Zusammenfassung des Herausgebers Die Lipid-A-Biosynthese ist für die Bildung der Außenmembran der meisten gramnegativen Bakterien unerlässlich und gilt als potenzielles Ziel für eine Antibiotikatherapie. Zhao et al. haben nun einen Inhibitor (LPC-233) der UDP-3-O-(R-3-hydroxyacyl)-N-acetylglucosamin-Deacetylase LpxC charakterisiert, der spezifisch die Lipid-A-Synthese hemmen kann. Frühere Versuche, Antibiotika gegen LpxC herzustellen, wurden durch die ungünstige kardiovaskuläre Toxizität eingeschränkt. Im Gegensatz dazu ergab die präklinische Bewertung von LPC-233 vielversprechende Sicherheitsprofile in vitro und in vivo , eine enge Bindung an LpxC mit pikomolarer Affinität, orale Bioverfügbarkeit und bakterizide Aktivität gegen eine Vielzahl gramnegativer Krankheitserreger. Diese Ergebnisse unterstützen die Weiterentwicklung von Antibiotikatherapien gegen LpxC. –Christiana Fogg |
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Eine jahrzehntelange wissenschaftliche Reise an der Duke University hat eine neue Antibiotika-Strategie gefunden, um gramnegative Bakterien wie Salmonellen, Pseudomonas und E. coli, die Verursacher vieler Harnwegsinfektionen (HWI), zu bekämpfen. Das synthetische Molekül wirkt schnell und ist im Tierversuch langlebig.
Es beeinträchtigt die Fähigkeit eines Bakteriums, seine äußere Lipidschicht zu produzieren.
„Wenn man die Synthese der bakteriellen Außenmembran stört, können die Bakterien ohne sie nicht überleben“, sagte der leitende Forscher Pei Zhou, Professor für Biochemie an der Duke Medical School. „Unsere Verbindung ist sehr gut und sehr leistungsstark.“
Bei der Verbindung namens LPC-233 handelt es sich um ein kleines Molekül, das nachweislich die Lipidbiosynthese der äußeren Membran bei allen gramnegativen Bakterien, gegen die es getestet wurde, wirksam zerstört. Co-Autoren der Universität Lille in Frankreich testeten es gegen eine Sammlung von 285 Bakterienstämmen, darunter einige, die gegen kommerzielle Antibiotika hochresistent waren, und es erwies sich als wirksam. Und es funktioniert schnell. „LPC-233 kann die Lebensfähigkeit von Bakterien in vier Stunden um das 100.000-fache reduzieren“, sagte Zhou.
Die Verbindung ist auch hartnäckig genug, um nach oraler Verabreichung in den Harntrakt zu gelangen, was sie möglicherweise zu einem wichtigen Mittel gegen hartnäckige Harnwegsinfektionen (HWI) macht.
Tests, die mit hohen Konzentrationen der Verbindung durchgeführt wurden, zeigten „extrem niedrige Raten spontaner Resistenzmutationen bei diesen Bakterien“, heißt es in einem Artikel, der die Ergebnisse beschreibt und am 9. August in Science Translational Medicine erschien .
In Tierversuchen war die Verbindung erfolgreich, wenn sie oral und intravenös verabreicht oder in den Bauch injiziert wurde. In einem Experiment wurden Mäuse, denen eine tödliche Dosis multiresistenter Bakterien verabreicht worden war, durch die neue Verbindung gerettet.
Die Suche nach dieser Verbindung dauerte aufgrund der für das synthetische Molekül erforderlichen Spezifität und Sicherheit Jahrzehnte.
Zhou schreibt seinem verstorbenen Kollegen, dem ehemaligen Duke-Biochemie-Lehrstuhl Christian Raetz, zu, dass er mit der Suche vor Jahrzehnten begonnen hat. „Er hat seine gesamte Karriere damit verbracht, an diesem Weg zu arbeiten“, sagte Zhou. „Dr. Raetz schlug in den 1980er Jahren ein konzeptionelles Modell für diesen Weg vor und es dauerte mehr als zwei Jahrzehnte, bis er alle Akteure identifizierte“, sagte Zhou.
