TY - THES A1 - Topf, Christine T1 - Design, Synthese und biologische Testung von KasA-Inhibitoren als potentielle Wirkstoffe gegen Mycobacterium tuberculosis T1 - Design, synthesis and biological testing of KasA-inhibitors as potential drugs against mycobacterium tuberculosis N2 - 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- 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. N2 - 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, 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. KW - Tuberkelbakterium KW - Arzneimitteldesign KW - Ketoacyl-ACP-Synthase KW - Inhibitor KW - Virtuelles Screening KW - Fettsäuresynthese-II KW - KasA KW - Mykobakterien KW - virtual screening KW - fatty acid synthesis II KW - KasA Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-77865 ER - TY - THES A1 - Philipp, Carolin T1 - Talglipide als Wirtsfaktoren für Mycobacterium leprae : Literaturrecherche und Entwicklung einer Methode zur Talganalyse T1 - Sebum lipids as host factors for Mycobacterium leprae : Literature research and development of a method of sebum analysis. N2 - Trotz weltweiter kostenlos zur Verfügung stehender multi drug therapy und Eradikationsbemühungen der WHO liegt die Leprainzidenz seit fünf Jahren bei etwa 250 000 Neuerkrankungen pro Jahr. Der massive Abfall der Prävalenz seit 1985 ist zum einen rechnerisch und durch die Art der Datenerhebung bedingt (s. 5.1.1), zum anderen lässt sie keine Rückschlüsse auf die Transmissionsereignisse, also die Aktivität der Krankheit zu. Dazu dient die Inzidenz, die nur unverhältnismäßig gesunken ist (s. 2.4.1). Für eine effektive Bekämpfung der Lepra muss jedoch eine Reduktion der Neuerkrankungen erreicht werden. Bekannt ist, dass nur ein Bruchteil der mit M.leprae exponierten Individuen eine manifeste Krankheit entwickelt. Die Suche nach Wirtsfaktoren für eine Lepraerkrankung ist für gezielte Präventions- und Prophylaxe-Maßnahmen, die Neuerkrankungen verhindern sollen, demnach von großer Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse einer Literaturrecherche zum Thema "Talglipide als Wirtsfaktoren für M.leprae" präsentiert und eine Methode zur Talganalyse entwickelt. Anhand wissenschaftlicher Publikationen wurde der aktuelle Stand der Forschung in den verschiedenen Bereichen dieser Hypothese reviewartig dargestellt. Der aktuelle Erkenntnisstand hinsichtlich der Lepraübertragung ist vereinbar mit mehreren Übertragungswegen, wobei die Tröpfchen- und die Hautübertragung favorisiert werden (s. 2.5.1). Die Interpretation der Genomanalysen von M.leprae hat in Kombination mit früheren biochemischen Erkenntnissen Aufschluss über die metabolischen Fähigkeiten von M.leprae gegeben. M.leprae besitzt ein reduktives "Minimalgenom", das sich an die intrazelluläre Nische, in der es lebt, außerordentlich adaptiert hat. Der Verlust wichtiger Kohlenstoffquellen und eine stark eingeschränkte Atmungskette stehen im Gegensatz zu den fast vollständig erhaltenen anabolen und katabolen Stoffwechselwegen der Lipide. Sowohl für die Zellwandsynthese als auch zur Energieproduktion ist M.leprae auf wirtsbezogene Lipide angewiesen. Freie Fettsäuren werden dabei veresterten Fettsäuren vorgezogen (s. 5.2.1.1). Epidemiologische Erkenntnisse stehen ebenfalls in Einklang mit unserer Lipidhypothese. Als Ursache für das Clustering von Leprafällen in Haushalten kommen sowohl genetische als auch zufällig verteilte Faktoren sowie ein auf den gesamten Haushalt wirkender "Haushaltsfaktor" in Frage. Als genetischer Faktor, der die Talglipidzusammensetzung beeinflusst, wären Enzymaktivitäten für die Squalen- bzw. Sapiensäuresynthese denkbar (vgl. 5.2.1.3). Einen in der Bevölkerung zufällig verteilten Suszeptibilitätsfaktor könnte die residente Keimflora der Haut darstellen, die für die Menge der im Talg vorkommenden freien Fettsäuren verantwortlich ist (s. 5.2.1.2). Als möglicher Haushaltsfaktor kommt "Armut" in Betracht, der nachgewiesenermaßen mit schlechter Körper- und Kleidungshygiene einhergeht (s. 5.2.2.3). In Kombination mit einer vermutlich ebenfalls mit Armut assoziierten häufigeren kutanen Verletzung durch Parasiten und Mücken könnte dies eine kutane Schmierinfektion mit M.leprae begünstigen. Für eine Schmierinfektion über kontaminierte Gegenstände spricht auch die gute extrakorporale Überlebensfähigkeit des Erregers und der Nachweis von M.leprae in Bodenproben (s. 5.2.2.2). Die epidemiologischen Daten zu Geschlechterverhältnis und Infektionszeitpunkt lassen ebenfalls eine Rolle der Talglipide als Wirtsfaktoren für eine Lepraerkrankung vermuten (s. 5.2.1.2). Auf Basis der Erkenntnis, dass Lipide und insbesondere Talglipide als Wirtsfaktoren für M.leprae in Betracht kommen, wurde zu diesbezüglich relevanten Talgkomponenten recherchiert. Als trophischer Wirtsfakor