Bakterijska odpornost proti večini protibakterijskih učinkovin postaja vse večji problem. Odkritje antibiotikov v sredini prejšnjega stoletja je vzbudilo velika pričakovanja, ki pa so se žal kmalu izkazala kot nerealna. Kmalu po tem, ko so znanstveniki odkrili prvi antibiotik, so ugotovili, da borba z mikroogranizmi ne bo tako lahka. Sposobnost mikroogranizmov, da se prilagodijo različnim zunanjim vplivom je bila vzrok za pojav odpornosti proti protibakterijskim učinkovinam. Zaradi tega se potreba po novih protibakterijskih učinkovinah vedno bolj povečuje, med tem ko je vse bolj zaskrbljujoče dejstvo, da je na trg v zadnjih dvajsetih letih prišlo zelo malo novih protibakterijskih učinkovin. DNA giraza je encim, ki ima pomembno vlogo pri replikaciji DNA molekule v bakterijski celici in predstavlja dobro uveljavljeno in privlačno tarčo v iskanju novih protibakterijskih učinkovin. DNA giraza je ATPaza in njeno ATP vezavno mesto ponuja dobro priložnost za načrtovanje novih protibakterijskih učinkovin z mehanizmom delovanja, ki do sedaj ni dovolj izkoriščen v boju proti bakterijam. Pri načrtovanju novih inhibitorjev DNA giraze se lahko izkoristijo znane strukturne informacije o posameznih delih giraze (kot je struktura ATP vezavnega mesta), ki ponujajo priložnost za strukturno podprto načrtovanje novih inhibitorjev ter že znane inhibitorje DNA giraze (tudi inhibitorji, ki se vežejo v ATP vezavno mesto), ki ponujajo priložnost za načrtovanje novih inhibitorjev na osnovi ligandov. Načrtovanje inhibitorjev, ki bi delovali na dve ali več tarč je zelo privlačen pristop pri iskanju novih učinkovin in posebej pri iskanju novih protibakterijskih učinkovin, zaradi tega ker se z modulacijo dveh ali več tarč v bakterijski celici zmanjšuje možnost za razvoj bakterijske rezistence. Topoizomeraza IV je encim, ki je po svoji strukturi in funkciji zelo podoben DNA girazi. Podobnost v strukturi med tema dvema encimoma ponuja dobro priložnost za načrtovanje protibakterijskih učinkovin, ki bi imeli dve tarči v bakterijski celici. Dober primer za protibakterijske učinkovine, ki inhibirajo tako DNA girazo kot topoizomerazo IV so dobro znani in v klinični praksi veliko uporabljani kinoloni. Kinoloni so inhibitorji gyrA in parC podenot DNA giraze in topoizomeraze IV. V zadnjem času je vedno večja pozornost namenjena gyrB podenoti giraze in parE podenoti topoizomeraze IV, ki sta bili doslej manj izkoriščeni. V okviru doktorskega dela smo načrtovali, sintetizirali in biološko ovrednotili potencijalne inhibitorje DNA giraze, ki vsebujejo benzotiazolski skelet. Načrtovanje je izhajalo iz že znanih inhibitorjev DNA giraze s 4,5,6,7-tetrahidrobenzo[d]tiazolnim ogrodjem, ki so bili pred kratkim odkriti v naši raziskovalni skupini. Pri tem smo 4,5,6,7-tetrahidrobenzo-[d]tiazolni obroč zamenjali z benzo[d]tiazolnim obročem ter naredili podobne strukturne modifikacije kot v 2,6- diamino-4,5,6,7-tetrahidrobenzo-[d]tiazolski seriji in študirali vpliv strukturnih sprememb na inhibitorno aktivnost. Benzotiazolne spojine, ki so bile sintetizirane v sklopu doktorskega dela so bile najprej testirane na inhibitorno aktivnost na DNA girazo iz Escherichia coli in Staphylococcus aures. Glede na zgoraj omenjeno podobnost v strukturi med DNA girazo in topoizomerazo IV, so bile pripravljene spojine testirane tudi na topoizomerazo IV, prav tako iz E. coli in S. aureus. Benzotiazolne spojine so pokazale močno in vitro inhibitorno aktivnost na E. coli DNA girazo, in nekatere spojine pa so izkazale tudi zaviralno aktivnost na S. aureus DNA girazo. Najboljši inhibitor na E. coli DNA girazo je bila spojina 