doctoral dissertation
Davide Benedetto Tiz (Avtor), Nace Zidar (Mentor), Danijel Kikelj (Komentor)

Povzetek

Odkritje penicilina Alexandra Fleminga leta 1928 predstavlja enega izmed najpomembnejših dosežkov v sodobnem zdravljenju infekcijskih bolezni. V naslednjih desetletjih je temu odkritju sledilo odkritje številnih drugih razredov antibiotikov. Množična uporaba antibiotikov pa je privedla do tega, da se je povečal razvoj bakterij, ki izkazujejo odpornost na ta zdravila, kar otežuje zdravljenje tudi tistih okužb, ki so bile včasih obvladljive. Odkrivanje novih protibakterijskih učinkovin je zato nujno. Sodobna znanost se proti bakterijskim okužbam bori bodisi z iskanjem novih načinov zaviranja bakterijske rasti, bodisi s preprečevanjem razvoja bakterijske odpornosti. V okviru te doktorske naloge smo se osredotočili na prvo strategijo. V doktorski nalogi opisujemo načrtovanje, sintezo in vrednotenje novih zaviralcev bakterijskih topoizomeraz - DNA-giraze in topoizomeraze IV- encimov, ki imajo pomembno vlogo pri uravnavanju topološkega stanja molekule DNA in so zato ključni za normalno delovanje bakterijskih celic. DNA-giraza ima pomembno vlogo v procesu podvajanja DNA in je dobro uveljavljena tarča za razvoj protibakterijskih učinkovin. DNA-giraza je ATPazni encim, vezavno mesto za ATP pa ponuja priložnost za razvoj ATP-kompetitivnih protibakterijskih učinkovin, ki trenutno na trgu še niso prisotne. Struktura DNA-giraze je dobro raziskana, kar omogoča načrtovanje novih zaviralcev s pomočjo strukturno-podprtega načrtovanja. Pri načrtovanju novih inhibitorjev pa si lahko pomagamo tudi s številnimi v literature opisanimi zaviralci DNA-giraze iz različnih strukturnih razredov. Razvoj učinkovin, ki zavirajo več bakterijskih tarč je privlačna strategija za boj proti naraščajoči bakterijski odpornosti. Topoizomeraza IV ima podobno strukturo in funkcijo kot DNA-giraza. Podobnost med tema dvema encimoma zagotavlja možnost razvoja protibakterijskih učinkovin, ki hkrati delujejo na obe tarči. Skupina fluorokinolonov je dobro znan primer dvojnih zaviralcev DNA-giraze in topoizomeraze IV z delovanjem na podenoti GyrA iz DNA-giraze in ParC iz topoizomeraze IV. V zadnjem času so raziskovalci večjo pozornost namenili podenotama GyrB iz DNA-giraze in ParE iz topoizomeraze IV na katerih se nahaja ATP-vezavno mesto. V okviru doktorskega dela smo načrtovali, sintetizirali in biološko ovrednotili serije novih spojin z N-fenilpirolamidnim ogrodjem kot potencialnih zaviralcev DNA-giraze B (GyrB) in topoizomeraze IV. Na osnovi poznavanja vezave znanih zaviralcev v aktivno mesto GyrB smo pripravili več serij optimiziranih N-fenil-4,5-dibromopirolamidov in N-fenil-3,4-dikloro-5-metilpirolamidov. Da bi raziskali kemijski prostor smo v molekule uvajali strukturne spremembe in ugotavljali njihov vpliv na zaviralno delovanje. Poseben poudarek smo namenili strukturnim spremembam, ki bi povečale vstop zaviralcev v bakterijske celice, kot so uvedba izosternih zamenjav karboksilne skupine z manj kislimi skupinami ali heterocikli. Pripravljenim spojinam smo ovrednotili njihovo zaviralno delovanje na DNA-girazo iz bakterij Escherichia coli in Staphylococcus aureus. Zaradi podobnosti v strukturah obeh encimov, smo zaviralno delovanje spojin