Carina Rikanovic

• Die zunehmende Entstehung von Resistenzen macht die Entwicklung neuer potenter Wirkstoffe zur Therapie von Infektionskrankheiten immer wichtiger. Dieser Aufgabe stellt sich auch der interdisziplinär aufgebaute SFB 630, in den sich die vorliegende Arbeit eingliedert. Innerhalb des SFBs wurden Isochinolinalkaloid-Derivate (IQs) synthetisiert, die aktiv gegen verschiedene Mikroorganismen sind. Bioinformatische Modellierungen bilden die für den jeweiligen Mikroorganismus spezifischen Stoffwechselwege ab. In Netzwerkanalysen können ÄnderungenDie zunehmende Entstehung von Resistenzen macht die Entwicklung neuer potenter Wirkstoffe zur Therapie von Infektionskrankheiten immer wichtiger. Dieser Aufgabe stellt sich auch der interdisziplinär aufgebaute SFB 630, in den sich die vorliegende Arbeit eingliedert. Innerhalb des SFBs wurden Isochinolinalkaloid-Derivate (IQs) synthetisiert, die aktiv gegen verschiedene Mikroorganismen sind. Bioinformatische Modellierungen bilden die für den jeweiligen Mikroorganismus spezifischen Stoffwechselwege ab. In Netzwerkanalysen können Änderungen metabolischer Flüsse durch pharmakologisch aktive Substanzen vorhergesagt werden. Gemeinsam mit bioinformatischen Modellen liefern die Metabolommessungen Hinweise auf mögliche Wirkmechanismen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene analytische Methoden etabliert, um antiinfektive Wirkungen dieser verheißungsvollen Leitstrukturen auf das Metabolom verschiedener Mikroorganismen zu untersuchen. Die aus den Metabolommessungen erhaltenen Daten fließen in diese Modelle ein und tragen zu deren Optimierung bei. Die Mikroorganismen wurden für die Metabolomanalysen mit aktiven IQs (für S. aureus und C. albicans GB-AP-143, für L. major GB-AP-304) inkubiert. Bei C. albicans erfolgte die Probennahme zu unterschiedlichen Zeitpunkten (lag-, log-, stationäre Phase), um auch die Zeitabhängigkeit der Effekte zu untersuchen. Zusätzlich dienten bei C. albicans als Kontrollen neben parallel angesetzten Zellkulturen ohne Inhibitor, auch Zellkulturen, denen das Lösungsmittel DMSO zugegeben wurde. Es wurden Extraktionsmethoden für die betreffenden Metabolite der hier untersuchten Mikroorganismen (S. aureus, C. albicans, L. major) etabliert. Dabei lag der Fokus auf polaren Metaboliten, da bioinformatische Modellierungen für die Effekte der IQs Änderungen vor allem im Purin- und Pyrimidinstoffwechsel der Mikroorganismen vorhersagten. Zur Analyse des Nukleotidstoffwechsels wurde eine ionenpaarchromatographische HPLC-Methode entwickelt und optimiert. Mit dieser Methode konnten Nicotinamidderivate und Nukleotide des Purin- und Pyrimidinstoffwechsels in Zellextrakten von S. aureus, C. albicans und L. major quantifiziert werden. Für eine Analyse des Wirkmechanismus von GB-AP-143 wurde die Zusammensetzung des Metaboloms von C. albicans mittels einer GC/MS-Methode bestimmt. Nach einer Derivatisierung des Extrakts mit Methoxyamin-HCl und MSTFA konnten in einem Lauf zugleich Target- und Fingerprintanalytik durchgeführt werden. Die Auswertung der Targetanalytik fand unter Anwendung der NIST-Datenbank und Vermessung von Standards statt. Hierbei konnten vor allem Aminosäuren quantitativ erfasst werden. Der Fingerprint wurde durch Einsatz multivariater statistischer Verfahren ausgewertet. Die Daten für die mit GB AP 143 behandelten S. aureus und die mit GB AP 304 behandelten L. major-Promastigoten liefern Hinweise auf eine Wirkung der IQs auf den Komplex-I der mitochondrialen Atmungskette. Für die Behandlung der C. albicans-Kulturen mit GB-AP-143 konnten komplexe Änderungen im Nukleotid- und Aminosäurestoffwechsel gemessen werden. So beeinflusste bereits der Zeitpunkt der Probennahme (lag-, log- oder stationäre Wachstumsphase) die Zusammensetzung des Metaboloms und auch das Lösungsmittel, das für die IQs verwendet wurde, verursachte komplexe Änderungen im Metabolom von C. albicans. Zusätzlich wurden Nukleotid- und Aminosäurekonzentrationen Fluconazol-resistenter C. albicans-Mutanten (TAC, UPC und MRR) untersucht. Im Nukleotidstoffwechsel waren sowohl Konzentrationssteigerungen als auch ein Absinken der Konzentrationen im Vergleich zum Wildtyp zu verzeichnen. Der Aminosäurestoffwechsel zeigte insgesamt einen verminderten Gehalt an Aminosäuren der Mutanten gegenüber dem Wildtyp. Da GB-AP-143 auch Aktivität gegen diese Mutanten zeigte, wurde exemplarisch die MRR-Mutante mit GB-AP-143 inkubiert, um zu untersuchen, ob die durch GB-AP-143 hervorgerufenen Änderungen im Nukleotid- und Aminosäurestoffwechsel ähnlich zu denen des Wildtyps sind. Es konnten im Nukleotidstoffwechsel gegenläufige Effekte für die Inkubation von GB-AP-143 des Wildtyps und der Mutante verzeichnet werden. Die Daten aus den HPLC/UV- und GC/MS-Messungen werden von der Bioinformatik zur Optimierung der verwendeten Modelle genutzt, um auf diese Weise die Wirkmechanismen der IQs besser modellieren zu können. Da das Cytochrom-P-450-Enzymsystem am Metabolismus von etwa 95 % aller Arzneistoffe beteiligt ist, wurden die Effekte ausgewählter IQs auf die sechs wichtigsten arzneistoffmetabolisierenden Enzyme (CYP1A2, 2C8, 2C9, 2C19, 2D6 und 3A4) mit Hilfe eines bereits etablierten CYP-Assays analysiert und näher charakterisiert. Im CYP-Assay zeigte sich für drei IQs eine CYP2D6-Hemmung. Die ausgeprägte CYP2D6-selektive Hemmung von GB-AP-110 ergab einen IC50-Wert von nur 109 nM. Die Charakterisierung der Hemmung ergab einen reversiblen, kompetitiven Inhibitionsmechanismus.…
