Christine Topf

• Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand die Entwicklung neuer Wirkstoffe gegen Tuberkulose, einer schwerwiegenden bakteriellen Infektionskrankheit, die am häufigsten die Lunge befällt. Die Entwicklung neuer Arzneistoffe gegen diese Erkrankung ist immens wichtig, da nach Angaben der WHO weltweit jährlich über 1 Million Menschen an den Folgen der Tuberkulose sterben, derzeit kein effizienter Impfstoff zur Verfügung steht und sich die Therapiemöglichkeiten auf wenige Arzneistoffe beschränken. Zudem steigt weltweit das Auftreten von arzneistoff- undIm Mittelpunkt dieser Arbeit stand die Entwicklung neuer Wirkstoffe gegen Tuberkulose, einer schwerwiegenden bakteriellen Infektionskrankheit, die am häufigsten die Lunge befällt. Die Entwicklung neuer Arzneistoffe gegen diese Erkrankung ist immens wichtig, da nach Angaben der WHO weltweit jährlich über 1 Million Menschen an den Folgen der Tuberkulose sterben, derzeit kein effizienter Impfstoff zur Verfügung steht und sich die Therapiemöglichkeiten auf wenige Arzneistoffe beschränken. Zudem steigt weltweit das Auftreten von arzneistoff- und totalresistenten Tuberkuloseformen. Tuberkulose wird vorwiegend durch das Mycobacterium tuberculosis erregt. Eine Besonderheit des M. tuberculosis stellt die mykobakterielle Zellwand dar, da diese durch einen hohen Anteil an Fettsäuren besonders wachsartig und dick ist. Die mykobakterielle Fettsäuresynthese unterscheidet sich signifikant von der Synthese eukaryotischer Fettsäuren. Daher besteht die Möglichkeit, Inhibitoren der mykobakteriellen Fettsäuresynthese als effektive und selektive neue Antituberkulotika zu entwickeln. Zielstruktur dieser Arbeit ist KasA (β-Ketoacylsynthase), ein Enzym der mykobakteriellen Fettsäuresynthese II, das die Kondensation zwischen der wachsenden Fettsäurekette und Malonyl-ACP katalysiert. Ein literaturbekannter KasA-Inhibitor ist Thiolactomycin, ein Thiolacton-Derivat mit einer schwachen inhibitorischen Aktivität (IC50: 242 µM; Kd 226 µM), für den eine KasA-Komplexstruktur verfügbar ist. Ziel der Arbeit war es, mittels computergestützten Wirkstoffdesigns neue Leitstrukturen für KasA-Inhibitoren zu entwickeln und davon abgeleitet Substanzbibliotheken kleiner Moleküle zu synthetisieren. Zur Bestimmung der In-vitro-Aktivitäten sollte KasA exprimiert und ein Assay etabliert werden. Theoretische und experimentelle Affinitäten sollten anschließend analysiert und bewertet werden. Zur Identifizierung neuer potenzieller KasA-Inhibitoren wurde mit Hilfe des Thiolactomycin-Bindemodus ein Pharmakophor-Modell erstellt. In diesem wurden die essentielle Wasserstoffbrücke zwischen den Histidinen und dem Carbonyl-Sauerstoff des Thiolactonrings, zwei hydrophobe Bereiche und ein verbindendes Strukturelement definiert und das Volumen des Pharmakophors begrenzt. Das Screening der Datenbank erfolgte mit GOLD4.0 und GOLDscore. Zur Identifizierung der 16 aussichtsreichsten Verbindungen wurden Rescorings mit ChemScore und sfc_score290m durchgeführt, sowie verschiedene physikochemische Deskriptoren und der errechnete Bindungsmodus einbezogen. Ausgewählte Verbindungen des Screenings wurden synthetisiert. Weitere Variationen wurden durch Einführung von Substituenten und Bromierung und Nitrierung der Grundgerüste erhalten. Zur biologischen Testung dieser Verbindungen konnte KasA in M. smegmatis exprimiert werden. Die Reinigung des Proteins erfolgte mittels Affinitäts- und Größenausschlusschromatographie. Affinitätswerte an KasA konnten mit einem Fluoreszenzassays bestimmt werden, da in jedem KasA-Monomer vier Tryptophane zur intrinsischen Fluoreszenz beitragen. Die Bindung eines Inhibitors in die TLM-Bindetasche führte zum Quenching der Fluoreszenz von KasA und konnte unter Berücksichtigung von Verdünnungs- und inneren Filtereffekten zur Berechnung der Dissoziationskonstante Kd herangezogen werden. Die In-vitro-Untersuchungen der Inhibitoren von KasA zeigten im Vergleich zu TLM eine Verbesserung der Affinität bis zu einem Faktor von 11, die beste Verbindung war das Nitroisatin-Derivat 2l (22.1 µM). Einen Hinweis auf Hemmung des Wachstums von Mykobakterien war für die Verbindungen 2e (5-Nitro-1-phenethyl-2,3-indolindion) und 3a (5,7-Dibrom-1-(4-chlorbenzyl)indolin-2,3-dion) ersichtlich. Die übrigen Verbindungen zeigten keine Aktivität, was dadurch bedingt sein kann, dass sie Substanzen nicht lipophil genug sind (clogP-Werte zwischen 1 und 3), um die mykobakterielle Zellwand zu durchdringen. Analog dem Docking im Rahmen des virtuellen Screenings wurde ein Docking mit GOLD4.0 und GOLDscore für die Substanzbibliothek durchgeführt. Verglichen mit den In-vitro-Affinitäten konnte eine gute Übereinstimmung in der Differenzierung der Substanzklassen gefunden werden. Da kleine Moleküle mit großer biologischer Aktivität zu bevorzugen sind, wurde die „ligand efficiency“, die inhibitorische Potenz unabhängig vom Molekulargewicht, für die Verbindungen berechnet. Für die Substanzbibliothek wurde eine gute Korrelation von „ligand efficiency“ und GOLDscore pro Schweratom erzielt (R2=0.65), beste Substanzgruppen waren monoalkylierte Uracil- und Isatin-Derivate. Der beste Wert wurde für das Isatin-Derivat 1a erzielt. Mit den erarbeiteten theoretischen und experimentellen Ergebnissen und den etablierten Methoden bietet diese Arbeit eine wichtige Grundlage, um erste „hits“ von KasA-Inhibitoren zu neuen Leitstrukturen für Wirkstoffe gegen Mycobakterium tuberculosis zu entwickeln.…
