Synthesis of bacterial protease inhibitors as new antibiotics

Abstract

Antimicrobial resistances are on the rise and so-called “pathoblockers” are one way to overcome the fast development of resistances to new antibiotics. Secreted proteases, such as collagenase H (ColH) of Clostridium histolyticum, collagenase Q1 (ColQ1) of Bacillus cereus, or elastase B (LasB) from Pseudomonas aeruginosa are attractive targets for the development of pathoblockers as they are crucial to establish the bacterial infection without affecting viability. This work comprises a detailed structure-activity relationship (SAR) study of N-aryl acetamides as inhibitors of LasB and ColH. Changes in the side chain and in the zinc-binding moiety led to highly increased activities on either LasB or ColH. Some compounds even showed the potential for dual inhibition. Moreover, the biological activity of synthesized derivatives was not only tested on purified enzyme, but selectivity was observed towards several human off-targets. Additionally, the potential of the compounds was underlined by more advanced tests such as an ex vivo pig skin-, in vitro skin- and lung-cell- as well as in vivo Galleria mellonella larvae infection models. Taken together, the here presented SAR study with biological evaluation introduces derivatives of N-aryl acetamides as highly active compounds with great potential for further drug development towards LasB for local lung treatment with low systemic exposure, or for further optimization regarding the treatment of Bacillary or Clostridial infections.

Sogenannte Pathoblocker sind alternative Antibiotika mit deutlich verlangsamter Resistenzentwicklung. Sekretierte Proteasen wie Kollagenase H (ColH) von Clostridium histolyticum, Kollagenase Q1 (ColQ1) von Bacillus cereus oder Elastase B (LasB) von Pseudomonas aeruginosa sind attraktive Ziele für die Entwicklung von solchen Pathoblockern, da sie entscheidend für die Etablierung der bakteriellen Infektion sind, ohne die Überlebensfähigkeit der Bakterien zu beeinträchtigen. Die hier vorliegende Arbeit umfasst detaillierte Studien zur Struktur-Wirkungs-Beziehung (SAR) von N-Arylacetamiden als Inhibitoren von LasB und ColH. Veränderungen in der Seitenkette und in der Zink-bindenden Einheit erhöhten die Aktivitäten gegenüber LasB oder ColH signifikant. Einige der gezeigten Verbindungen zeigten sogar das Potenzial für eine duale Hemmung. Im Rahmen der biologischen Evaluation wurde die Selektivität gegenüber verschiedenen menschlichen Enzymen bewiesen. Des Weiteren konnte die Aktivität der Substanzen mittels ex-vivo Schweinehaut-, in-vitro Haut- und Lungenzell- sowie in-vivo Galleria mellonella Larven-Infektionsmodelle verdeutlicht werden. Zusammenfassend stellen N-Arylacetamidderivate Verbindungen mit großem Potenzial für die weitere Arzneimittelentwicklung dar. Dies gilt insbesondere für die potenzielle lokale Behandlung von Lungeninfektionen mit P. aeruginosa oder im Hinblick auf eine mögliche Optimierung der Substanzen in Richtung Bacillus- oder Clostridieninfektionen.