Terapi COVID-19 dengan Penargetan Plasminogen Activator Inhibitor-1 (PAI-1)

Plasminogen Aktivator Inhibitor-1 (Plasminogen Activator Inhibitor / PAI-1) juga dikenal sebagai inhibitor aktivator plasminogen endotel atau Serpin E1 merupakan protein pada manusia yang dikodekan oleh gen SERPINE1.  Penelitian terbaru menunjukkan bahwa ekspresi berlebih SERPINE1 memiliki peran penting dalam koagulopati pada infeksi Coronavirus 2019 (COVID-19) yang terarah pada sindrom gangguan pernapasan akut (acute respiratory distress syndrome / ARDS). Namun, cara untuk menargetkan protein ini tetap sulit dipahami. Pada tulisan ini dibahas bukti terbaru yang menghubungkan SERPINE1 dengan ARDS terkait COVID-19 dan merangkum data yang tersedia tentang penghambat target ini.

 

Pengenalan Struktur Protein

Jenis struktur protein sekunder yang paling umum adalah α-helix (puntiran-alfa) dan b-pleated sheet (lempeng terlipat-beta). Kedua struktur dipertahankan bentuknya oleh ikatan hidrogen, yang terbentuk antara karbonil O dari satu asam amino dan amino H dari asam amino lainnya. Gambar 1 di bawah menunjukkan pola ikatan hidrogen dalam "lempeng terlipat-beta" dan "puntiran-alfa".

Gambar 1. Pola ikatan hidrogen dalam b-lembaran terlipat dan α-heliks.

Pada "puntiran-alfa" karbonil (C=O) dari satu asam amino adalah hidrogen yang terikat pada amino H (N-H) dari asam amino yang ada di empat rantai. (Misalnya, karbonil asam amino 1 akan membentuk ikatan hidrogen dengan NH dari asam amino 5.) Pola ikatan ini menarik rantai polipeptida menjadi struktur heliks yang menyerupai pita melengkung, dengan setiap putaran heliks mengandung 3,6 amino asam. Gugus R asam amino menonjol keluar dari heliks, di mana mereka bebas berinteraksi.

Pada "lempeng terlipat-beta", dua atau lebih segmen rantai polipeptida berbaris di samping satu sama lain, membentuk struktur seperti lembaran yang disatukan oleh ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen terbentuk antara gugus karbonil dan tulang punggung amino, sedangkan gugus R memanjang di atas dan di bawah bidang lembaran.

Untaian lempeng terlipat bisa paralel, menunjuk ke arah yang sama (artinya N- dan C-termini mereka cocok), atau antiparalel, menunjuk ke arah yang berlawanan (artinya ujung-N dari satu untai diposisikan di sebelah ujung-C yang lain).

 

Fungsi SERPINE1

Plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1, alias SERPINE1) adalah anggota khas dari keluarga protein Serpin, dengan berat molekul 45 kDa, terdiri dari sembilan "puntiran-alfa" dan tiga "lempeng terlipat-beta" [1]. SERPINE1 bertindak sebagai 'penghambat bunuh diri' dalam kondisi fisiologis, mengikat kedua jenis jaringan dan aktivator plasminogen urokinase (tPA dan uPA) dan diatur oleh elastase neutrofil manusia [2.,3.,4.]. Dengan demikian, SERPINE1 mencegah pembentukan plasmin dan menghambat fibrinolisis dan pelarutan bekuan darah. Ini disintesis dalam bentuk aktif dengan reactive center loop  / RCL pada posisi yang ditunjukkan pada Gambar 2A. Bentuk ini memiliki waktu paruh 1-2 jam dalam lingkungan fisiologis, yang dapat meningkat beberapa kali lipat bila terikat dengan vitronektin (VN). Modulasi ini telah menarik perhatian karena perannya yang penting dalam dua jalur vital: peran protumorigenik pada kanker karena efek proangiogenik dan antiapoptosis [3]; dan peran penting dalam menjaga keseimbangan antara tingkat aktivasi plasminogen dan degradasi fibrin [4]. Dalam peran kedua ini sebagai pengatur utama fibrinolisis dalam plasma, SERPINE1 terlibat dalam gejala COVID-19 (Gambar 2B).

 

Gambar 2. Struktur SERPINE1, Inhibitor, dan Perannya dalam Fibrinolisis.

(A) Struktur SERPINE1 dan penghambatnya. 

