Dokument: Lead Structures from Nature in the Quest for Antibacterial Drugs

Titel:	Lead Structures from Nature in the Quest for Antibacterial Drugs
Weiterer Titel:	Leitstrukturen aus Naturstoffen für die antibakterielle Chemotherapie
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=47142
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20180919-082254-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Rehberg, Nidja [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 3,07 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 17.09.2018 / geändert 17.09.2018
Beitragende:	Prof. Dr. Kalscheuer, Rainer [Gutachter] Prof. Dr. Proksch, Peter [Gutachter]
Stichwörter:	Antibiotika, Tuberkulose, M. tuberkulosis, MRSA, Wirkstoffe
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Zur Eindämmung bakterieller Krankheiten wie Tuberkulose oder Methicillin resistente Staphylococcus aureus Infektionen sind neue Arzneimittel unumgänglich. Diese Arbeit fasst im ersten Teil aktuelle Aspekte der antibakteriellen Arzneimittel-forschung zusammen, wobei der Fokus auf innovative Strategien der Antibiotikaentwicklung in Bezug auf antibakterielle Verbindungen, Screeningmethoden für schwer behandelbare Populationen und alternative Herangehensweisen zur Antibiotikaentwicklung liegt. Im zweiten Teil werden sekundäre Metabolite und ihre Derivate, welche aus Endophyten, Schwämmen und Pflanzen isoliert oder abgeleitet worden sind, als mögliche antibakterielle Leitstrukturen analysiert. Hierfür wurden Extrakte und Reinsubstanzen hin-sichtlich ihrer antibakteriellen Wirkung gegen Mycobacterium tuberculosis und nosokomiale Erreger wie Staphylococcus aureus in Zell-basierten Viabilitätsstudien untersucht. Drei Substanzklassen, die eine vielversprechende therapeutische Breite aufwiesen, werden in dieser Arbeit beschrieben: Das Flavonoid Chlorflavonin wurde aus dem Endophyten Mucor irregularis, welcher von der kamerunischen Heilpflanze Moringa stenopetala gewonnen wurde, isoliert. Es wies antituberkulöse Aktivität, jedoch keine Zytotoxizität gegen humane Zelllinien auf. Chlorflavonin inhibiert die katalytische Untereinheit IlvB1 der Acetohydroxysäure Syn-thase, wodurch eine Auxotrophie für verzweigte Aminosäuren und Pantothensäure verur-sacht wird. Außerdem führt die Kombinationstherapie mit den bekannten Tuberkulose-Antibiotika Isoniazid beziehungsweise Delamanid zu einer Sterilisation der Flüssigkultur in vitro. Die intrazelluläre Wirkung von Chlorflavonin gegen Mycobacterium tuberculosis wurde durch ein Makrophagen-Infektionsmodell bewiesen. Mit Hilfe der Masuda-Suzuki Eintopf-Synthese wurde eine Substanzbibliothek aus Bis-Indolen erstellt, welche von den Naturstoffen Hyrtinadin A und Alocasin A abgeleitet wurde. Aufgrund von Struktur-Aktivitätsstudien erwiesen sich 5',5''-Chlorderivate als die aktivsten Verbindungen gegen Methicillin resistente Staphylococcus aureus, wobei sich die minimale Hemmkonzentration hierbei von 0,2 – 0,78 µM erstreckte. Aufgrund der starken bakteriziden Wirkung und der langsamen Resistenzentwicklung, stellen diese Derivate viel versprechende Leitstrukturen für Antibiotika dar. Zudem wurden Gallussäurederivate aus dem Nigerianischen Mistelzweig Loranthus micranthus isoliert und auf ihre antituberkulöse Wirkung untersucht. Hierbei stellten 3-O-Methylbutyl, 3-O-Methylhexyl- und 3-O-Methyloctylgallat die aktivsten Verbindungen dar. Während die Behandlung mit 3-O-Mehtylbutylgallat nur eine schwache Reduktion der bakteriellen Viabilität verursachte, wies besonders die Kombination mit Isoniazid eine starke synergistische Wirkung gegen Mycobacterium tuberculosis auf und führte zu einer Sterilisation der Flüssigkultur in vitro. Die Ergebnisse der Genomsequenzierung spontan resistenter Mutanten lassen vermuten, dass die Stearoyl-Desaturase DesA3 und/oder die dazugehörige Oxidoreduktase (Rv3230c) das Target der Gallate darstellt. Aufgrund der Hemmung der Fettsäuredesaturierung wird möglicherweise, neben der Regulierung der zytoplasmatischen Membranfluidität, die Synthese von Lipiden aus langkettigen Fettsäuren beeinträchtigt. To control the spread of bacterial diseases, such as tuberculosis and methicillin-resistant Staphylococcus aureus infections, new drugs are urgently needed. In the first part, the thesis reviewed some of the current concepts in antibacterial drug discovery focusing on novel innovative strategies. Novel sources for antibacterial com-pounds, screening methods for difficult-to-treat subpopulations and alternative strategies for antimicrobial compound development are reported. As second part, the research of this thesis focused on secondary metabolites and their derivatives isolated or derived from endophytic fungi, sponges and plants as new anti-bacterial lead structures. In general, compounds were screened in whole cell viability assays for their antibacterial activity against Mycobacterium tuberculosis and nosocomial bacteria such as Staphylococcus aureus. Three compound classes which each revealed a promising therapeutic range were reported here: The flavonoid chlorflavonin was isolated from the endophytic fungus Mucor irregularis, which was obtained from the Cameroonian medicinal plant Moringa stenopetala. It exhibited potent antitubercular activity but no cytotoxicity against human cell lines. Chlorflavonin specifically inhibits the acetohydroxyacid synthase catalytic subunit IlvB1 causing auxotrophy to branched chain amino acids and pantothenic acid. Furthermore, combination treatment with the clinically used tuberculosis drugs isoniazid and particularly delamanid led to complete sterilization in liquid culture in vitro. Macrophage infection models revealed the intracellular activity of chlorflavonin against Mycobacterium tuberculosis. Using the Masuda-Suzuki one pot synthesis, a compound library of bis-indoles derived from the natural substances hyrtinadine A and alocasin A was created. Structure-activity relationship studies revealed that 5',5''-chloro derivatives were the most active compounds against methicillin-resistant Staphylococcus aureus with a minimal inhibitory concentration ranging from 0.20 – 0.78 µM. The strong bactericidal killing effects with slow resistance development make these derivatives promising lead structures for antibiotics. Gallic acid derivatives isolated from the Nigerian mistletoe Loranthus micranthus were screened for their antitubercular activity with the most active compounds being identified as 3-O-methylbutyl-, 3-O-methylhexyl- and 3-O-methyloctylgallate. While causing only a moderate reduction of bacterial viability in monotreatment, the combination with isoniazid showed a particularly strong synergistic killing of Mycobacterium tuberculosis leading to complete sterilization of the culture in vitro. Whole genome sequencing of spontaneous resistant mutants suggests that stearoyl-desaturase DesA3 and/or the respective oxidoreductase (Rv3230c) is targeted by the gallates. This inhibition of fatty acid desaturation might not only impair regulation of cytoplasmic membrane fluidity but might also interfere with biosynthesis of long-chain fatty acid-derived cell wall lipids.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Mikrobiologie
Dokument erstellt am:	19.09.2018
Dateien geändert am:	19.09.2018
Promotionsantrag am:	24.07.2018
Datum der Promotion:	13.09.2018