Bioanalytical investigations of natural products and their derivatives: Mode of resistance, pharmacological properties and off-target characterization of cystobactamids

Abstract

The silent pandemic of antimicrobial resistances (AMR) is escalating worldwide. To preserve antimicrobial therapy, new strategies including innovative compound classes are crucial. Cystobactamids, derived from Myxobacteria, exhibit broad-spectrum activity against Gram-positive as well as Gram-negative multidrug-resistant bacteria, rendering them as promising candidates for antibiotic development. The potential success of new antibiotics is critically influenced by the inevitable development of resistances and the drug’s safety profile. This thesis addresses both aspects comprehensively. The mode of resistance of Escherichia coli to cystobactamids was investigated, revealing a so far unknown YgiV-mediated resistance mechanism, which also affects the regulation of bacterial virulence factors. Furthermore, prokaryotic and eukaryotic off-targets have been assessed using newly synthesized tool compounds, identifying the efflux pump AcrB and the HDL-receptor SCARB1 as primary off-target proteins in bacteria and human cells, respectively. Additionally, the in vitro and in vivo toxicity of cystobactamids was evaluated in eukaryotic models, demonstrating a favorable safety profile with notably protective properties against oxidative cell stress. In addition, pharmacokinetic and metabolic studies lead to a metabolic stabilization strategy that potentially enhances cystobactamid exposure-duration and thereby improves their efficiency as anti-infective agents.

Die stille Pandemie der antimikrobiellen Resistenzen (AMR) eskaliert weltweit. Um antimikrobielle Therapien zu erhalten, sind neue Strategien, einschließlich innovativer Wirkstoffklassen, entscheidend. Cystobactamide, isoliert aus Myxobakterien, zeigen ein breites Wirkspektrum gegen Gram-positive und Gram-negative multiresistente Bakterien und gelten daher als vielversprechende Kandidaten für die Antibiotikaentwicklung. Der Erfolg neuer Antibiotika wird maßgeblich von der unvermeidlichen Entwicklung von Resistenzen und dem Sicherheitsprofil der Arznei beeinflusst. Diese Arbeit untersucht beide Aspekte umfassend. Der Resistenzmechanismus von Escherichia coli gegenüber Cystobactamiden wurde analysiert und ein bisher unbekannter, YgiV-vermittelter Mechanismus entdeckt, der auch die Regulation bakterieller Virulenzfaktoren beeinflusst. Außerdem wurden prokaryotische und eukaryotische Off-Target-Proteine mithilfe funktionalisierter Verbindungen untersucht. So wurden die Effluxpumpe AcrB in Bakterien und der HDL- Rezeptor SCARB1 in menschlichen Zellen als primäre Off-Targets identifiziert. Die Toxizität des Cystobactamide wurde in vitro und in vivo in eukaryotischen Modellen untersucht, was ein exzellentes Sicherheitsprofil sowie Schutz vor oxidativem Zellstress zeigte. Die Ergebnisse pharmakokinetischer und metabolischer Studien führten zur Entwicklung einer Strategie, welche die Expositionsdauer der Cystobactamide verlängern und ihre Effizienz als Antiinfektiva verbessern könnte.