Dokument: Functional characterisation of new antimicrobial compounds

Titel:	Functional characterisation of new antimicrobial compounds
Weiterer Titel:	Funktionale Charakterisierung neuer antimikrobieller Verbindungen
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=52721
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20210518-113329-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	van Geelen, Lasse [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,34 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 19.03.2020 / geändert 19.03.2020
Beitragende:	Prof. Dr. Kalscheuer, Rainer [Gutachter] Prof. Dr. Proksch, Peter [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Antimicrobial resistance (AMR) has become a global problem. The increased use of antibiotics in hospitals and agriculture is a driving factor for the emergence of new resistances. Antibiotics of last resort are often not effective anymore and, as a consequence, more patients die because of multidrug-resistant pathogens each year. In this thesis, the antimicrobial potency of new antimicrobial compounds has been evaluated to tackle the rising problem of AMR. The group of ESKAPE pathogens is of special interest because this group comprises Gram-positive and Gram-negative multidrug-resistant bacteria that cause life-threatening systemic infections. Natural brominated phenoxyphenols have been isolated from the marine sponge Dysidea granulosa and provide high bactericidal potential against MRSA and Pseudomonas aeruginosa (chapter 5). Furthermore, broad-spectrum activity was proven against all ESKAPE pathogens, including multidrug-resistant Enterococcus faecium, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii and Enterobacter cloacae. Antibiotic-tolerant subpopulations, such as persisters and biofilm-incorporated cells, are an increasing problem because these bacteria survive antibiotic therapy with conventional antibiotics in clinical use. Their tolerance against antibiotics is up to 1000-fold higher than the tolerance of their planktonic counterparts. Brominated phenoxyphenols, however, also provide activity against these hard-to-treat bacteria and are of particular interest as lead-structures for new antibiotics. Mycobacterium tuberculosis (Mtb), the causative agent of tuberculosis (TB), is a global threat and kills approx. 1.45 million people annually. While incidence rates are particularly high in Southern Africa and Southeast Asia, the emergence of multidrug-resistant TB is high in Eastern Europe and the former Soviet Union. To tackle the rising number of multidrug- or extensively drug-resistant TB, we screened a library of synthetic molecules and found two molecules that exhibit high anti-TB activity in vitro without detectable cytotoxicity against various human cell lines (chapter 6). The alkoxyamide-based molecules KSK-104 and KSK-106 kill Mtb in nanomolar concentrations while the frequency for resistance-mediating mutations is extremely low. In addition, both molecules provide anti-TB activity against internalised bacteria within THP-1 derived macrophages which is an essential property for anti-TB drugs because Mtb is an intracellular pathogen that survives within macrophages. In chapter 7, we have shown that human interleukin-26 (IL-26) provides anti-TB activity. We demonstrated that IL-26 causes cell wall damage in Mtb most likely by binding to mannosylated lipoarabinomannan as revealed by microscale thermophoresis. Consequently, this leads to morphological cell wall changes and “bleb” formation resulting in membrane disruption and cell death as we have proven employing scanning electron microscopy. As biofilm formation is a huge problem during hospitalisation, the natural compound chitosan, which has been isolated from marine shell waste, was tested for its capability to prevent formation of biofilms or induce dispersal of pre-formed biofilms (chapter 8). We demonstrated that chitosan and its derivatives are able to prevent biofilm formation in vitro when plastic surfaces were coated which the compounds. It is likely that chitosan is preventing the initial attachment of bacteria to the surface and, therefore, prevents biofilm