Characterization of ARC39, a new inhibitor of acid sphingomyelinase

Naser, Eyad GND

Background: Inhibition of acid sphingomyelinase (ASM), a lysosomal enzyme that catalyzes the hydrolysis of sphingomyelin into ceramide and phosphorylcholine, may serve as an investigational tool or as a therapeutic intervention in many disease processes. Specific and direct inhibitors of ASM are to this date not sufficiently characterized.
Aim: This study aims to characterize the bisphosphonate 1-aminodecylidene bis-phosphonic acid (ARC39), a direct inhibitor of ASM, in vitro and in vivo in order to provide useful input about its potential application as a new ASM inhibitor.
Results: ARC39 is as a selective inhibitor of ASM in vitro, leading to specific and efficient (>90%) inhibition of both secretory and lysosomal ASM. Investigating sphingomyelin phosphodiesterase 1 (SMPD1/Smpd1) mRNA, ASM protein and the effect of protease inhibitors on ASM inhibition suggests that direct inhibition of the catalytic activity of ASM is the major mechanism of action of ARC39 in cultured cells, which differs from the functional inhibitors of ASM (FIASMAs). Evidence of a dose- and time-dependent inhibition of lysosomal ASM in intact living cells by ARC39 is provided. Functionally, ARC39 inhibits platelet- and ASM-promoted adhesion of melanoma cells. The toxicity of ARC39 is low at concentrations relevant for ASM inhibition in vitro, and it does not lead to pronounced alterations in the lysosomal compartment and does not induce phospholipidosis in vitro. However, when applied i.p. in vivo, even subtoxic high doses administered as a short-term treatment were sufficient to inhibit ASM and induce sphingomyelin accumulation only locally in the peritoneal lavage but not in serum/plasma, liver, spleen or brain.
Conclusion: ARC39 is a highly potent and specific ASM inhibitor in vitro. However, it is not well suited for systemic administration in vivo, which requires further investigation with other possible chemical modifications or alternatives.

Hintergrund: Die Hemmung der sauren Sphingomyelinase (ASM), ein lysosomales Enzym, welches die Hydrolyse von Sphingomyelin in Ceramid und Phosphorylcholin beschleunigt, kann als Untersuchungsinstrument oder als therapeutische Intervention bei vielen Krankheitsvorgängen dienen. Spezifische und direkte Inhibitoren von ASM sind bis heute nicht ausreichend charakterisiert.
Zielsetzung: Diese Studie zielt darauf ab, das Bisphosphonat 1-Aminodecyliden-bis-phosphonsäure (ARC39), ein direkter Inhibitor der ASM, in vitro und in vivo zu charakterisieren, um Erkenntnisse über seine mögliche Anwendung als neuer ASM-Inhibitor zu gewinnen.
Ergebnisse: ARC39 ist ein selektiver Inhibitor von ASM in vitro, der zu einer spezifischen und effizienten (>90%) Hemmung sowohl der sekretorischen als auch der lysosomalen ASM führt. Die Untersuchungen der Sphingomyelinphosphodiesterase 1 (SMPD1/Smpd1) mRNA, des ASM-Proteins und der Wirkung von Protease-Inhibitoren auf die Hemmung der ASM legen nahe, dass eine direkte Hemmung der katalytischen Aktivität der ASM der Hauptwirkmechanismus von ARC39 in kultivierten Zellen ist, was sich von den funktionellen Inhibitoren von ASM (FIASMAs) unterscheidet. Es liegen Nachweise für eine dosis- und zeitabhängige Hemmung der lysosomalen ASM in intakten, lebenden Zellen durch ARC39 vor. In funktionellen Untersuchungen hemmt ARC39 die Blutplättchen- und ASM-induzierte Adhäsion von Melanomzellen an Fibronektin beschichteten Flächen. Die zelluläre Toxizität von ARC39 ist bei für die ASM-Hemmung in vitro relevanten Konzentrationen gering, es kommt nicht zu messbaren Veränderungen im lysosomalen Kompartiment oder zur Induktion von Phospholipidose. Allerdings reichten bei intraperitonealer Anwendung in vivo selbst subtoxische hohe Dosierungen, die als Kurzzeitbehandlung verabreicht wurden, aus, um messbar ASM zu hemmen oder eine Akkumulation von Sphingomyelin nur lokal in der Peritoneallavage aber nicht in Serum/Plasma, Leber, Milz oder Gehirn zu induzieren.
Schlussfolgerung: ARC39 ist ein hochpotenter und spezifischer ASM-Inhibitor in vitro. Er eignet sich jedoch nicht für die systemische Verabreichung in vivo, was weitere Untersuchungen mit anderen möglichen chemischen Modifikationen oder Alternativen erfordert.

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Naser, E., 2020. Characterization of ARC39, a new inhibitor of acid sphingomyelinase. https://doi.org/10.17185/duepublico/73116
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