4(1H)-Chinolonderivate als neue antibakterielle Leitsubstanzen

Dieses Projekt stellt ein Nachfolgeprojekt des vom FWF geförderten Einzelprojektes P21152-B18 "Evaluation of 4- (1H)-quinolone derivatives as new antimycobacterial drug leads" dar. Zahlreiche neue 4(1H)-Chinolone mit C7 - C20 Alkyl-, Alkenyl- und Alkynylseitenketten in Position C-2 mit unterschiedlichem Sättigungsgrad wurden synthetisiert und gegen verschiedene Mykobakterienstämme getestet. Bei schnellwachsenden Stämmen zeigten einige Substanzen eine um den Faktor 4 verringerte minimale Hemmkonzentration im Vergleich zu Evocarpin, der "Hit"-Substanz aus den Früchten der chinesischen Arzneipflanze Euodia rutaecarpa und im Vergleich zu Isoniazid eine zweifach stärkere Wirkung. Die Substanzen zeigten auch eine gute Wirkung gegen M. tuberculosis H37Rv und M. bovis BCG. Eine sehr gute Wirkung wurde auch gegen EMRSA-15 und EMRSA-16, zwei epidemiologisch wichtige Stämme methicillinresistenter Staphylokokken im Vergleich zu Norfloxacin erreicht, keine Aktivität zeigte sich hingegen an gram-negativen Bakterien wie Escherichia coli und Pseudomonas aeruginosa. In einer menschlichen diploiden embryotischen Lungenzelllinie (MRC-5) erwiesen sich die Alkynylderivate als signifikant weniger zytotoxisch als die korrespondierenden Alkenylderivate. Auf der Suche nach dem Wirkungsmechanismus der antituberkulotischen Wirkung wurden die aktivsten Verbindungen auf eine Hemmwirkung der ATP-abhängigen MurE-Ligase getestet, wobei sie sich N-Methyl-2-alkenyl-4(1H)-Chinolone sich als Hemmstoffe dieses Enzyms mit IC50-Werten im mikromolaren Bereich herausstellten. Die einfache Synthese dieser Chinolone sowie ihre erhöhte Selektivität gegen Mykobakterien machen N-Methyl-2-alkynyl-4(1H)-chinolone zu attraktiven Leitstrukturen für weitere Entwicklungen. Zusätzlich sollen diese Substanzen wegen ihrer ausgeprägten Hemmung von EMRSA-15 und EMRSA-16 auch als wichtige Leitstrukturen in der Suche nach anti-MRSA Wirkstoffen dienen. Auf Grund der Ergebnisse des laufenden Projektes soll nun in diesem Folgeprojekt die Optimierung in Richtung Hemmwirkung der MurE-Ligase aus M. tuberculosis sowie gegen EMRSA-15 und EMRSA-16 erfolgen. Es sollen verschiedene Substituenten wie Piperazinyl-, Pyrollidinyl- und Aminogruppen und ihre Derivate in die in Position 2 gebundene ungesättigte Seitenkette sowie am Aromaten in Position 5 und 8, die mit Aminosäuren der MurE-Substratbindungstelle interagieren könnten, eingefügt werden. Zusätzlich werden Uracil und dessen Derivate an den 4(1H)-Chinolonkern gebunden, da vorangegangene Studien zeigten, dass die Chinolone mit der Uracil- Erkennungsstelle im Enzym interagieren können. Die synthetisierten Substanzen werden auf ihre antibakterielle, zytotoxische und M. tuberculosis MurE-Ligase hemmende Wirkung getestet. Das Projekt wird von einer Forschungsgemeinschaft aus Pharmakognosten, Pharmazeutischen Chemikern und Mikrobiologen durchgeführt.

4(1H)-Chinolone sind bereits seit Mitte der 1990er Jahre in der Behandlung verschiedenster klinisch relevanter bakterieller Infektionen im Einsatz, dennoch wurden in diesem Projekt weitergehende Untersuchungen an dieser Antibiotika-Stoffklasse durchgeführt, und zwar aus folgenden zwei Gründen. Zum einen besitzen die von uns bearbeiteten 4(1H)-Chinolone mit beachtlicher antibiotischer Wirkung in vitro Substituenten in Positionen 1 und 2, aber nicht in Position 3. Im Gegensatz dazu sind alle am Markt befindlichen 4(1H)-Chinolone inklusive der Fluorochinolone in Position 3 mit einer Carboxylgruppe substituiert, weisen in Position 2 aber keine Substituenten auf. Zum zweiten wurden Fluorochinolone bei Gram-positiven und Gram-negativen Keimen sowie einigen anaeroben Bakterien zwar über lange Jahre erfolgreich angewendet, übermäßige und missbräuchliche Anwendung, v.a. im Bereich der Landwirtschaft und Veterinärmedizin, resultierten aber in Keimen mit ausgeprägten Resistenzen. Es ist demnach ein dringender Bedarf an neuen antibiotischen Wirkstoffen mit neuen Wirkmechanismen gegeben. HalO 54 Hal 6 4a 3 R = alkyl, alkenyl, bromoalkyl, cycloalkyl 72R` = alkenyl, alkynyl, phenylalkyl, phenylalkoxyl, bromoalkyl, 3`-aminealkyl Hal 8 8a N1R` Hal = Cl, Br, I HalR Abbildung 1. In diesem Projekt synthetisierte 4(1H)-Chinolone Wir synthetisierten Serien von 4(1H)-Chinolonen mit den in Abbildung 1 dargestellten Substituenten und untersuchten ihre antibakteriellen, efflux-inhibierenden und zytotoxischen Eigenschaften. Es zeigte sich, dass vor allem Substanzen mit Alkynylketten in Position 2 eine signifikante Wachstumshemmung der schnell wachsenden Mykobakterien Mycobacterium smegmatis, M. fortuitum und M. aurum bewirkten, die jene der Antibiotika Ethambutol und Isoniazid übertraf. Der Efflux (Auswärtstransport) von Antibiotika durch Transportproteine, sog. Efflux-Pumpen, ist ein wesentlicher Bestandteil der Resistenzmechanismen von Bakterien. Einige der in diesem Projekt synthetisierten Substanzen waren in der Lage, bereits in niedrigen, mikromolaren Konzentrationen den Efflux von Ethidiumbromid, einem Modellsubstrat der Efflux-Pumpen, in M. aurum zu hemmen. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, zu untersuchen, inwieweit Antibiotika, gegen die bereits Resistenz besteht, durch Kombination mit diesen Chinolonen wieder angewendet werden können bzw. deren Resistenzentwicklung hinausgezögert werden kann. Ein weiteres wichtiges Resultat dieses Projektes ist darin zu sehen, dass einige dieser Chinolone in der Lage waren, den Austausch von Plasmiden, die für die Übertragung von Resistenz in einer Bakterienpopulation verantwortlich sind, zu unterbinden. Damit erweisen sich diese Chinolone auch hinsichtlich der Resistenzentwicklung durch Plasmidtransfer als mögliche Wirkstoffe und greifen in einen weiteren Mechanismus der Antibiotika-Resistenz ein. Schließlich konnte auch gezeigt werden, dass 4(1H)-Chinolone dieses Projektes eine Wachstumshemmung von Plasmodium falciparum, einem Erreger der Malaria, sowie von Trypanosoma brucei rhodesiense, dem Erreger der Schlafkrankheit, bereits bei sehr niedrigen Konzentrationen bewirken.