Novel antimicrobial peptides for therapeutic applications: design, synthesis, characterization, and evaluation of their biological and biophysical activity

Abstract

After decades of exorbitant antibiotic misuse and overuse in human medicine, agriculture and livestock industry, multidrug resistant bacteria (MDR) have become a major medical concern. In this regard, the design of new, safe, and effective antimicrobials, particularly against Gram-negative bacteria is an urgent need. Polymyxins are antimicrobial lipopeptides, highly active and selective against Gram- negative bacteria which were discovered in 1947, but their use was abandoned in the 1970s due to nephro- and neurotoxicity issues. In the last decades, polymyxins have been rescued as last line therapy in hospitals due to the antibiotic crisis. In that regard, 31 new polymyxin-based compounds were designed, synthesized, and characterized during this work. Furthermore, their biological activity and mechanism of action were evaluated using diverse microbiological and biophysical assays. Finally, two compounds were selected as promising candidates for further development, they presented comparable in vitro and in vivo potency to that displayed by natural polymyxin and outstandingly low nephrotoxic effects in vivo. On the other hand, the ability to form pores on bacterial membranes of BP100 was studied. BP100 is an 11-residue antimicrobial peptide derived from the well-known cecropin A and melittin. By studying a series of BP100 analogues with different lengths ranging from 4 to 24 amino acids, it was possible to determine its potential mechanism of action, which consists in a dynamic carpet mechanism, where BP100 gets inserted dynamically into the membrane, perturbating the bilayer, increasing the membrane permeability and ultimately producing the cell death.

Després de dècades d'excessiu ús d'antibiòtics en la medicina humana, l'agricultura i la indústria ramadera, els bacteris multiresistents (resistents a molts o tots els antibiòtics convencionals) s'han convertit en un important problema de salut pública de primer ordre a escala mundial. En aquest sentit, és de gran importància el disseny de nous antimicrobians, segurs i efectius, especialment contra els bacteris Gram-negatius. Les polimixines són lipopèptids antimicrobians, altament actius i selectius contra bacteris Gram-negatius que es van descobrir l'any 1947, però el seu ús es va abandonar a la dècada dels 70 a causa de la seva nefro- i neurotoxicitat. En les últimes dècades, les polimixines han estat rescatades com a teràpia d'últim recurs als hospitals a causa de la crisi dels antibiòtics. Per aquest motiu, durant aquesta tesi es van dissenyar, sintetitzar i caracteritzar 31 nous compostos basats en polimixina. A més, es va avaluar la seva activitat biològica i el seu mecanisme d'acció mitjançant diversos assajos microbiològics i biofísics. Finalment, es van seleccionar dos compostos com a candidats més prometedors per al seu posterior desenvolupament. Aquests presentaven una activitat in vitro i in vivo comparable a la mostrada per la polimixina natural i uns efectes nefrotòxics in vivo excepcionalment baixos. D'altra banda, es va estudiar la capacitat de formar porus a les membranes bacterianes per part del BP100. El BP100 és un pèptid antimicrobià d'11 aminoàcids derivat de cecropina A i melitina. Mitjançant l'estudi d'una sèrie d'anàlegs de BP100 amb diferents longituds que anaven de 4 a 24 aminoàcids, es va poder determinar el seu potencial mecanisme d'acció, que consisteix en un mecanisme de “dynamic carpet” on el BP100 s'insereix dinàmicament a la membrana, pertorbant la bicapa, augmentant la permeabilitat d’aquesta de manera que finalment es produeix la mort cel·lular.