• The increasing frequency of resistance towards antibiotics in the therapy of infectious diseases highlights the importance of the development of novel drugs against infectious diseases. This work is integrated in the Collaboration Research Center 630 (SFB 630), which has been formed to search for innovative solutions by joint interdisciplinary approaches. In the framework of this SFB, some new isoquinoline alkaloid derivatives (IQs) could be synthesized, which show distinct activities against various microorganisms. The present work focussed onThe increasing frequency of resistance towards antibiotics in the therapy of infectious diseases highlights the importance of the development of novel drugs against infectious diseases. This work is integrated in the Collaboration Research Center 630 (SFB 630), which has been formed to search for innovative solutions by joint interdisciplinary approaches. In the framework of this SFB, some new isoquinoline alkaloid derivatives (IQs) could be synthesized, which show distinct activities against various microorganisms. The present work focussed on the development of different analytical methods in order to determine the antiinfective properties of these promising lead structures on the level of the metabolome of different microorganisms. Metabolome measurements together with bioinformatic models provide information about the possible mode of action. By using bioinformatic models one can predict changes in metabolic fluxes caused by pharmacologically active substances. The integration of data from metabolic measurements can optimize the predictive power of these models. For these measurements the microorganisms were incubated with the active IQs (GB-AP-143 for S. aureus and C. albicans, GB-AP-304 for L. major). In the case of C. albicans sampling was carried out at different time points (lag-, log and stationary growth stage) in order to examine the time dependence. In addition cell cultures without inhibitor and with the addition of the solvent DMSO were used as controls for C. albicans. Initially, extraction methods for the respective metabolites of the microorganisms S. aureus, C. albicans and L. major were established. Since bioinformatic models predicted alterations especially in the purine and pyrimidine metabolism of these microorganisms as a consequence of treatment with IQs, priority was put on the extraction of polar compounds. To analyze the nucleotide metabolism an ion pair chromatography method was developed and optimized. By means of this method nicotinamide derivatives and nucleotides of the purine and pyrimidine metabolisms could be quantified in cell extracts of S. aureus, C. albicans and L. major. For a more holistic analysis of GB-AP-143´s effect on the composition of the C. albicans metabolome a GC/MS-method was developed. After a derivatisation step of the cell extract by using methoxyamine hydrochloride and MSTFA target and fingerprint analysis were conducted simultaneously. Target analysis was conducted by means of the NIST database and measuring reference standards. Particularly, amino acids could be quantified. Fingerprint analysis was interpreted using multivariate statistics. A detailed biological interpretation of metabolome data was not the focus of this study, because the main goal was the method development. However, data of S. aureus and L. major treated with the IQs gave hints towards an effect of the IQs on complex I of mitochondrial respiration. For the treatment of C. albicans with GB-AP-143 a complex alteration of the metabolites has been detected: already the time of sampling and the solvent, which was applied for GB-AP-143, have an impact on metabolome pattern of C. albicans. Additionally, the nucleotide and amino acid concentrations of fluconazol-resistant C. albicans mutants (TAC; UPC and MRR) have been investigated. Nucleotides showed increased as well as decreased concentrations compared to the C. albicans wild type. The overall concentration of amino acids was decreased in the mutants. Since GB-AP-143 also showed activity against these resistant mutants, exemplarily the MRR-mutant was incubated with this compound in order to determine, whether the effect of GB-AP-143 on the nucleotide and amino acid metabolism in the wild type also occurs in the mutant. Nucleotide metabolism showed antidromic effects for the incubation of wild type and mutant for GB-AP-143. This indicates that the metabolism of the mutant, which differs from the wild type already without treatment, also reacts differently on GB-AP-143-incubation. Data from HPLC/UV- and GC/MS-analysis are used by the bioinformatics to optimize the developed models in order to develop improved models for the mode of action of IQs. Since cytochrome-P-450-enzymes are involved in the metabolism of about 95 % of all drugs, the effects of selected IQs on the six main drug processing enzymes (CYP1A2, 2C8, 2C9, 2C19, 2D6 and 3A4) were investigated. Therefore, a previously developed and well-established in vitro test system was used. Three of the tested IQs showed an inhibition of CYP2D6. The distinct CYP2D6-selective inhibition of GB-AP-110 showed an IC50 value as low as 109 nM. The accurate characterization revealed a reversible and competitive mode of inhibition.…