2-((6-(4,5-dibromo-1H-pirol-2-karboksamido)benzo[d]tiazol-6-il)amino)-2-oksoacetna kislina (13), z nanomolarno IC50 vrednostjo 33 nM. Določene spojine so pokazale dvojno inhibicijo, tako na DNA girazo iz E. coli in S. aureus kot tudi na topoizomerazo IV iz E. coli in S. aureus. Najboljši inhibitor obeh encimov je bila spojina 2-((2-(4,5-dikloro-1H-pirol-2-karboksamido)benzo[d]tiazol-6-il)amino)-2-oksoocetna kislina (27) s 87 nM in 510 nM IC50 vrednostmi za inhibicijo DNA giraze iz E. coli in S. aureus ter 1.8 in 1.7 μM IC50 vrednostmi za inhibicijo topoizomeraze IV in iz E. coli in S. aureus. Študije sidranja so pokazale, da se benzotiazolni inhibitorji vežejo v ATP vezavno mesto DNA giraze, kar smo potrdili tudi s kristalno strukturo kompleksa giraze B iz E. coli in 2-((2-(4,5-dibromo-1H-pirol-2-karboksamido)benzotiazol-6-il)amino)-2-oksoocetne kisline (24) vezane v ATP vezavnem mestu. Benzotiazolni inhibitorji DNA giraze in topoizomeraze IV so bili testirani tudi za protibakterijsko aktivnost na Gram-pozitivne (S. aureus ATCC 25923, Enterococcus faecalis ATCC 29212) in Gram-negativne bakterijske seve (Escherichia coli ATCC 25922 in Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853). Na splošno spojine niso pokazale znatne protibakterijske aktivnosti na vse testirane bakterijske seve. Edine opazne aktivnosti sta pokazali spojini etil 2-((6-(4,5-dikloro-1H-pirol-2-karboksamido)benzo[d]tiazol-2-il)amino)-2-oksoacetat (11) in 3-((2-(4,5-dibromo-1H-pirol-2-karboksamido)benzo[d]tiazol-6-il)amino)-3-oksopropanojska kislina (25) (47 % in 59 % inhibicija rasti bakterije E. faecalis pri 50 μM koncentraciji po 24 h inkubaciji). Za spojino 25 je bilo ugotovljeno, da je potencialni ligand AcrAB-tolC efluksne črpalke in s tem tudi lahko razložimo njeno slabo protibakterijsko aktivnost na testirane Gram-negativne bakterijske seve (12 % inhibicija rasti E. coli po 24 h inkubacije in 11 % inhibicija P. aeruginosa po 24 h inkubacije). Nadalje smo naše spojine vključili v projekt rešetanja spojin, ki je bil namenjen odkrivanje novih spojin s protivirusnim delovanjem. Pri tem so nekateri benzotiazolni inhibitorji giraze izkazali protivirusno aktivnost na viruse influence A/H1N1, A/H3N2 in influence B. Hsp90 šaperon je pomemben pri replikaciji virusa influence in pri tem, ker je struktura ATP vezavnega mesta DNA giraze zelo podobna strukturi ATP vezavnega mesta šaperona Hsp90 (oba sta člana GHKL grupe encimov, ki imajo podobnosti v strukturi ATP vezavnega mesta), ki je udeležen pri procesiranju virusnih proteinov, smo domnevali, da je protivirusna aktivnost benzotiazolnih inhibitorjev giraze B morda posledica inhibicije Hsp90. Pri mikroforeznem testu, s katerim smo ovrednotili vezavo benzotiazolnih inhibitorjev giraze na Hsp90, je enajst benzotiazolnih spojin izkazalo vrednosti za konstanto disocijacije Kd v območju od 0.26 do 51 μM. Najboljšo aktivnost je pokazala spojina 27, s Kd vrednostjo 0.26 μM, ki je primerljiva Kd vrednosti znanega inhibitorja Hsp90 17-desmetoksi-17-N,N-dimetilaminoetilaminogeldanamicina (17-DMAG) (Kd = 0.27 μM). Z raziskavami v okviru doktorskega dela smo uspeli pripraviti spojine, ki imajo tako inhibitorno delovanje na DNA girazo kot tudi na topoizomerazo IV iz E. coli in S. aureus. Kristalna struktura spojine 24 v kompleksu z DNA girazo B iz E. coli daje priložnost za nadaljnjo optimizacijo teh spojin za izboljšanje njihovih inhibitornih aktivnosti. Ugotovitev, da imajo naši benzotiazolni inhibitorji giraze tudi delovanje proti virusu influence in se vežejo na Hsp90 šaperon, daje dobro izhodišče za nadaljnje načrtovanje in razvoj učinkovin, ki bi imele protibakterijsko in protivirusno delovanje.
|