formation. Antimikrobielle Resistenz (AMR) ist ein weltweites Problem. Die vermehrte Nutzung von Antibiotika in Krankenhäusern und in der Landwirtschaft sind begünstigende Faktoren neuer Resistenzbildung. Reserveantibiotika sind häufig nicht mehr wirksam und immer mehr Patienten sterben darum an Infektionen mit multi-resistenten Pathogenen. In dieser Arbeit soll dem Problem der AMR mit der Evaluation neuer antimikrobiell wirksamer Verbindungen entgegengewirkt werden. Die Gruppe von ESKAPE Pathogenen ist dabei von besonderem Interesse, weil sie sich aus Gram-positiven und -negativen multi-resistenten Bakterien zusammensetzt und lebensbedrohliche Infektionen verursachen kann. Brominierte Phenoxyphenole (PPs), welche Naturstoffe sind, wurden aus dem marinen Schwamm Dysidea granulosa isoliert und zeigen Aktivität gegen MRSA und Pseudomonas aeruginosa (Kapitel 5). Darüber hinaus wurde gezeigt, dass PPs eine Breitspektrumaktivität gegen alle ESKAPE Pathogene, insbesondere gegen multi-resistente Erreger wie Enterococcus faecium, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii und Enterobacter cloacae, besitzen. Antibiotika-tolerante bakterielle Subpopulationen, wie Persister oder Biofilm-inkorporierte Zellen, sind ein ebenso großes und zunehmendes Problem, weil sie Therapien mit klinisch genutzten Antibiotika überleben können. Ihre Toleranz ist dabei bis zu 1000x höher als die Toleranz planktonisch wachsender Bakterien. PPs zeigen jedoch auch Aktivität gegen diese schwer zu behandelnden Subpopulationen und stellen daher eine interessante Leitstruktur für neue Antibiotika dar. Mycobacterium tuberculosis (Mtb), das Tuberkulose (TB) auslösende Bakterium, ist eine weltweite Bedrohung für die Gesundheit von Millionen Menschen. Im Jahr 2018 starben ungefähr 1,45 Mio. Menschen an TB. Während die Inzidenzrate gerade im südlichen Afrika und Südostasien besonders hoch sind, zeigen sich immer mehr Fälle multi-resistenter TB in Osteuropa und der ehemaligen Sowjetunion. Um dieser Problematik entgegenzuwirken, haben wir eine Bibliothek synthetischer Moleküle systematisch auf ihre Wirksamkeit gegen Mtb untersucht. Dabei fanden wir zwei Moleküle, KSK-104 und KSK-106, die besonders gute in vitro Aktivität gegen Mtb und keine messbare Zytotoxizität gegenüber menschlichen Zelllinien zeigten (Kapitel 6). Diese Alkoxyamid-basierten Moleküle zeigen bereits hohe Aktivität gegen Mtb im nanomolaren Bereich, während gleichzeitig die Resistenzbildung gegen diese Moleküle sehr gering ist. Zusätzlich sind beide Verbindungen in der Lage Mtb nach der Internalisierung durch Makrophagen, die aus THP-1 Monozyten generiert wurden, zu töten, was ein essentielles Charakteristikum für TB-Antibiotika ist, da Mtb in der Lage ist, innerhalb von Makrophagen zu überleben. In Kapitel 7 wird gezeigt, dass das menschliche Interleukin-26 (IL-26) ebenfalls anti-TB Aktivität besitzt. Wir konnten zeigen, dass IL-26 Zellwandschäden bei Mtb verursacht, was höchstwahrscheinlich über die Bindung an mannosyliertes Lipoarabinomannan vermittelt wird. Dies konnten wir mittels mikroskalierter Thermophorese zeigen. Dies führt zu morphologischen Zellwandveränderungen, die zur „bleb“ Bildung und letztendlich zu einer Zerstörung der Zellwand führen, was mittels Rasterelektronenmikroskopie bestätigt werden konnte. Biofilmbildung ist ein massives Problem während eines Krankenhausaufenthalts. Das natürlich vorkommende Biopolymer Chitosan, welches aus Schalenabfällen von Meerestieren isoliert wurde, wurde auf seine Wirksamkeit gegen Biofilmbildung untersucht (Kapitel 8). Wir konnten zeigen, dass Chitosan und Chitosan-abstammende Derivate die Biofilmbildung in vitro verhindern können, wenn die Oberflächen mit Chitosan überzogen sind. Es ist wahrscheinlich, dass Chitosan die initiale Anheftung der Bakterien verhindern kann und dadurch die Biofilmbildung verhindert.
Rechtliche Vermerke:	Sperrvermerk vom 24.03.2020 bis 23.03.2021, 2. Sperrvermerk bis 23.03.2022
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Pharmazie » Pharmazeutische Biologie und Biotechnologie
Dokument erstellt am:	18.05.2021
Dateien geändert am:	18.05.2021
Promotionsantrag am:	04.02.2020
Datum der Promotion:	12.03.2020