ovrednotili tudi na encimu topoizomeraza IV iz E. coli in S. aureus. Izbrane spojine so izkazale močno zaviralno delovanje na DNA-girazo iz E. coli, nekatere spojine pa so izkazale tudi dobro zaviralno delovanje na DNA-girazo iz S. aureus. Najmočnejša zaviralca DNA-giraze iz E. coli sta bila amfoterna spojina (l-(5-karboksi-2-(3,4-dikloro-5-metil-lH-pirol-2-karboksamido)fenil)piperidin-3-il) metanamonijev klorid (86) z odlično vrednostjo IC50 6,3 nM in spojina (R)-4-(5-((1-karboksietil)karbamoil)-2-(3,4-dikloro-5-metil-1H-pirol-2-karboksamido)fenoksi)piperidin-1-ijev klorid (9d) z vrednostjo IC50 6,9 nM. Nekatere spojine so izkazale zaviralno delovanje tako na DNA-girazo, kot na topoizomerazo IV. Najboljši dualni zaviralec je bila spojina (R)-4-(5-((1-karboksietil)karbamoil)-2-(3,4-dikloro-5-metil-1H-pirol-2-karboksamido)fenoksi)piperidin-1-ijev klorid (9c) z vrednostmi IC50 na DNA-girazo iz E. coli 9,9 nM, na DNA-girazo iz S. aureus 99 nM, na topoizomerazo IV iz E. coli 9100 nM in na topoizomerazo IV iz S. aureus 689 nM. Protibakterijsko delovanje pripravljenih zaviralcev smo ovrednotili na bakterijah iz družine ESKAPE (Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumonia, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa in Enterobacter aerogenes). Nekatere izmed spojin smo dodatno testirali na divji sev bakterije E. coli in dva mutirana seva E. coli, JD17464 in JW5503. E. coli JD17464 je sev z mutiranim genom za lpxC s povečano prepustnostjo zunanje membrane, medtem ko je E. coli JW5503 sev z mutiranim genom za tolC z oslabljeno izlivno črpalko. Pet spojin (24, 25, 43b, 50 in 57) je pri koncentraciji 50 microM zaviralo rast bakterije E. faecalis za več kot 85%. V skladu z našimi pričakovanji je spojina 25 izkazala boljšo protibakterijsko delovanje (vrednost MIK = 6,25 microM) kot njen hidrazidni analog 24 (MIK = 12,5 microM). Sklepamo, da nižja polarnost 1,3,4-oksadiazol-2-tionskega obroča, ki je prisoten v spojini 25, v primerjavi s polarnim hidrazidom 24 omogoča boljše prodiranje te spojine v bakterijske celice. Šest spojin (7c, 8c, 25, 57, 76 in 87) je zaviralo rast E. faecium za več kot 65%, pet spojin (50, 57, 85, 86 in 87) pa je zavrlo S. aureus za več kot 95% pri 50 microM koncentraciji. Zlasti zanimiva je bila spojina 57 z odličnimi vrednostmi MIK 0,78 microM proti S. aureus in 1,56 microM proti E. faecalis in E. faecium. Spojina 87 je izkazala dobro zaviranje rasti divjega seva E. coli (zaviranje je bilo 100%), osem derivatov (7c, 10a, 10b, 18, 39, 43b, 50 in 61) pa je izkazalo dobro delovanje na sev E. coli z mutirano izlivno črpalko. Ti rezultati kažejo, da so nekatere spojine podvržene aktivnemu črpanju iz bakterijske celice, kar je verjetno glavni razlog za njihovo šibkejše delovanje proti po Gramu negativnim bakterijam. Odkritje novih N-fenilpirolamidov kot močnih zaviralcev DNA-giraze in topoizomeraze IV z dobrimi protibakterijskim delovanjem proti po Gramu pozitivnim bakterijam (zlasti spojina 57) in po Gramu negativnim bakterijam (zlasti spojina 87). Rezultati predstavljajo dobro izhodišče, ki nam lahko skupaj s širšim razumevanjem zahtev potrebnih za vstop majhnih molekul v bakterije v prihodnosti omogoči odkritje protibakterijskih učinkovin s širokim spektrom delovanja.