Das Ziel des neuen Arzneimittels ist ein Enzym namens LpxC, das zweite Enzym im „Raetz-Weg“ und für die Produktion von Lipiden in der Außenmembran gramnegativer Bakterien unerlässlich ist.
Raetz kam 1993 als Lehrstuhlinhaber für Biochemie zu Duke, nachdem seine Arbeit auf diesem Weg bei Merck & Co. keinen erfolgreichen klinischen Kandidaten hervorgebracht hatte. Das Antibiotikum von Merck wirkte, allerdings nur gegen E. coli, war also kommerziell nicht nutzbar und der Pharmakonzern gab es auf. „Er hat mich tatsächlich zu Duke rekrutiert, um an diesem Enzym zu arbeiten, zunächst nur aus strukturbiologischer Sicht“, sagte Zhou, der 2001 zu Duke kam.
Zhou und Raetz hatten die Struktur des LpxC-Enzyms aufgeklärt und molekulare Details einiger potenzieller Inhibitoren enthüllt. „Wir erkannten, dass wir die Verbindung modifizieren konnten, um sie besser zu machen“, sagte Zhou. Seitdem arbeitet Zhou mit seinem Kollegen, dem Duke-Chemieprofessor Eric Toone, an der Entwicklung wirksamerer LpxC-Inhibitoren.
Der erste Versuch am Menschen mit LpxC-Inhibitoren scheiterte aufgrund der kardiovaskulären Toxizität. Der Schwerpunkt der anschließenden Arbeit der Duke-Gruppe lag auf der Vermeidung kardiovaskulärer Wirkungen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Wirksamkeit der Verbindung.
Sie arbeiteten an mehr als 200 verschiedenen Versionen des Enzymhemmers, stets auf der Suche nach größerer Sicherheit und höherer Wirksamkeit. Andere Verbindungen wirkten in unterschiedlichem Maße, aber Verbindung Nr. 233 war der Gewinner.
LPC-233 passt in eine Bindungsstelle des LpxC-Enzyms und verhindert, dass es seine Aufgabe erfüllt. „Es ist richtig abgestimmt, um die Lipidbildung zu hemmen“, sagte Zhou. „Wir blockieren das System.“ Zusätzlich zu seiner Haltbarkeit funktioniert der Verbundwerkstoff durch einen bemerkenswerten zweistufigen Prozess, sagte Zhou. Nach der anfänglichen Bindung an LpxC verändert der Enzym-Inhibitor-Komplex seine Form etwas und wird zu einem noch stabileren Komplex.
Die Lebensdauer der Inhibitorbindung in diesem stabileren Komplex ist länger als die Lebensdauer der Bakterien. „Wir glauben, dass dies zur Wirksamkeit beiträgt, da es eine semipermanente Wirkung auf das Enzym hat“, sagte er. „Selbst nachdem der Körper das ungebundene Medikament verstoffwechselt hat, wird das Enzym aufgrund des extrem langsamen Dissoziationsprozesses des Inhibitors immer noch gehemmt“, sagte Zhou.
Für die Reihe von Verbindungen werden mehrere Patente angemeldet, und Toone und Zhou haben gemeinsam ein Unternehmen namens Valanbio Therapeutics, Inc. gegründet, das Partner sucht, um LPC-233 durch klinische Phase-1-Studien zu führen, um die Sicherheit und Wirksamkeit beim Menschen zu bewerten . . „Alle diese Studien wurden an Tieren durchgeführt “, sagte Zhou. „Letztendlich muss die kardiovaskuläre Sicherheit am Menschen getestet werden.“
Die groß angelegte Synthese von LPC-233 wurde erstmals von David Gooden in der Duke Small Molecule Synthesis Facility durchgeführt. Vance Fowler und Joshua Thaden (Duke Medical School), Ziqiang Guan (Biochemie) und Ivan Spasojevic (Duke PK/PD Core) halfen bei In-vivo-Studien, Massenspektrometrie und pharmakokinetischen Analysen.
Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse der National Institutes of Health (R01 GM115355, AI094475, AI152896, AI148366), des North Carolina Biotechnology Center (2016-TEG-1501) und eines Kernstipendiums des Comprehensive Cancer Center des National Institutes unterstützt. von Krebs (P30CA014236).
