Synthese, biologische Testung und Struktur-Wirkungs-Beziehungen von Inhibitoren der Lipid A Biosynthese
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Aufgrund der zunehmenden Anzahl an multiresistenten Keimen werden dringend Antibiotika benötigt, die einen neuartigen Wirkungsmechanismus aufweisen. Die Hemmung der Lipid A-Biosynthese stellt einen vielversprechenden Ansatzpunkt für die Entwicklung von gegen gramnegative Bakterien gerichteten Antibiotika dar. So konnte beispielsweise das Enzym LpxC, das den ersten irreversiblen Schritt der Lipid A-Biosynthese katalysiert, als Target für die antimikrobielle Therapie validiert werden. Im Rahmen des von der DFG finanzierten Projekts wurden verschiedene offenkettige sowie konformativ fixierte LpxC-Inhibitoren hergestellt und die drei Strukturelemente dieser Verbindungen - die Zinkbindende Gruppe, der zentrale Zucker- bzw. Aminosäure-Baustein und die lipophile Seitenkette - unabhängig voneinander variiert. Die erhaltenen Verbindungen wurden auf ihre antibiotische Wirksamkeit sowie ihre inhibitorische Aktivität gegenüber LpxC überprüft und Beziehungen zwischen der Struktur und der biologischen Aktivität der Verbindungen wurden herausgearbeitet. Bei diesen Untersuchungen zeigte sich, dass bei den hergestellten Verbindungen Variationen der lipophilen Seitenkette und der Zink-bindenden Gruppe nur in sehr eingeschränktem Maße möglich sind. Während sich die Hydroxamsäure-Funktion als beste Zink-bindende Gruppe in Hinblick auf eine hohe inhibitorische Aktivität gegenüber LpxC erwies, zeigten sich im Fall der lipophilen Seitenkette lange, lineare und starre Gruppen wie Diphenylacetylen- und Diphenyldiacetylen-Einheiten als optimale Strukturelemente. Die Variation der Konfiguration der in ihren zentralen Bausteinen enthaltenen Stereozentren zeigte, wie wichtig die Stereochemie für die biologische Aktivität der untersuchten C-Glycoside sowie ihrer offenkettigen Analoga ist. So erwies sich bei der biologischen Testung die (2S,3S,4R,5S)-konfigurierte Hydroxamsäure 26 als potentester LpxC-Inhibitor von allen bisher untersuchten C-Furanosiden, während im Fall der offenkettigen Diole die (S,S)-konfigurierte Verbindung 6 den potentesten LpxC- Inhibitor dieser Serie von Verbindungen darstellt. Auch der Austausch des zentralen Tetrahydrofuran-Rings gegen einen Pyrrolidin-Ring wurde untersucht. Von den hergestellten Prolin-Derivaten wiesen die N-alkylierten Verbindungen 43g und 44g eine relativ hohe antibakterielle Aktivität auf und stellen somit vielversprechende Ausgangspunkte für weitere Optimierungsschritte dar. Bei der Untersuchung der inhibitorischen Aktivität der Prolin- Derivate gegenüber einer Reihe weiterer Zn2+-abhängiger Enzyme, konnten potente Matrixmetalloprotease-Inhibitoren identifiziert und zum PET-Tracer [18F]50, der eine hohe Affinität und Selektivität für MMP-13 aufweist, weiterentwickelt werden. Um die Biosynthese von Lipid A noch effektiver hemmen zu können, wurde nach Inhibition des Enzyms LpxA, das den ersten Schritt der Lipid A-Biosynthese katalysiert, gesucht. Durch virtuelles Screening und nachfolgende STD-Experimente bzw. mit Hilfe der Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie konnten erste Verbindungen identifiziert werden, die an LpxA binden und Ausgangspunkte für die Entwicklung von LpxA-Inhibitoren darstellen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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C-Triazolyl β-D-furanosides as LpxC inhibitors: stereoselective synthesis and biological evaluation. Tetrahedron 2014, 70, 6569-6577
Jana, S. K.; Löppenberg, M.; Daniliuc, C. G.; Holl, R.
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Synthesis and biological evaluation of C-ethynyl furanosides as LpxC inhibitors. Tetrahedron 2015, 71, 956-966
Jana, S. K.; Löppenberg, M.; Daniliuc, C. G.; Holl, R.
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Chiral pool synthesis and biological evaluation of C-furanosidic and acyclic LpxC inhibitors. Eur. J. Med. Chem. 2016, 110, 340-375
Müller, H.; Gabrielli, V.; Agoglitta, O.; Holl, R.
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Insights into the zinc-dependent deacetylase LpxC: biochemical properties and inhibitor design. Current Topics in Medicinal Chemistry 2016, 16, 2379-2430
Kalinin, D. V.; Holl, R.
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Novel Potent Proline-Based Metalloproteinase Inhibitors: Design, (Radio)Synthesis, and First in Vivo Evaluation as Radiotracers for Positron Emission Tomography. J. Med. Chem. 2016, 59, 9541-9559
Kalinin, D. V.; Wagner, S.; Riemann, B.; Hermann, S.; Schmidt, F.; Becker- Pauly, C.; Rose-John, S.; Schäfers, M.; Holl, R.
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Synthesis and biological evaluation of enantiomerically pure glyceric acid derivatives as LpxC inhibitors. Bioorg. Med. Chem. 2016, 24, 1032-1044
Tangherlini, G.; Torregrossa, T.; Agoglitta, O.; Köhler, J.; Melesina, J.; Sippl, W.; Holl, R.
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LpxC inhibitors: a patent review (2010-2016). Expert Opin. Ther. Pat. 2017, 27, 1227-1250
Kalinin, D. V.; Holl, R.
