialmente en América Latina. El tratamiento implica la administración de fármacos tripanocidas, benznidazol (considerado el tratamiento de primera línea) o nifurtimox. Si bien se ha demostrado que el benznidazol es eficaz y seguro, y se ha utilizado durante los últimos 50 años, el conocimiento farmacológico de este fármaco sigue siendo limitado, en particular en lo que respecta a sus vías metabólicas, metabolitos y farmacocinética. Dado que el tratamiento requiere períodos de administración prolongados de más de 30 días, suele ser común la aparición de toxicidad significativa que lleva a la suspensión del tratamiento. Es sumamente crucial comprender la farmacocinética del benznidazol, incluido su metabolismo y distribución, para comprender los mecanismos subyacentes a estas toxicidades a fin de mejorar los regímenes de tratamiento. Además, las diferencias con el metabolismo parasitario del benznidazol podrían contribuir a comprender sus mecanismos de acción. En el trabajo contenido en esta tesis, se presentan los resultados de mis estudios de doctorado, encaminados a identificar y describir los principales metabolitos del benznidazol, algunos nunca reportados previamente, en humanos y en el parásito. Además, se presenta evidencia del metabolismo hepático in vitro del benznidazol en varias especies de mamíferos. Para describir la biodistribución del benznidazol y sus metabolitos,se realizó un estudio farmacocinético del benznidazol en un modelo de infección aguda murina de la enfermedad de Chagas. Los resultados muestran una rápida absorción y eliminación del fármaco y prueban la presencia de benznidazol y varios de sus metabolitos en diferentes órganos. En este estudio también se describe el metabolismo del benznidazol en el parásito en fase infecciosa, concluyendo que una de las principales diferencias entre el metabolismo de los mamíferos estudiados y los tripomastigotes es la producción de metabolitos que se conjugan con ácido glucurónico, reacción que requiere enzimas no disponibles en T. cruzi. Finalmente, el estudio preliminar de biomarcadores predictivos de reacciones adversas de benznidazol y nifurtimox sienta las bases para estudios futuros, ya que se detectaron algunos biomarcadores potenciales que requerirán confirmación, pero principalmente se identificaron las principales cuestiones del proceso que aumentarían la variabilidad de los resultados y que deben mejorarse para obtener mayor precisión y consistencia en los mismos. Chagas disease is a tropical neglected disease caused by the protozoan parasite Trypanosoma cruzi and affects more than 8 million people across the world but specially in Latin America. Treatment involves administration of one of two trypanocidal drugs, benznidazole (currently considered the first line treatment) or nifurtimox. While benznidazole has been shown to be effective and safe, and has been used for almost 50 years, pharmacological knowledge of this drug remains limited, particularly regarding its metabolic pathways, actual metabolites and pharmacokinetics. Since Chagas disease treatment requires long administration periods (i.e., more than 30 days), significant toxicity is common, often leading to treatment suspension; it is extremely crucial to understand benznidazole pharmacokinetics including its metabolism and distribution to understand the mechanisms underlying its toxicities, and to improve treatment regimes. Furthermore, differences in parasite benznidazole metabolism could contribute to understand its mechanisms of action. In the work contained in this thesis, I present the results of the experiments I performed during my PhD studies, aimed at identifying and describing the main metabolites of benznidazole, some never reported before, in humans and in the parasite. Moreover, we present evidence of in vitro hepatic metabolism of benznidazole in several mammalian species. In order to describe the biodistribution of benznidazole and its metabolites, we have performed a pharmacokinetic study of benznidazole in an acute murine infection model of Chagas disease. The results show rapid drug absorption and elimination and prove the presence of benznidazole and several of its metabolites in different organs. We also describe benznidazole metabolism in the parasite, in its infective trypomastigote form, and conclude that one of the main differences between mammalian and trypomastigote metabolism is the production of metabolites that become conjugated with glucuronic acid, which requires enzymes not available in T. cruzi. Finally, the preliminary study of predictive biomarkers of adverse reactions from benznidazole and nifurtimox lay the foundation for future studies, since we have detected some potential biomarkers that will require confirmation, but mainly identified the issues and problems at different steps of the process that should be improved to obtain more accurate and consistent results. Fil: Rocco, Daniela Marisa. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.