kommen die individuell in unterschiedlichen Mengen vorliegenden freien Fettsäuren des Sebums in Betracht. Die Menge an Squalen und Sapiensäure im Talg hat nachgewiesenermaßen erheblichen Einfluss auf die Barrierefunktion der Haut gegen bakterielle Erreger (s. 5.2.1.3). Es wurde folglich eine auf Dünnschicht- und Gaschromatografie beruhende Methode zur Quantifizierung dieser Talgbestandteile entwickelt (s. 4.6). Die Probenentnahme erfolgt mittels Sebutape, was eine bewährte, reproduzierbare und auch unter tropischen Bedingungen leicht anwendbare Methode darstellt. N2 - Despite worldwide free available multi drug therapy and eradication efforts of the WHO, the leprosy incidence is for five years at about 250 000 new cases per year. The massive drop in prevalence since 1985 is on one hand mathematically and due to the way of data collection (see 5.1.1), on the other hand it does not allow conclusions about the transmission events, ie the activity of the disease. An appropriate marker of the disease activity would be the incidence, which is only fallen disproportionately (see 2.4.1). For an effective fight against leprosy, however, a reduction of new cases must be achieved. It is known that only a small part of individuals exposed to M.leprae develop a manifest disease. The search for host factors for leprosy is therefore of great importance for well-directed preventive and prophylactic measures. In the present work the results of a literature review on the subject "Sebum lipids as host factors for M. leprae" and the development of a method for sebum analysis are presented. Based on scientific publications the current state of research in the various areas of this hypothesis was presented review-like . The current state of knowledge regarding leprosy transmission is compatible with multiple transmission paths, wherein the droplets and the skin transmission are favored (see 2.5.1). The interpretation of genome analysis of M. leprae together with previous biochemical findings shed light on the metabolic capabilities of M. leprae. M. leprae has a reductive " minimal genome ", which has become extremely adapted to the intracellular niche in which it lives. The loss of important carbon sources and a severely impaired respiratory chain are in contrast to the almost perfectly preserved anabolic and catabolic pathways of lipids. For both the cell wall synthesis and for energy production M.leprae is dependent on host related lipids. Free fatty acids are thereby preferred to esterified fatty acids (see 5.2.1.1 ). Epidemiological findings are also in line with our lipid hypothesis. Concerning the causes for the clustering of leprosy cases in households, genetic factors as well as randomly distributed factors as well as a “household factor” must be considered. Enzyme activities for squalene- or sapienic acid-synthesis are conceivable as a genetic factor that influences the sebum lipid composition (see 5.2.1.3 ). A randomly distributed susceptibility factor could be the resident bacterial flora of the skin, which is responsible for the amount of free fatty acids occurring in the sebum (see 5.2.1.2 ). The household factor might be "poverty" which has been shown to correlate with poor body and clothing hygiene (see 5.2.2.3 ) . In combination with poverty-related frequent cutaneous injury caused by parasites and mosquitoes, this could favor a cutaneous infection with M. leprae. A smear infection via contaminated objects would be in accord with the good extracorporeal survival of the pathogen and the detection of M. leprae in soil samples (see 5.2.2.2 ) . The epidemiological data on sex ratio and age of infection also point to the fact that sebum lipids might be host factors for leprosy (see 5.2.1.2 ). Based on the recognition that lipids, and in particular sebum lipids must be taken into consideration as host factors for M.leprae, research has been done to identify possibly relevant sebum components. Individually different amounts of free fatty acids in the sebum must be considered as a trophic host factor. The amount of squalene and sapienic acid in the sebum has been shown to have significant influence on the barrier function of the skin against bacterial pathogens (see 5.2.1.3 ). We thus developed a method based on thin-layer and gas chromatography to quantifiy these sebum components (see 4.6). The sampling is done with “Sebutape”, which is a proven, reproducible and easily applicable method, even under tropical conditions. KW - Mycobacterium leprae KW - Mykobakterien KW - Lepra KW - Talg KW - Talganalyse KW - Hautuebertragung Lepra KW - Wirtsfaktoren Lepra KW - sebum KW - sebum analysis KW - skin transmission leprosy KW - host factors leprosy Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-85028 ER -