Dokument: Characterization of new drug leads and target structures to combat multidrug-resistant tuberculosis

Titel:	Characterization of new drug leads and target structures to combat multidrug-resistant tuberculosis
Weiterer Titel:	Charakterisierung neuer Leitstrukturen und therapeutischer Angriffspunkte gegen multiresistente Tuberkulose
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=69872
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20250624-103509-2
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Vill geb. Schwechel, Kristin [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 120,94 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 12.06.2025 / geändert 12.06.2025
Beitragende:	Prof. Dr. Kalscheuer, Rainer [Gutachter] Prof. Dr. Jacobsen Marc [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	To address the rising problem of multidrug-resistant pathogens, there is an urgent requirement for new medications with inventive approaches and unique modes of action. This work focuses on tuberculosis, a bacterial disease that is responsible for 1.5 million deaths worldwide each year. The tuberculosis epidemic is complicated by its deadly combination with HIV/AIDS, but even more so by the alarming emergence of resistant strains. The first experimental part of this dissertation, described in chapter 3, concentrates on research characterizing the anti-tuberculosis potential of α-aminooxyacetic acid derivatives. The front-runner compounds, KSK-104 and KSK-106, displayed potent activity against Mycobacterium tuberculosis H37Rv in vitro in a submicromolar range, while also demonstrating virtually no cytotoxicity against numerous human cell lines. Furthermore, the two molecules exhibited anti-tuberculosis activity against extensively drug-resistant clinical isolates and internalized bacteria within THP1-derived macrophages. This property is vital for anti-tuberculosis drugs since M. tuberculosis is an intracellular pathogen that thrives within macrophages. Analysis of resistant mutants indicated that the compounds function as pro-drugs, undergoing intracellular hydrolysis by two specific amidohydrolases, which were further characterized. Complementation experiments revealed the hypothetical mechanism of action. It is suggested that the active moieties released intracellularly likely act as a "dirty drug", targeting multiple intracellular pathways. It is evident that new compounds acting differently from the present clinical drugs are necessary to treat patients with drug-resistant tuberculosis. Hence, it is crucial to identify and characterize unknown pathogenicity and virulence factors. The cell wall of M. tuberculosis is considered a vulnerable point, making it an appealing target. It has a unique structure with several layers rich in lipids that provide an inherent resistance to most drugs. Despite significant advances in research on cell wall biogenesis, certain key steps are still unclear. In the second part of this dissertation, we identified Rv3277t, an essential protein of M. tuberculosis, and MSMEG_1817, its homolog in the surrogate M. smegmatis, as GtrA-like transporters that participate in the translocation of. glycoconjugates (chapter 4). These conjugates play a significant role in host-pathogen interactions and are produced through a bipartite process in the cytoplasm and periplasm. Although the biosynthesis of glycoconjugates is well understood, the process by which carbohydrates move into the outer leaflet of the cell membrane remains unknown. Using bioinformatics, gene silencing, and phenotypic characterization of mutant strains, we have discovered that the GtrA-like transporters might act as putative floppases. Additionally, we have thoroughly evaluated their contribution to the mannosylation and arabinosylation of glycoconjugates. We have thus identified a previously unknown component of the biosynthetic pathway for glycoconjugate formation and a potential drug target candidate. As small molecule inhibitors targeting a single pathogen often prompt the emergence of new resistant strains, innovative strategies will be required to combat infectious diseases in the future. Consequently, the last part of this dissertation introduces a new chemical tool compound to remove bacterial proteins (chapters 5 and 6). The work on bacterial PROTACs is based on the principle of targeted protein degradation, whereby the compounds recruit the mycobacterial degradation pathway. The ClpC1:ClpP1P2 protease represents an alluring target for mycobacteria as both its inhibition and activation prove detrimental to the organism. The Homo-BacPROTACS, which are composed of two cyclomarin A units connected by a linker region, were analysed for the mechanism of their antitubercular activity. Our findings indicate that the dual Clp degraders trigger autodegradation of ClpC1 in conjunction with its ClpC2 caretaker. The new compounds are highly effective against M. tuberculosis in vitro, being over 100 times more potent than the parent antibiotic. The study highlights the potential of Homo-BacPROTACs as future antibiotics. Together, our data reveal the importance of developing original drug leads, targets, and