Disseny, síntesi i avaluació biològica i biofísica d’anàlegs de polimixina

Abstract

El problema de la resistència bacteriana ha esdevingut un problema de salut pública global. Cada cop apareixen més soques bacterianes resistents a dos o més fàrmacs i és especialment preocupant la manca d'antibiòtics en el mercat per a combatre les infeccions que aquests provoquen. És per això que un dels grans objectius del descobriment de nous fàrmacs antibiòtics és la recerca de nous compostos capaços de combatre aquests microorganismes. Els pèptids antimicrobians són una classe d'antibiòtics que en el darrers anys han despertat interès degut al seu particular mecanisme d'acció: actuen principalment sobre la membrana bacteriana, i són menys susceptibles de generar resistència per part del bacteris. Destaquem entre aquests pèptids antimicrobians, la polimixina, antibiòtic natural produït pel Bacillus polymyxa. És un compost antibacterià actiu contra bacteris Gram-negatius, però que presenta l'inconvenient de ser tòxic a nivell renal i neuronal. En aquesta tesi es descriu el disseny, la síntesi i l'activitat d'anàlegs de polimixina. Es va simplificar l'esquelet peptídic del producte natural, de manera que fos mes assequible la síntesi química dels anàlegs, la preparació a gran escala, i una potencial reducció de toxicitat. Les modificacions que es van dur a terme van ser substituïr l'enllaç lactàmic que tanca el cicle, per un enllaç disulfur, l'àcid gras natural ramificat, es va substituir per un de lineal, i es van fer substitucions d'alguns aminoàcids per observar l'efecte que provocaven en l'activitat bacteriana. També es van sintetitzar anàlegs retroenantiòmers, per tal de veure la implicació de l'esquelet peptídic en la interacció amb les membranes, i finalment es va preparar un compost conjugat d'un anàleg de polimixina i l'espermina, una poliamina de cadena llarga. Es va estudiar la seva activitat antibiòtica in vitro amb assajos de concentració mínima inhibitòria (CMI). I posteriorment es van realitzar estudis d'activitat biofísica, realitzant assajos amb models de membrana bacteriana, com són els liposomes i les monocapes lipídiques. Aquesta tesi demostra que és possible simplificar l'estructura de la polimixina, obtenint-se compostos antibiòtics actius in vitro que mostren propietats biofísiques similars a les del producte natural.

The problem of bacterial resistance has become a global public health issue. Bacterial strains are becoming resistant to existing drugs and it is particularly worrying lack of antibiotics on the market to fight the infections they cause. That is why one of the major goals of antibiotic drug discovery today is the search for new compounds capable of combating these microorganisms. Antimicrobial peptides are a class of antibiotics that have raised particular interest these recent years due to its mechanism of action: they act primarily on the bacterial membrane, and are less likely to generate resistance by the bacteria. Among these antimicrobial peptides, the polymyxins, natural antibiotic produced by Bacillus polymyxa takes special interest for us. This antibacterial compound is active against Gram-negative bacteria, but it is nephrotoxic an neurotoxic. This thesis describes the design, synthesis and activity of polymyxin analogues. We report a simplified peptide structure, with a chemically accessible scaffold and upscalable, that might show potential toxicity reduction. The modifications that were carried out were substitution of the lactam bond that closes the heptapeptide cycle by a disulphide bond; branched natural fatty acid, was replaced by a linear one, and they were made some amino acid substitutions in order to observe the effect in the bacterial activity. We also synthesize analogues retroenantiomers, to see the involvement of the peptide scaffold when binding to bacterial membranes, and finally it was prepared a conjugate compound of an analogue of polymyxin and spermine, a long chain polyamine. We carried out assays of minimum inhibitory concentration (MIC) in vitro and also studies of biophysics activity, conducting tests with bacterial membrane models, such as liposomes and lipid monolayers. This thesis shows that it is possible to simplify the structure of polymyxin, obtaining active compounds in vitro with biophysical properties that are similar to the natural product.