Ključne besede

Ni podatka o ključnih besedah

Podatki

Jezik: Angleški jezik
Leto izida:
Tipologija: 2.08 - Doktorska disertacija
Organizacija: UL FFA - Fakulteta za farmacijo
Založnik: [D. Benedetto Tiz]
UDK: 615.015.8(043.3)
COBISS: 4726641 Povezava se bo odprla v novem oknu
Št. ogledov: 105
Št. prenosov: 0
Ocena: 0 (0 glasov)
Metapodatki: JSON JSON-RDF JSON-LD TURTLE N-TRIPLES XML RDFA MICRODATA DC-XML DC-RDF RDF

Ostali podatki

Sekundarni jezik: Slovenski jezik
Sekundarni naslov: Discovery of novel N-phenylpyrrolamides as inhibitors of DNA gyrase and topoisomerase IV
Sekundarni povzetek: Odkritje penicilina Alexandra Fleminga leta 1928 predstavlja enega izmed najpomembnejših dosežkov v sodobnem zdravljenju infekcijskih bolezni. V naslednjih desetletjih je temu odkritju sledilo odkritje številnih drugih razredov antibiotikov. Množična uporaba antibiotikov pa je privedla do tega, da se je povečal razvoj bakterij, ki izkazujejo odpornost na ta zdravila, kar otežuje zdravljenje tudi tistih okužb, ki so bile včasih obvladljive. Odkrivanje novih protibakterijskih učinkovin je zato nujno. Sodobna znanost se proti bakterijskim okužbam bori bodisi z iskanjem novih načinov zaviranja bakterijske rasti, bodisi s preprečevanjem razvoja bakterijske odpornosti. V okviru te doktorske naloge smo se osredotočili na prvo strategijo. V doktorski nalogi opisujemo načrtovanje, sintezo in vrednotenje novih zaviralcev bakterijskih topoizomeraz - DNA-giraze in topoizomeraze IV- encimov, ki imajo pomembno vlogo pri uravnavanju topološkega stanja molekule DNA in so zato ključni za normalno delovanje bakterijskih celic. DNA-giraza ima pomembno vlogo v procesu podvajanja DNA in je dobro uveljavljena tarča za razvoj protibakterijskih učinkovin. DNA-giraza je ATPazni encim, vezavno mesto za ATP pa ponuja priložnost za razvoj ATP-kompetitivnih protibakterijskih učinkovin, ki trenutno na trgu še niso prisotne. Struktura DNA-giraze je dobro raziskana, kar omogoča načrtovanje novih zaviralcev s pomočjo strukturno-podprtega načrtovanja. Pri načrtovanju novih inhibitorjev pa si lahko pomagamo tudi s številnimi v literature opisanimi zaviralci DNA-giraze iz različnih strukturnih razredov. Razvoj učinkovin, ki zavirajo več bakterijskih tarč je privlačna strategija za boj proti naraščajoči bakterijski odpornosti. Topoizomeraza IV ima podobno strukturo in funkcijo kot DNA-giraza. Podobnost med tema dvema encimoma zagotavlja možnost razvoja protibakterijskih učinkovin, ki hkrati delujejo na obe tarči. Skupina fluorokinolonov je dobro znan primer dvojnih zaviralcev DNA-giraze in topoizomeraze IV z delovanjem na podenoti GyrA iz DNA-giraze in ParC iz topoizomeraze IV. V zadnjem času so raziskovalci večjo pozornost namenili podenotama GyrB iz DNA-giraze in ParE iz topoizomeraze IV na katerih se nahaja ATP-vezavno mesto. V okviru doktorskega dela smo načrtovali, sintetizirali in biološko ovrednotili serije novih spojin z N-fenilpirolamidnim ogrodjem kot potencialnih zaviralcev DNA-giraze B (GyrB) in topoizomeraze IV. Na osnovi poznavanja vezave znanih zaviralcev v aktivno mesto GyrB smo pripravili več serij optimiziranih N-fenil-4,5-dibromopirolamidov in N-fenil-3,4-dikloro-5-metilpirolamidov. Da bi raziskali kemijski prostor smo v molekule uvajali strukturne spremembe in ugotavljali njihov vpliv na zaviralno delovanje. Poseben poudarek smo namenili strukturnim spremembam, ki bi povečale vstop zaviralcev v bakterijske celice, kot so uvedba izosternih zamenjav karboksilne skupine z manj kislimi skupinami ali heterocikli. Pripravljenim spojinam smo ovrednotili njihovo zaviralno delovanje na DNA-girazo iz bakterij Escherichia coli in Staphylococcus