Tiplaxtinin dan aleplasinin bergantung pada vitronectin (VN), sedangkan CDE-096, TM5614, dan MDI-2268 tidak. Namun, kantong pengikat yang tepat untuk inhibitor ini belum diidentifikasi.

(B) Fibrinolisis pada Coronavirus 2019 (COVID-19). 

Enzim pengubah angiotensin 2 (Angiotensin-converting Enzyme / ACE2) mengubah angiotensin II (AngII) menjadi angiotensin 1–7 (Ang1–7) dalam keadaan normal. Ketika ACE-2 dihambat oleh Severe Acute Respiratory Syndrome-Coronavirus 2 (SARS-Cov2), jalur ini terpengaruh, meningkatkan kadar Ang2 dalam darah. Reseptor AngII dan AngII 1 (AT1) meningkatkan pelepasan SERPINE1 (PAI-1) oleh sel endotel. Kebanyakan SERPINE1 kemungkinan besar akan terikat pada vitronectin, mengingat konsentrasi yang tinggi dari vitronectin. SERPINE1 menghambat tPA, membatasi konversi plasminogen menjadi plasmin dan menyebabkan hipofibrinolisis.

 

Ekspresi berlebihan SERPINE1 pada COVID-19

Bukti pertama bahwa kadar SERPINE1 yang tinggi dalam sistem peredaran darah terkait dengan infeksi virus corona mulai muncul selama epidemi Severe Acute Respiratory Syndrome (SARS) pada tahun 2003. Sebuah artikel singkat oleh Wu et al. menyoroti bahwa tingkat plasma SERPINE1 pada pasien dengan SARS meningkat (355 ng/ml) dibandingkan dengan pasien dengan pneumonia menular penyebab lain (88 ng/ml) atau kontrol orang yang sehat (61 ng/ml). Tingkat vitronectin dalam plasma darah juga meningkat dibandingkan dengan kontrol orang yang sehat (1538 mg/l versus 310 mg/l) [5]. Akibatnya, SERPINE1 dalam keadaan aktif lebih lama.

Gambaran serupa dilukiskan untuk pandemi SARS-coronavirus 2 (Cov2) (COVID-19). Dalam studi pusat tunggal baru-baru ini, analisis eksplorasi faktor hemostatik dilakukan pada 68 pasien dengan COVID-19. Ada peningkatan yang hampir universal pada level SERPINE1 di antara pasien yang sakit kritis dan tidak kritis. Ini adalah indikasi lain bahwa fibrinolisis normal dicegah pada koagulopati terkait COVID-19 [6]. Studi lain dari parameter fibrinolitik dari 78 pasien dengan COVID-19 menunjukkan bahwa hipofibrinolisis yang diamati segera terkait dengan peningkatan adanya SERPINE1. Kadar protein pada pasien di unit perawatan intensif (ICU) adalah 96 ng/ml, sedangkan untuk pasien non-ICU konsentrasinya adalah 77 ng/ml. Kedua nilai meningkat dibandingkan dengan kisaran normal (4-43 ng/ml). Peningkatan serupa diamati untuk tPA [24 ng/ml versus 2-12 ng/ml (rentang normal)]. 

Adanya deposisi fibrin pada parenkim paru pasien COVID-19 menunjukkan bahwa meskipun jumlah tPA meningkat, kadar SERPINE1 yang tinggi dapat mengatasi pelepasan tPA lokal [7]. Pengamatan ini semakin diperkuat oleh penelitian terbaru oleh Cugno et al., yang menemukan peningkatan kadar tPA dan PAI-1 pada semua pasien dengan COVID-19 terlepas dari tingkat keparahan penyakitnya [8]. Bukti menunjukkan bahwa infeksi SARS-Cov2 yang mematikan telah menahan atau menghambat pensinyalan profibrinolitik normal dan menyebabkan disfungsi keseluruhan dalam sistem, termasuk peningkatan ekspresi SERPINE1 dan penyakit paru-paru yang parah [9]. Hal ini lebih lanjut divalidasi oleh sebuah penelitian yang melaporkan bahwa kadar tPA yang tinggi  (khususnya) dan PAI-1 dikaitkan dengan kematian dan peningkatan yang signifikan dalam lisis bekuan ex vivo spontan [10]. 

Sementara semua bukti ini membuat kasus yang menarik untuk pentingnya SERPINE1 dalam gejala COVID-19, publikasi dan data yang tersedia tentang peningkatan kadar SERPINE1 pada COVID-19 tidak membedakan antara bentuk aktif dan laten.