strategies contributing to combat the emerging threat of antibiotic-mediated resistance. Die weltweite Ausbreitung multiresistenter Krankheitserreger stellt eine der größten Herausforderungen der modernen Medizin dar. Besonders alarmierend ist die Situation bei Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis), dem Erreger der Tuberkulose – einer der tödlichsten Infektionskrankheiten weltweit, die jährlich rund 1,5 Millionen Menschenleben fordert. Trotz verfügbarer Therapien wird diese Tuberkulose-Epidemie durch das zunehmende Auftreten resistenter Stämme sowie durch die tödliche Koinfektion mit HIV/AIDS weiter verschärft. Daher ist die Entwicklung neuer Wirkstoffe mit innovativen und zielgerichteten Wirkmechanismen dringend geboten. Diese Dissertation widmet sich dieser Problematik und untersucht neuartige molekulare Ansätze zur Bekämpfung von M. tuberculosis. Im ersten experimentellen Teil dieser Arbeit (Kapitel 3) wird das Potenzial von α-Aminooxyessigsäurederivaten zur Behandlung von Tuberkulose untersucht. Die Verbindungen KSK-104 und KSK-106 zeigten in vitro eine ausgeprägte Aktivität gegen M. tuberculosis H37Rv im submikromolaren Bereich, bei gleichzeitig geringer Zytotoxizität gegenüber verschiedenen humanen Zelllinien. Zudem erwiesen sich die Verbindungen als wirksam gegen extensiv resistente klinische Isolate sowie gegen intrazellulär persistierende Bakterien in aus THP-1-Monozyten differenzierten Makrophagen – eine entscheidender Aspekt, da M. tuberculosis als intrazellulärer Erreger in Makrophagen überlebt und repliziert. Die Analyse KSK-resistenter Mutanten deutet darauf hin, dass es sich bei den Verbindungen um Prodrugs handelt, die intrazellulär durch zwei spezifische Amidohydrolasen aktiviert werden, welche im Rahmen dieser Arbeit funktionell charakterisiert wurden. Komplementationsstudien legen nahe, dass die freigesetzten aktiven Metabolite als sogenannte „Dirty Drugs“ mehrere zelluläre Zielstrukturen simultan angreifen. Vor dem Hintergrund des dringenden Bedarfs an Wirkstoffen mit alternativen Wirkmechanismen wird im zweiten Teil der Arbeit (Kapitel 4) die Identifikation und Charakterisierung bislang unbekannter Pathogenitäts- und Virulenzfaktoren verfolgt. Im Mittelpunkt steht die Zellwand von M. tuberculosis, ein vielversprechendes Angriffsziel aufgrund ihrer einzigartigen, lipidreichen Struktur, die dem Erreger eine natürliche Resistenz gegenüber zahlreicher Medikamente verleiht. Obwohl in der Forschung zur Zellwandbiogenese signifikante Fortschritte erzielt wurden, bleiben bestimmte Schlüsselschritte noch immer nicht gänzlich verstanden. In diesem Zusammenhang wurden Rv3277t in M. tuberculosis und MSMEG_1817 in M. smegmatis als essenzielle, GtrA-ähnliche Transporter identifiziert, die an der Translokation von Glykokonjugaten beteiligt sind. Diese Glykokonjugate, die in einem zweistufigen Prozess im Zytoplasma und Periplasma synthetisiert werden, sind entscheidend für die Interaktion zwischen Wirt und Erreger. Während ihre Biosynthese weitgehend charakterisiert ist, war bislang unklar, wie diese Moleküle die äußere Zellwandschicht erreichen. Durch bioinformatische Analysen, gezielte Gen-Silencing-Experimente sowie die phänotypische Charakterisierung von Mutanten konnte gezeigt werden, dass die GtrA-ähnlichen Transporter vermutlich als Floppasen fungieren. Darüber hinaus wurde ihr Beitrag zur Mannosylierung und Arabinosylierung von Glykokonjugaten umfassend untersucht. Damit wurde eine bislang unbekannte Komponente des Glykokonjugat-Biosynthesewegs identifiziert – ein potenziell neues Ziel für die Entwicklung anti-tuberkulöser Wirkstoffe. Im abschließenden Teil der Arbeit (Kapitel 5 und 6) wird ein neuartiges chemisches Werkzeug zum gezielten Abbau bakterieller Proteine vorgestellt. Die entwickelten Homo-BacPROTACs basieren auf dem Prinzip des gezielten Proteinabbaus und bestehen aus zwei über eine Linkerregion verbundenen Cyclomarin-A-Einheiten. Zielstruktur ist die essenzielle AAA+ Protease ClpC1:ClpP1P2, eine attraktive mykobakterielles Angriffsstruktur, da sowohl deren Inhibition als auch Überaktivierung das Bakterium schwächt. Die Untersuchungen zeigen, dass diese Verbindungen sowohl die Autodegradation von ClpC1 als auch die Degradation von ClpC2 induzieren – einem regulatorischen Protein, das in dieser Arbeit als schützender Faktor für ClpC1 identifiziert wurde. Die Homo-BacPROTACs zeigten eine ausgeprägte Wirksamkeit in vitro gegen M. tuberculosis und übertrafen die Ausgangsverbindung hinsichtlich ihrer Aktivität um mehr als das Hundertfache. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial der Homo-BacPROTACs als neuartige Antibiotikaklasse, die erstmals auf dem Prinzip des selektiven Proteinabbaus in M. tuberculosis basiert. Insgesamt verdeutlicht diese Arbeit die Relevanz und das Potenzial innovativer Wirkstoffkandidaten, Zielstrukturen und Wirkmechanismen zur Bekämpfung der zunehmenden Bedrohung durch antibiotikaresistente Erreger.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Pharmazie » Pharmazeutische Biologie und Biotechnologie
Dokument erstellt am:	24.06.2025
Dateien geändert am:	24.06.2025
Promotionsantrag am:	25.09.2024
Datum der Promotion:	23.05.2025