Project

Structuur-activiteitsonderzoek rond Hamamelitannine, een natuurstof met aantrekkelijke quorum sensing inhiberende activiteit

Looptijd
01-01-2013 → 31-12-2016
Financiering
Gewestelijke en gemeenschapsmiddelen: IWT/VLAIO
Mandaathouder
Onderzoeksdisciplines
  • Medical and health sciences
    • Biomarker discovery and evaluation
    • Drug discovery and development
    • Medicinal products
    • Pharmaceutics
    • Pharmacognosy and phytochemistry
    • Pharmacology
    • Pharmacotherapy
    • Toxicology and toxinology
    • Other pharmaceutical sciences
Trefwoorden
Hamamelitannine antimicrobiële resistentie superbacteriën
 
Projectomschrijving

Antimicrobiële resistentie (AMR) vormt een belangrijk probleem voor de volksgezondheid. In een onlangs verschenen rapport, in opdracht van de Britse regering, schatten de econoom Jim O'Neill en coauteurs dat in 2050 10 miljoen levens per jaar in gevaar zullen zijn als gevolg van de opmars van resistente infecties. Chronisch misbruik en overmatig gebruik van de meest potente antibiotica, samen met het feit dat conventionele middelen enorme selectiedruk uitoefenen op bacteriën, hebben ertoe geleid dat multiresistente microorganismen vandaag bestaan. Methicilline-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) is een van die zogenaamde 'superbacteriën'. Op de koop toe is Staphylococcus aureus (S. aureus) befaamd voor de vorming van biofilms. De weerstand van bacteriën aan antimicrobiële producten is vele malen groter in biofilms dan in planktonische vorm. Terwijl resistentie tegen antibiotica een belangrijke bedreiging vormt voor de volksgezondheid, is het aantal nieuwe antibiotica dat ontwikkeld wordt uiterst schaars. Vooral de enorme economische kosten en de angst om geneesmiddelen te ontwikkelen die snel obsoleet kunnen worden, creëren een situatie waarin farmaceutische bedrijven de behoeften niet langer dekken. Daarnaast zijn nieuwe doelwitten nodig om microbiële infecties te bestrijden. In hoofdstuk I wordt een algemeen overzicht gegeven van het probleem van antimicrobiële resistentie met een speciale focus op S. aureus. We bieden ook een vrij uitgebreide schets van de pathogeniciteit van de bacterie en behandelen (toekomstige) therapeutische opties en potentieel nieuwe platformen om S. aureus infecties onder controle te houden. Potentiëring van het effect van bestaande antimicrobiële middelen en/of het wijzigen van de virulentie van pathogenen blijken veelbelovende alternatieven voor conventionele antibiotica. In dit doctoraatswerk werden verbindingen ontwikkeld die op zich niet antimicrobieel werken, maar wel de gevoeligheid van bestaande antibiotica vergroten. Meer in het bijzonder, hebben we ons gericht op moleculen die interfereren met quorum sensing in S. aureus. Quorum sensing (QS) is een bacterieel intercellulair communicatiesysteem, dat genexpressie controleert. In S. aureus is QS betrokken bij biofilmvorming en virulentie. De recente ontdekking van de quorum sensing inhibitor (QSI) hamamelitannine (HAM), een natuurstof geïsoleerd uit de Amerikaanse toverhazelaar (Hamamelis virginiana), voor resistente staphylococcale infecties vormt een interessante hit voor verder onderzoek in dit belangrijke deelgebied van geneesmiddelenontwikkeling. HAM verhoogt de gevoeligheid van bacteriële biofilms tegenover antibiotica zowel in vitro als in vivo. Het is belangrijk te benadrukken dat HAM niet mag worden beschouwd als een klassiek antibioticum, omdat het geen bactericide of bacteriostatische effecten uitoefent. HAM interfereert met mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de uitzonderlijke weerstand van biofilms en veroorzaakt aldus een versterkend effect in combinatie met antibiotica. Vanuit een medicinaal chemisch oogpunt, is de structuur van HAM niet ideaal. Daarom hebben we structuur-activiteitsrelaties (S.A.R.) opgezet rond HAM, teneinde analoga te ontdekken met gunstigere ‘ruglikeness’ verbeterde metabole stabiliteit en verhoogde activiteit. De specifieke doelstellingen van dit werk worden beschreven in hoofdstuk II. In de vorm van een compilatie van de ‘peer-reviewed’publicaties die zijn voortgevloeid uit dit project, beschrijft hoofdstuk III de wetenschappelijke onderzoeken die zijn uitgevoerd in de loop van de afgelopen vier jaar. De eerste publicatie, in Angewandte Chemie International Edition (DOI: 10.1002/anie.201601973), beschrijft hoe we vertrekkend van HAM graviteerden naar derivaten die meer ‘ruglike’zijn. In deze publicatie richten we ons op het optimaliseren van de 5-zijde (i.e. de "westelijke zijde") van de molecule. Ons werk resulteerde in de identificatie van een metabool stabiele lead met veelbelovende potentiërende eigenschappen, zowel in vitro als in twee in vivo modellen van S. aureus infectie. In het manuscript, alluderen we op het feit dat ortho substitutie van de 5-fenylring allicht gunstig is voor activiteit. In onze tweede publicatie, in Bioorganic & Medicinal Chemistry (DOI: 10.1016/j.bmc.2016.07.058), richten we ons verder op de S.A.R. rond de 5-positie. De stereochemische vereisten rond C4 worden onderzocht, alternatieve stikstofhoudende linkers ook. Bovengenoemde hypothese met betrekking tot ortho substitutie, wat leidt tot een distorsie van de fenylamidegroep naar een niet-planaire conformatie, wordt bevestigd. Het derde deel van hoofdstuk III vormt de publicatie in ACS Medicinal Chemistry Letters (DOI: 10.1021/acsmedchemlett.6b00315). In deze tekst werpen we een licht op de structurele vereisten aan de 2'-zijde (i.e. de "oostelijke zijde") van de molecule. Geen van de beschreven bis-benzamiden bleek bijzonder potent. Verkorting van de acylgroep leverde echter wel een aantal interessante potentiatoren op. Vervolgens hebben we ook HAM analogen ontwikkeld die gunstige substituenten van beide zijden combineren in één enkele verbinding. Deze ‘mixand-match’benadering leverde een aantal zeer potente hybridemoleculen op. Een vierde manuscript, dat bij European Journal of Medicinal Chemistry (DOI: 10.1016/j.ejmech.2016.10.056) werd geaccepteerd voor publicatie, vormt het laatste deel van hoofdstuk III. In onze zoektocht naar derivaten met verbeterde synthetische toegankelijkheid, beschrijven we een aantal praktische synthesemogelijkheden voor HAM analogen met alternatieve centrale eenheden. Bij dit ‘caffold hoppen’werden we geïnspireerd door een ligand-gebaseerde virtuele screeningsprocedure en via de synthese en biologische evaluatie van dergelijke verbindingen, konden we concluderen dat er ruimte is voor structurele aanpassing in het centrale deel van de molecule. Een algemene conclusie wordt gegeven in hoofdstuk IV van dit proefschrift. Hoofdstuk V plaatst het onderzoek en de bekomen resultaten in dit proefschrift in een bredere internationale context. Voorts wordt een discussie en kritische evaluatie gegeven van onze hamamelitannine analogen als potentiatoren voor bestaande antibiotica in de behandeling van resistente S. aureus infecties. Tot slot worden toekomstperspectieven geschetst.