 

Penghambatan SERPINE1

Agen fibrinolitik nebulisasi, seperti antibodi monoklonal atau inhibitor molekul kecil, menargetkan SERPINE1 sangat meningkatkan sistem fibrinolitik bronkoalveolar serta mengurangi gejala ARDS dengan meningkatkan kadar plasmin yang secara efektif menghilangkan fibrin [11]. Banyak inhibitor SERPINE1 telah dikembangkan, baik antibodi/nanobodi maupun inhibitor molekul kecil. Nanobodi telah digunakan untuk menstabilkan SERPINE1 dan memodulasi aktivitasnya. Baru-baru ini, VHH-s-a93 terbukti menjadi penghambat kuat SERPINE1, dengan IC50 7 nM [12]. 

Mengingat bahwa nanobodi mengikat ke loop pusat reaktif, juga bertindak secara independen dari pengikatan vitronectin ke serpin. MEDI-579 adalah antibodi lain yang mengikat RCL secara independen dari vitronectin dan ditemukan untuk mengobati fibroblas paru-paru manusia normal dengan pIC50 = 9,8 ± 0,14 (10,5 nM) [13]. Inhibitor molekul kecil, seperti tiplaxtinin dan aleplasinin, adalah inhibitor SERPINE1 yang efektif secara oral pertama, yang dikembangkan oleh Wyeth. Inhibitor molekul kecil tersebut digunakan secara luas dalam uji klinis pada subjek dengan penyakit Alzheimer. Aktivitas kedua obat ini tergantung pada apakah SERPINE1 terikat pada vitronectin, menunjukkan situs pengikatan yang tumpang tindih. Mengingat bahwa tingkat vitronectin sangat meningkat selama ARDS, jenis inhibitor ini tidak mungkin mengobati hipofibrinolisis di paru-paru secara efisien. Sebaliknya, molekul kecil, seperti MDI-2268, CDE-096, dan TM5614, adalah inhibitor independen-vitronectin (Gambar 2A) [14,15]. 

Meskipun uji praklinis dan klinis (untuk indikasi selain ARDS) sedang berlangsung untuk senyawa ini dan menunjukkan aktivitas yang menjanjikan, tidak satupun dari kandidat obat yang masih dalam tahap lanjut, menyisakan banyak ruang untuk perbaikan. Efek samping yang umum, seperti perdarahan lokal yang tidak terkendali, menegaskan peningkatan fibrinolisis pada penghambatan SERPINE1. Aspek penting untuk pengembangan lebih lanjut dari senyawa tersebut adalah menggabungkan kelayakan pemberian langsung ke saluran pernapasan dengan permeabilitas yang baik ke aliran darah.

 

Satu indikasi lebih lanjut bahwa produksi SERPINE1 yang diatur bermanfaat bagi pasien dengan COVID-19 ditunjukkan oleh Kang et al. [16]. Dalam penelitian mereka, tujuh pasien dengan COVID-19 parah menunjukkan penurunan kadar serum SERPINE1 dan peningkatan fitur klinis (termasuk kadar protein C-reaktif yang lebih rendah) setelah pengobatan dengan tocilizumab, obat radang sendi yang digunakan kembali untuk SARS-Cov2 [17].

 

Sementara pergeseran prokoagulan telah diamati ketika gejala COVID-19 menjadi lebih serius pada tahap selanjutnya, plasmin juga dapat meningkatkan infeksi virus dengan membelah protein yang berperan penting dalam infeksi sel, terutama selama tahap awal penyakit. Dalam penelitian terbaru oleh Metcalf et al., disarankan bahwa kebutuhan untuk peningkatan aktivitas fibrinolitik terutama terjadi pada tahap 3 perjalanan COVID-19 [18]. Ini berarti bahwa penggunaan modulator SERPINE1 dapat memiliki efek menguntungkan pada gejala infeksi virus corona yang lebih parah dan lebih lanjut. Namun, poin ini tetap kontroversial karena studi observasional lain menekankan bahwa pemberian tPA lebih awal kepada pasien dengan COVID-19 memberikan hasil yang lebih baik [19].