aureus. Zaradi podobnosti v strukturah obeh encimov, smo zaviralno delovanje spojin ovrednotili tudi na encimu topoizomeraza IV iz E. coli in S. aureus. Izbrane spojine so izkazale močno zaviralno delovanje na DNA-girazo iz E. coli, nekatere spojine pa so izkazale tudi dobro zaviralno delovanje na DNA-girazo iz S. aureus. Najmočnejša zaviralca DNA-giraze iz E. coli sta bila amfoterna spojina (l-(5-karboksi-2-(3,4-dikloro-5-metil-lH-pirol-2-karboksamido)fenil)piperidin-3-il) metanamonijev klorid (86) z odlično vrednostjo IC50 6,3 nM in spojina (R)-4-(5-((1-karboksietil)karbamoil)-2-(3,4-dikloro-5-metil-1H-pirol-2-karboksamido)fenoksi)piperidin-1-ijev klorid (9d) z vrednostjo IC50 6,9 nM. Nekatere spojine so izkazale zaviralno delovanje tako na DNA-girazo, kot na topoizomerazo IV. Najboljši dualni zaviralec je bila spojina (R)-4-(5-((1-karboksietil)karbamoil)-2-(3,4-dikloro-5-metil-1H-pirol-2-karboksamido)fenoksi)piperidin-1-ijev klorid (9c) z vrednostmi IC50 na DNA-girazo iz E. coli 9,9 nM, na DNA-girazo iz S. aureus 99 nM, na topoizomerazo IV iz E. coli 9100 nM in na topoizomerazo IV iz S. aureus 689 nM. Protibakterijsko delovanje pripravljenih zaviralcev smo ovrednotili na bakterijah iz družine ESKAPE (Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumonia, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa in Enterobacter aerogenes). Nekatere izmed spojin smo dodatno testirali na divji sev bakterije E. coli in dva mutirana seva E. coli, JD17464 in JW5503. E. coli JD17464 je sev z mutiranim genom za lpxC s povečano prepustnostjo zunanje membrane, medtem ko je E. coli JW5503 sev z mutiranim genom za tolC z oslabljeno izlivno črpalko. Pet spojin (24, 25, 43b, 50 in 57) je pri koncentraciji 50 microM zaviralo rast bakterije E. faecalis za več kot 85%. V skladu z našimi pričakovanji je spojina 25 izkazala boljšo protibakterijsko delovanje (vrednost MIK = 6,25 microM) kot njen hidrazidni analog 24 (MIK = 12,5 microM). Sklepamo, da nižja polarnost 1,3,4-oksadiazol-2-tionskega obroča, ki je prisoten v spojini 25, v primerjavi s polarnim hidrazidom 24 omogoča boljše prodiranje te spojine v bakterijske celice. Šest spojin (7c, 8c, 25, 57, 76 in 87) je zaviralo rast E. faecium za več kot 65%, pet spojin (50, 57, 85, 86 in 87) pa je zavrlo S. aureus za več kot 95% pri 50 microM koncentraciji. Zlasti zanimiva je bila spojina 57 z odličnimi vrednostmi MIK 0,78 microM proti S. aureus in 1,56 microM proti E. faecalis in E. faecium. Spojina 87 je izkazala dobro zaviranje rasti divjega seva E. coli (zaviranje je bilo 100%), osem derivatov (7c, 10a, 10b, 18, 39, 43b, 50 in 61) pa je izkazalo dobro delovanje na sev E. coli z mutirano izlivno črpalko. Ti rezultati kažejo, da so nekatere spojine podvržene aktivnemu črpanju iz bakterijske celice, kar je verjetno glavni razlog za njihovo šibkejše delovanje proti po Gramu negativnim bakterijam. Odkritje novih N-fenilpirolamidov kot močnih zaviralcev DNA-giraze in topoizomeraze IV z dobrimi protibakterijskim delovanjem proti po Gramu pozitivnim bakterijam (zlasti spojina 57) in po Gramu negativnim bakterijam (zlasti spojina 87). Rezultati predstavljajo dobro izhodišče, ki nam lahko skupaj s širšim razumevanjem zahtev potrebnih za vstop majhnih molekul v bakterije v prihodnosti omogoči odkritje protibakterijskih učinkovin s širokim spektrom delovanja.
Sekundarne ključne besede: antibakteijske spojine;DNA giraze;topoizomeraze IV;zaviralci DNA giraz;protibakterijske učinkovine;N-fenilpirolamidi;Bakterijska rezistenca;Disertacije;
Vrsta dela (COBISS): Doktorska disertacija
Komentar na gradivo: Univ. v Ljubljani, Fak. za farmacijo
Strani: XVIII, 339 str.
ID: 15595303