Antimikrobielle Resistenzen stellen eine weltweite Herausforderung dar und sind mit einer hohen Morbidität und Mortalität verbunden. Die Letalitätsrate durch multiresistente Keime steigt stetig an, weshalb die WHO im Jahr 2017 eine Prioritätenliste resistenter Keime erstellte, die die Entwicklung neuer Antibiotika vorantreiben soll. Diese umfasst vornehmlich
gramnegative Bakterien, da diese aufgrund ihres Zellaufbaus sowie diverser Resistenzmechanismen besonders widerstandsfähig gegenüber dem Angriff vieler Antibiotika sind. Einige grampositive Keime (z.B. S. aureus) stehen ebenfalls auf dieser Liste und stellen eine große Herausforderung für die Medizin dar. Infolgedessen ist die Entwicklung neuer Antiinfektiva mit neuen Angriffspunkten gegen resistente Pathogene zwingend nötig, um mit bisherigen Resistenzen umgehen zu können.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Synthese von kovalent (reversibel) bindenden Inhibitoren der Enoyl-ACP-Reduktase FabI (Staphylococcus aureus, Escherichia coli) und der Thiolase FadA5 (Mycobacterium tuberculosis). Beide Enzyme sind essenziell für das Überleben des jeweiligen Bakteriums.
FabI ist ein wichtiges und geschwindigkeitsbestimmendes Schlüsselenzym der Fettsäuresynthese Typ II diverser Bakterien. Hierbei werden wichtige Phospholipide hergestellt, die für den Aufbau der Zellmembran nötig sind. Schiebel et al. ist es gelungen, einen potenten Inhibitor für den Erreger S. aureus sowie E. coli zu entwickeln und zu charakterisieren. Ausgehend von dieser Verbindung wurde eine Substanzbibliothek mit verschiedenen „warheads“ hergestellt. Hierbei wurde die Verknüpfung zwischen dem Pyridon-Grundgerüst und der elektrophilen Gruppe sowie die über den Ether verknüpften aromatischen Ringsysteme variiert. Diese Verbindungen wurden hinsichtlich ihrer inhibitorischen Aktivität am jeweiligen Enzym getestet. Anschließend wurde von Verbindung 32 und 33, die jeweils eine gute Inhibition des Enzyms aufweisen, der IC50-Wert gemessen. Beide Verbindungen weisen eine 50-prozentige Reduktion der Enzymaktivität im mittleren nanomolaren Bereich auf. Zusätzlich wurde Verbindung 32 in einem sogenannten „jump-dilution“-Assay auf kovalente Inhibition getestet. Durch dieses Experiment konnte eine kovalente Inhibition des Enzyms ausgeschlossen werden.
Die Reaktivität der eingesetzten „warheads“ wurde gegenüber einem Tripeptid mittels eines LC/MS-Iontrap-Systems bestimmt. Die untersuchten Verbindungen zeigten keine signifikante Reaktion mit der im Tripeptid eingebauten nukleophilen Aminosäure Tyrosin, deren Nukleophilie bei dem pH-Wert des Tests (pH = 8.2 und 10.8) nicht hoch genug ist.
Um einen Einblick in den Bindemodus der Verbindungen zu erhalten, wurden ferner Kristallisationsversuche durchgeführt. Die erhaltenen Kristallstrukturen zeigen, dass die Verbindungen mit dem gewünschten Bindemodus am Zielenzym binden, aber eine kovalente Modifizierung des Tyrosins146 durch die eingesetzten „warheads“ aufgrund der großen Entfernung (6 Å zwischen elektrophiler Gruppe und Tyrosin146), unwahrscheinlich ist.
Zusätzlich wurden die physikochemischen Eigenschaften (Stabilität, Wasserlöslichkeit und logP) der Verbindung 32 sowie Verbindung 33 charakterisiert.