 

Kesimpulan

Salah satu konsekuensi SARS-Cov2 mengganggu enzim pengubah angiotensin 2 adalah hipofibrinolisis. Bahkan gumpalan darah terkecil di paru-paru dapat menyebabkan kerusakan permanen dan penting untuk mengendalikan gejala COVID-19 ini. Rangkuman data-data yang tersedia menunjukkan SERPINE1 sebagai target yang menjanjikan untuk mengobati kasus COVID-19 yang parah. Juga telah ditinjau berbagai penghambat SERPINE1 yang tersedia dan menekankan, meskipun terdapat hasil yang menjanjikan, namun masih perlu dilakukan pengembangan lebih lanjut untuk beberapa terapi yang ada.

DAFTAR PUSTAKA

1. Kellici T.F. Small-molecule modulators of serine protease inhibitor proteins (serpins) Drug Discov. Today. 2021;26:442–454. [PubMed] [Google Scholar]

2. Wu K. The cleavage and inactivation of plasminogen activator inhibitor type 1 by neutrophil elastase: the evaluation of its physiologic relevance in fibrinolysis. Blood. 1995;86:1056–1061. [PubMed] [Google Scholar]

3. Kubala M.H., DeClerck Y.A. The plasminogen activator inhibitor-1 paradox in cancer: a mechanistic understanding. Cancer Metastasis Rev. 2019;38:483–492. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

4. Urano T. Recognition of plasminogen activator inhibitor type 1 as the primary regulator of fibrinolysis. Curr. Drug Targets. 2019;20:1695–1701. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

5. Wu Y.P. Analysis of thrombotic factors in severe acute respiratory syndrome (SARS) patients. Thromb. Haemost. 2006;96:100–101. [PubMed] [Google Scholar]

6. Goshua G. Endotheliopathy in COVID-19-associated coagulopathy: evidence from a single-centre, cross-sectional study. Lancet Haematol. 2020;7:e575–e582. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

7. Nougier C. Hypofibrinolytic state and high thrombin generation may play a major role in SARS-COV2 associated thrombosis. J. Thromb. Haemost. 2020;18:2215–2219. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

8. Cugno M. Complement activation and endothelial perturbation parallel COVID-19 severity and activity. J. Autoimmun. 2021;116:102560. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

9. D'Alonzo D. COVID-19 and pneumonia: a role for the uPA/uPAR system. Drug Discov. Today. 2020;25:1528–1534. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

10. Zuo Y. Plasma tissue plasminogen activator and plasminogen activator inhibitor-1 in hospitalized COVID-19 patients. Sci. Rep. 2021;11:1580. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

11. Hofstra J.J. Nebulized fibrinolytic agents improve pulmonary fibrinolysis but not inflammation in rat models of direct and indirect acute lung injury. PLoS ONE. 2013;8 [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

12. Sillen M. Structural insights into the mechanism of a nanobody that stabilizes PAI-1 and modulates its activity. Int. J. Mol. Sci. 2020;21:5859. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

13. Vousden K.A. Discovery and characterisation of an antibody that selectively modulates the inhibitory activity of plasminogen activator inhibitor-1. Sci. Rep. 2019;9:1605. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

14. Rouch A. Small molecules inhibitors of plasminogen activator inhibitor-1 - an overview. Eur. J. Med. Chem. 2015;92:619–636. [PubMed] [Google Scholar]

15. Reinke A.A. Dual-reporter high-throughput screen for small-molecule in vivo inhibitors of plasminogen activator inhibitor type-1 yields a clinical lead candidate. J. Biol. Chem. 2019;294:1464–1477. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

16. Kang S. IL-6 trans-signaling induces plasminogen activator inhibitor-1 from vascular endothelial cells in cytokine release syndrome. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2020;117:22351–22356. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

17. Guaraldi G. Tocilizumab in patients with severe COVID-19: a retrospective cohort study. Lancet Rheumatol. 2020;2:e474–e484. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

18. Medcalf R.L. Fibrinolysis and COVID-19: a plasmin paradox. J. Thromb. Haemost. 2020;18:2118–2122. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

19. Orfanos S. Observational study of the use of recombinant tissue-type plasminogen activator in COVID-19 shows a decrease in physiological dead space. ERJ Open Res. 2020;6:00455–02020. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

Sumber

1.    Tahsin F. Kellici, Ewa S. Pilka, and Michael J. Bodkin. 2021. Therapeutic Potential of Targeting Plasminogen Activator Inhibitor-1 in COVID-19. Trends Pharmacol Sci. Jun; 42 (6). Published online 2021 Mar 26. 

2.    Orders of protein structure: primary, secondary, tertiary, and quaternary. Alpha helix and beta pleated sheet. https://www.khanacademy.org/science/biology/macromolecules/proteins-and-amino-acids/