• This work focused on the development of new antibiotics against tuberculosis, a severe bacterial infection mainly affecting the lung. Currently, according to the WHO more than 1 million people annually die from tuberculosis. Furthermore, the therapy is limited to inefficient vaccines and a small number of antibiotics, and complicated by multi- or even totally resistant mycobacterial strains occurring worldwide. Thus, new active compounds against tuberculosis are urgently needed. Tuberculosis is mainly caused by Mycobacterium tuberculosis, whichThis work focused on the development of new antibiotics against tuberculosis, a severe bacterial infection mainly affecting the lung. Currently, according to the WHO more than 1 million people annually die from tuberculosis. Furthermore, the therapy is limited to inefficient vaccines and a small number of antibiotics, and complicated by multi- or even totally resistant mycobacterial strains occurring worldwide. Thus, new active compounds against tuberculosis are urgently needed. Tuberculosis is mainly caused by Mycobacterium tuberculosis, which is characterized by a unique thick and waxy cell wall containing a high percentage of mycolic acids. Due to the fact that the biosynthesis of mycolic acids is not carried out in eukaryotes, it is a reasonable strategy to design inhibitors of the FAS II system as effective and selective antibiotics against mycobacteria. The enzyme of interest in our work is the β-keto-acyl ACP synthase (KasA), an elongating enzyme in the FAS II system of Mycobacterium tuberculosis which catalyses the condensation between the mycolic acid and malonyl-ACP. Recently, a crystal structure of KasA in complex with Thiolactomycin, a weak thiolactone-type inhibitor (IC50: 242 µM; Kd 226 µM), was solved. Aim of this work was to identify new potential lead structures for KasA-inhibitors by virtual screening. A library of small molecules was synthesized and tested for ability to inhibit KasA, therefore KasA was expressed. In silico and in vitro affinities were analyzed and compared. To identify new lead structures for potential KasA inhibitors, a pharmacophore model based on TLM was developed. This contained the essential H-bond between the carbonyl-oxygen of TLM with the histidines, two hydrophobic features and a linker feature between them. Additionally, volume constraints were applied to limit the size of molecules matching the pharmacophore model. Screening of a database of commercially available compounds was performed with GOLD4.0 and GOLDscore. 16 Promising structures were identified by implementation of rescorings with ChemScore and sfc_score290m, by calculation of physicochemical descriptors and by visual inspection of the predicted binding mode. Selected substances of the virtual screening were synthesized. Based on these substances the core fragments were varied by bromination and nitration. Via subsequent introduction of substituents a small library of compounds was created. For biological testings KasA was expressed in M. smegmatis. Purification of the protein was achieved by affinity and size exclusion chromatography. Dissociation constants were determined by a fluorescence assay: In each KasA monomer four tryptophanes cause intrinsic fluorescence, thus binding of inhibitors led to quenching of the fluorescence. Therefore, dissociation constants of ligands were calculated considering the dilution and inner filter effects. The in vitro studies of the KasA inhibitors showed, in comparison to TLM, a 11fold improvement of the affinity. The best inhibitor was the nitroisatine derivative 2l (22.1 µM). 2e (5-Nitro-1-phenethyl-2,3-indolindione) and 3a (5,7-Dibromo-1-(4-chlorbenzyl)indolin-2,3-dione) were able to inhibit the growth of mycobacteria. No other substances showed any antimycobacterial activity, which might be due to their low lipophilicity (clogP varies from 1 to 3), hence which hinders an efficient penetration through the highly lipophilic mycobacterial cell wall. In the future, the precise cause of this fact has to be determined to counteract with systematic structural modifications. The compound library was docked into KasA by using GOLD4.0 and GOLDscore with analogous settings as in the virtual screening. The analysis of the results showed an agreement between in vitro and in silico outcomes for the substance classes. As small molecules of high activity are preferred in drug development, ligand efficiencies of the inhibitors were calculated which describe inhibitory potency independent of molecular weight. A good correlation between ligand efficiency and GOLDscore per heavy atom was observed. Best ligand efficiencies were obtained by the classes of monoalkylated uracile- and isatine-derivatives, the best substance was the isatine-derivative 1a. Due to the established methods combined with computer-based and experimental results, this work provides an important foundation for the future development of first “hits” of KasA-inhibitors to new lead structures of new drugs against mycobacterium tuberculosis.…