Design, synthesis and evaluation of the biological properties of colistin analogues

Abstract

Following the laws of evolution, bacteria are capable of slowly but inexorably acquiring resistance to antibiotic compounds that we have been using for decades. Therefore, bacteria that seemed harmless to most people (such as E. coli or P. aeruginosa) have become dangerous agents capable of alarming resilience. Furthermore, due to the ease in which bacteria develop new antibiotic resistances, or even share them across multiple species, the development of new compounds is no longer profitable for most pharma companies, which makes them not to prioritize this research field. These facts result in the non-existent development of new families of antibiotics, which supposes the risk of a future in which bacteria cannot be controlled without medication.

In this context, many research groups have started working in the development of new antibiotics with more efficacy or less toxic effects than the ones that already exist. In this thesis, we focus on the study of an antimicrobial lipopeptide with effect against Gram-negative bacteria, colistin, and how to alter its composition or peptide sequence can potentially mean the development of new antimicrobial analogues that show a greater therapeutic profile. To do that, we used solid phase synthesis to generate the peptide analogues and we tested them for antimicrobial activity both in vitro and in vivo, and analysed their biophysical properties when exposing synthetic and natural membranes to them.

Among other modifications, we can highlight the length of the fat chain of the lipopeptide, even with the substitution of the residues in position 6 and 7 without changing the net load. As a result of our research, we demonstrated that the solid phase synthesis of peptides is a consistent method for producing pure composts that allows industrial scale. Regarding the obtained peptide analogues, we confirm that their antibiotic action had a similar mechanism to the natural colistin. We also observed the differences between the activity of the analogues depending on the length of the chain of fatty acid. Also, the substitution of the fatty acid chain for other hydrophobic chains enhances the antimicrobial activity of the resulting peptides, allowing for a simpler and more efficient synthesis.

Finally, the star peptide of thesis shows an antimicrobial capacity against gram-negative bacteria similar to colistin. Furthermore, it shows pharmacokinetic and nephrotoxic profiles potentially compatible with the potential administration to animals. Given that the effect of the star peptide in the treatment of a bacterial pneumonia model is not inferior to that of colistin, we consider that it is a promising compound which we would need to continue researching and developing so that one day it could reach the market.

Seguint les conegudes lleis de l'evolució, els bacteris són capaços d'adquirir lenta però inexorablement resistència als compostos antibiòtics que fa dècades que fem servir. Com a conseqüència, bacteris que semblaven innocus per a la majoria de les persones (com E. coli o P. aeruginosa) s'han convertit en agents perillosos capaços d'una resiliència alarmant. Aquest fet, juntament amb el desenvolupament gairebé inexistent de noves famílies d'antibiòtics, suposa el risc d'un futur en què les infeccions bacterianes no puguin ser tractades eficaçment.

En aquest context, nombrosos grups treballen en el desenvolupament de nous antibiòtics amb més eficàcia o menys efectes tòxics als ja existents. En aquesta tesi, ens centrem en l'estudi d'un lipopèptid antimicrobià amb activitat contra bacteris gramnegatius, la colistina, i de com alterar la seva estructura peptídica pot suposar el desenvolupament de nous anàlegs antimicrobians que potencialment mostrin un perfil terapèutic més gran. Entre altres modificacions, podem ressaltar la longitud de la cadena d'àcid gras del lipopèptid, així com la substitució dels residus en posició 6 i 7 sense canviar la càrrega neta.

Com a resultat de la nostra investigació, demostrem que la síntesi en fase sòlida de pèptids és un mètode consistent per produir compostos purs que permet l'escalat industrial. Pel que fa als anàlegs obtinguts, comprovem que la seva acció antibiòtica té lloc seguint un mecanisme semblant a la colistina natural. Observem diferències entre l’activitat dels anàlegs segons la mida de la cadena d’àcid gras. Així mateix, la substitució de la cadena d’àcid gra per altres cadenes hidrofòbiques potencia l'activitat antimicrobiana dels pèptids resultants, permetent a més una síntesi més senzilla i eficient.

El pèptid estrella de la tesi mostra una capacitat antimicrobiana contra bacteris gramnegatius similar a la colistina. A més, mostra uns perfils farmacocinètics i nefrotòxics potencialment compatibles amb la potencial administració. Atès que l'efecte del pèptid estrella en el tractament d'un model de pneumònia bacteriana no és inferior a la colistina, considerem que és un compost prometedor el qual s'hauria de continuar investigant i desenvolupant per tal que algun dia pugui arribar al mercat.