Identification of protein targets of nevirapine reactive metabolites using click chemistry and mass spectrometry-based differential proteomics

Abstract : Adverse drug reactions (ADRs) are undesirable effects caused after administration of a single dose or prolonged administration of drug or result from the combination of two or more drugs. Idiosyncratic drug reaction (IDR) is an adverse reaction that does not occur in most patients treated with a drug and does not involve the therapeutic effect of the drug. IDRs are unpredictable and often life-threatening. Idiosyncratic reaction is dependent on drug chemical characteristics or individual immunological response. IDRs are a major problem for drug development because they are usually not detected during clinical trials. In this study we focused on IDRs of Nevirapine (NVP), which is a non-nucleoside reverse transcriptase inhibitor used for the treatment of Human Immunodeficiency Virus (HIV) infections. The use of NVP is limited by a relatively high incidence of skin rash. NVP also causes a rash in female Brown Norway (BN) rats, which we use as animal model for this study. Our hypothesis is that idiosyncratic skin reactions associated with NVP treatment are due to post-translational modifications of proteins (e.g., glutathionylation) detectable by MS. The main objective of this study was to identify the proteins that are targeted by a reactive metabolite of Nevirapine in the skin. The specific objectives derived from the general objective were as follow: 1) To implement the click chemistry approach to detect proteins modified by a reactive NVP-Alkyne (NVP-ALK) metabolite. The purpose of using NVP-ALK was to couple it with Biotin using cycloaddition Click Chemistry reaction. 2) To detect protein modification using Western blotting and Mass Spectrometry techniques, which is important to understand the mechanism of NVP induced toxicity. 3) To identify the proteins using MASCOT search engine for protein identification, by comparing obtained spectrum from Mass Spectrometry with theoretical spectrum to find a matching peptide sequence. 4) To test if the drug or drug metabolites can cause harmful effects, as the induction of oxidative stress in cells (via protein glutathionylation). Oxidative stress causes cell damage that mediates signals, which likely induces the immune response. The results showed that Nevirapine is metabolized to a reactive metabolite, which causes protein modification. The extracted protein from the treated BN rats matched 10% of keratin, which implies that keratin was the protein targeted by the NVP-ALK.

Résumé : Les effets indésirables (EI) sont les effets indésirables causés après l'administration d'une dose unique ou une administration prolongée du médicament ou le résultat de la combinaison de deux médicaments ou plus. La Réaction idiosyncratique (IDR) est une réaction indésirable qui ne se produit pas dans la plupart des patients traités avec un médicament et qui ne comporte pas l'effet thérapeutique du médicament. IDR sont imprévisibles et peuvent mettre la vie du malade en danger. Cette réaction dépend des caractéristiques chimiques du médicaments et/ou de la réponse immunitaire individuelle du patient. IDR est un problème majeur pour le développement de médicaments car ils ne sont généralement pas détectés au cours des essais cliniques. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur la Réaction idiosyncratique de névirapine (NVP) qui est un inhibiteur de transcriptase inverse non nucléosidique utilisé pour le traitement du virus d'immunodéficience humaine (VIH). L'utilisation de NVP est limitée par une incidence relativement élevée d'éruption cutanée. NVP provoque également une éruption cutanée chez les rats femelles de souche Brown Norway. Notre étude vise à mieux comprendre les IDRs induites par l'administration de NVP chez l'animal. La présente étude vise à vérifier l'hypothèse que les problèmes cutanés associés à la prise de NVP soient attribuables à la modification post-traductionnelle de protéines détactable par spectrométrie de masse. Les principaux objectifs de ce projet étaient : 1) Déterminer si la Nevirapine alcynes (NVP-ALK), un analogue de la NVP peut développer la même éruption cutanée que la NVP. La NVP-ALK a été couplé avec de la biotine en utilisant la réaction chimique (click chemistry). 2) Détecter les modifications post-traductionelles des proteines par Western blot et des techniques de spectrométrie de masse, pour comprendre le mécanisme de la toxicité induite par la NVP. 3) Identifier les protéines modifiées en utilisant le moteur de recherche MASCOT pour l'identification des protéines, en comparant le les spectres de masse obtenus avec les spectres théoriques pour trouver une séquence correspondante de peptide. 4) Tester si la NVP et ses métabolites peuvent provoquer des effets nocifs, comme l'induction d'un stress oxydatif dans les cellules (par la mesure de la glutathionylation des protéines). Les résultats ont montré que la névirapine est métabolisé en métabolite réactif ce qui provoque une modification de la kératine. Ainsi nos résultats suggèrent que la kératine est la cible des métabolites de la NVP-ALK.