M. tuberculosis ist der Erreger der global verbreiteten Infektionskrankheit Tuberkulose (TB), die zu den zehn häufigsten Todesursachen weltweit gehört. Das Bakterium kann das im menschlichen Körper vorkommende Cholesterol metabolisieren und nutzt dessen Abbauprodukte als wichtige Kohlenstoffquelle. Die Thiolase FadA5 ist bei diesem Abbau ein wichtiges Enzym und konnte als potenzielles innovatives Target für neue Antibiotika definiert werden.
Durch Dockingstudien konnten zwei potenzielle Leitstrukturen als Inhibitoren der Thiolase FadA5 identifiziert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die vorgeschlagenen Strukturen mit dem gewünschten „warhead“ synthetisiert und hinsichtlich ihrer inhibitorischen Aktivität gegenüber dem Enzym untersucht. Die Zielverbindungen zeigen keine signifikante Hemmung sowie kovalente Bindung über die eingesetzten „warheads“ an die Thiolase FadA5. / Antimicrobial resistance poses a global challenge and is associated with high morbidity and mortality. The case fatality rate of infections caused by multidrug-resistant pathogens continues to be on the rise, causing the WHO to compile a priority pathogens list that is supposed to advance the development of new antimicrobial compounds. The list is mainly comprised of gramnegative bacteria, since these are especially resilient to many antibiotics. This is due to their cellular structure and various mechanisms of resistance. Some grampositive bacteria are also a danger to public health and are therefore part of this list. Consequently, there is an urgent need for the development of new antiinfectives with novel modes of action, so that the current resistance situation can be adequately addressed.
This work is concerned with the development and synthesis of covalent reversible inhibitors of the enoyl-ACP reductase FabI (Staphylococcus aureus, Escherichia Coli) and the thiolase FadA5 (Mycobacterium tuberculosis). Both enzymes are critically important for the survival of the respective bacteria.
FabI is an essential and rate determining enzyme of the type II fatty acid synthesis of various bacteria. A number of important phospholipids required for the cell membrane are biosynthesized via this metabolic pathway. Schiebel et al. were able to develop and characterize a potent inhibitor for S. aureus and E. Coli. Using this compound as a starting point, a library of compounds carrying various “warheads” was synthesized. Further structural variations were introduced by using different linkers between the pyridone scaffold and the electrophilic group as well as diverse aromatic rings connected via the ether bridge. These compounds were assayed concerning their inhibitory activity at the respective enzyme. Of these, substances 32 and 33 showed good inhibition of the enzyme, prompting the determination of the IC50 values. The two substances were able to reduce enzymatic activity by 50% at nanomolar concentration levels. In addition, substance 32 was characterized concerning its ability to covalently inhibit its molecular target by means of the so-called jump dilution assay. This experiment showed no covalent inhibition of the target enzyme.
The individual reactivity of the warhead moieties present in the library was determined against a synthetic tripeptide by using a LC/MS iontrap system. All the examined compounds showed no reaction with the nucleophilic amino acid tyrosine contained in the tripeptide at significant levels, which indicates that its nucleophilicity is insufficient at the pH of the assay (pH = 8,2 and 10,8, respectively).
Crystallization experiments were conducted to ascertain the binding mode of the compounds. The crystal structures showed the substances binding to the enzyme in the desired pose, yet a covalent modification of tyrosine146 remains unlikely due to the large distance (6 Å) between the electrophilic moiety and the amino acid.
Additionally, some physicochemical properties (Stability, aqueous solubility and logP) of compounds 32 and 33 were characterized.
M. tuberculosis is the causative pathogen of the globally occurring infectious disease tuberculosis, which belongs to the 10 most frequently occurring causes of death worldwide. The germ is able to metabolize the cholesterol present in the human body and uses its degradation products as an important carbon source. The thiolase FadA5 is involved in this metabolic pathway and was identified as a potentially innovative target for novel antibiotics.
Docking studies enabled the identification of two potential lead structures for inhibitors of FadA5. In this work, the proposed structures carrying the desired warheads were synthesized and characterized concerning their inhibitory activity at the target enzyme. The target compounds showed no significant inhibition or covalent binding to FadA5.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:23839 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Ferraro, Antonio |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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