Wirkstoffdesign und Optimierung

Der Methylerythritolphosphat (MEP)-Signalweg ist eine reiche, wenig erforschte Quelle für antiinfektive Targets, die beim Menschen fehlen, aber in vielen pathogenen Bakterien, Protozoen und Pflanzen unerlässlich sind. Dies eröffnet die Möglichkeit, hochselektive Inhibitoren zu entwickeln, die gegen klinisch relevante Krankheitserreger wie beispielsweise vier ESKAPE-Erreger wirksam sind: Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa und Enterobacter spp., die laut der „WHO Global Priority List of antibiotic-resistant bacteria“ höchste Priorität haben - zuzüglich Mycobacterium tuberculosis und Plasmodium falciparum. Bei diesen Krankheitserregern ist der MEP-Signalweg die einzige Quelle für Isopentenyldiphosphat (IPP) und Dimethylallyldiphosphat (DMAPP). Letztere sind die universellen Bausteine für die Biosynthese von Isoprenoiden, einer großen und vielfältigen Klasse von Naturstoffen mit einer Vielzahl von unverzichtbaren Funktionen. Mit DXS, IspD und IspE sprechen wir drei essentielle Enzyme dieses Signalweges an. Unsere besten Verbindungen sind hochaktiv gegen die genannten Krankheitserreger und zeigen nanomolare IC₅₀-Werte.

Antibakterielle Medikamente, die auf essentielle Multi-Enzym-Komplexe abzielen, sind weniger anfällig für die Entwicklung von Resistenzen, da ihre Fehlfunktion schwer zu umgehen ist. In diesem Zusammenhang enthält die bakterielle Replizierungsmaschinerie, die aus mindestens zwölf interagierenden Enzymen besteht, die in Bakterien hochkonserviert sind, mehrere attraktive und vielversprechende antibakterielle Ziele - darunter die bakterielle β-Gleitklemme DnaN. DnaN ist eine wichtige Untereinheit des Holoenzyms DNA-Polymerase III, die die Polymerase-Dissoziation verhindert und die Polymerase-Aktivität erhöht. Darüber hinaus zeigt die β-Gleitklemme Wechselwirkungen mit einer Vielzahl anderer Enzyme, die an Replikations- und DNA-Reparaturprozessen beteiligt sind. Seine wichtige Funktionalität im Replikationsprozess und seine hochkonservierte Struktur über Bakterienarten hinweg sowie seine signifikante strukturelle Divergenz zum Säugetiergegenstück (PCNA) machen DnaN zu einem attraktiven Ziel für die Behandlung verschiedener Krankheitserreger, einschließlich Mycobacterium tuberculosis. Basierend auf dem Naturstoff Griselimycin (GM), einem bekannten DnaN-Binder, haben wir einen semisynthetischen Ansatz gewählt, der zu einer Reihe von GM-Derivaten mit vielversprechenden antibakteriellen Aktivitäten führte. Darüber hinaus haben wir verschiedene kleine organische Moleküle identifiziert, die an DnaN binden. Die Optimierung der vielversprechendsten Wirkstoffe ist im Gange.

Clostridien stellen eine Familie von grampositiven Bakterien dar, die gefährliche Krankheitserreger umfassen, die schwere Infektionskrankheiten verursachen. Die hohe Letalität dieser Bakterien steht im Zusammenhang mit Kollagenasen, die für die clostridiale Virulenz entscheidend sind. Denn sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Kolonisierung und Umgehung der Immunabwehr des Wirtes, dem Erwerb von Nährstoffen, der Erleichterung der Verbreitung oder der Gewebeschädigung während der Infektion. Die Hemmung dieser extrazellulären Kollagenasen ist konzeptionell attraktiv, da sie den Erreger nicht direkt angreift, sondern die Kolonisation und Infiltration des Wirtes durch die Clostridien blockiert. Die gezielte Anwendung extrazellulärer Enzyme hat den zusätzlichen Vorteil, dass Inhibitoren die Bakterienzellwand nicht durchqueren müssen, was in vielen Fällen eine Herausforderung darstellt. Clostridiale Kollagenasen sind Zink-Metalloproteinasen mit einer multidomänen Organisation, von denen Homologe auch in vielen Bazillen vorkommen. Unsere Gruppe war die erste, die Substanzen veröffentlichte, die nicht nur eine hochwirksame Hemmung der clostridialen und bazillalen Kollagenasen (ColH IC₅₀ im nM-Bereich), sondern auch eine starke Selektivität gegenüber menschlichen MMPs zeigten.

Pseudomonas aeruginosa (PA), ein äußerst problematischer gramnegativer Krankheitserreger, dem von der WHO eine kritische Priorität eingeräumt wurde, ist für viele nosokomiale Infektionen verantwortlich. Der opportunistische Erreger kommt auch häufig bei Verbrennungen und in der Lunge von COPD- und Mukoviszidosepatienten vor. Aus PA abgeleitete Virulenzfaktoren spielen eine zentrale Rolle bei Mechanismen, die ihre Pathogenese und Infektivität vermitteln. Es wird erwartet, dass die Strategie zur Entwicklung von "Pathoblockern", die auf solche Virulenzfaktoren abzielen, das kommensale Mikrobiom intakt lässt und weniger anfällig für die Entwicklung von Resistenzen ist als bei herkömmlichen Antibiotika. Einer der wichtigsten Virulenzfaktoren von PA ist die extrazelluläre Zink-Metall-Protease Elastase (LasB). LasB trägt wesentlich zum Krankheitsverlauf bei PA-infizierten Personen bei, indem es die Invasion des Wirts und die Umgehung der Immunabwehr erleichtert. Zudem wurde berichtet, dass es an der Bildung von PA-Biofilmen beteiligt ist. Die Hemmung von LasB ist eine vielversprechende Strategie zur effektiven Reduzierung der Virulenz von PA, ohne die Lebensfähigkeit des Erregers und des Wirtsmikrobioms zu beeinträchtigen. Unsere vielversprechendsten LasB-Inhibitoren weisen nanomolare IC₅₀-Werte und ein vielversprechendes Sicherheitsprofil auf.