Development of Pseudomonas aeruginosa biofilm-targeted antibiotic-carbohydrate conjugates

Abstract

Pseudomonas aeruginosa is an opportunistic Gram-negative bacterium and a serious threat to our health system. Further, resistances against a plethora of antibiotic drugs are constantly on the rise. Thus, new therapeutic strategies are urgently needed. This work focuses on lectin-targeted antibiotic drug conjugates that specifically act on the P. aeruginosa biofilm, a hallmark of chronic infections. Antibiotics, in particular fluoroquinolones and tobramycin, were chemically linked to monovalent and bivalent carbohydrate-based lectin probes to target the P. aeruginosa biofilm. In a first attempt, conjugation to ciprofloxacin and tobramycin was based on a non- cleavable triazole linker. Lectin-inhibition was confirmed for all conjugates. While the tobramycin-based compounds remained antibiotically inactive, conjugates of ciprofloxacin showed antibiotic activity and reduced cytotoxicity compared to their parent drug. Eventually, biofilm-accumulation experiments proved their enrichment within P. aeruginosa biofilm in vitro. Based on these results, a peptide-based linker was introduced that is cleavable in presence of P. aeruginosa. The resulting prodrugs efficiently released their parent fluoroquinolone drugs and reached high antimicrobial activity in vitro. Further, their promising in vitro ADMET parameters and low cell permeability pave the way for a new class of antibiotic drug conjugates with strongly reduced side effects.

Pseudomonas aeruginosa ist ein Gram-negatives, opportunisches Bakterium und eine ernste Gefahr für unser Gesundheitssystem. Aufgrund der schnellen Entstehung multiresistenter Keime ist die Entwicklung neuartiger Antibiotika extrem wichtig. Die vorliegende Arbeit beschreibt Antibiotika-Konjugate, die Lektine von P. aeruginosa adressieren und somit den Wirkstoff gezielt an den Ort der Infektion bringen sollen. Antibiotika aus der Klasse der Fluorchinolone sowie Tobramycin wurden chemisch an mono- sowie bivalente Lektinsonden geknüpft. Der erste Teil behandelt Konjugate von Ciprofloxacin und Tobramycin, basierend auf einem nicht spaltbaren Linker. Alle Konjugate banden ihre entsprechenden Lektine mit hoher Affinität. Während die Tobramycin-Konjugate jedoch antibiotisch inaktiv waren, zeigten die Konjugate von Ciprofloxacin antibiotische Aktivität und verminderte Zytotoxizität im Vergleich zu ihrer Stammverbindung in vitro. Tatsächlich konnte eine Anreicherung im Biofilm von P. aeruginosa in vitro nachgewiesen werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde ein Peptidlinker eingeführt, der in Gegenwart von P. aeruginosa gespalten werden kann. Die entsprechenden Prodrugs zeigten eine schnelle Wirkstofffreisetzung und somit hohe antibiotische Aktivität in vitro. Aufgrund der exzellenten pharmakokinetischen Charakteristiken in vitro, sowie wie ihrer niedrigen Zellaufnahme begründen diese Prodrugs eine neue Wirkstoffklasse in der Therapie von Infektionen mit P. aeruginosa.