Improved polymeric medical devices for active substances delivery

The work presented in this thesis was developed in collaboration with a Portuguese company, BeyonDevices, devoted to pharmaceutical packaging, medical technology and device industry. Specifically, the composition impact and surface modification of two polymeric medical devices from the company were studied: inhalers and vaginal applicators. The polyethylene-based vaginal applicator was modified using supercritical fluid technology to acquire self-cleaning properties and prevent the transport of bacteria and yeasts to vaginal flora. For that, in-situ polymerization of 2-substituted oxazolines was performed within the polyethylene matrix using supercritical carbon dioxide. The cationic ring-opening polymerization process was followed by end-capping with N,N-dimethyldodecylamine. Furthermore, for the same propose, the polyethylene matrix was impregnated with lavender oil in supercritical medium. The obtained materials were characterized physical and morphologically and the antimicrobial activity against bacteria and yeasts was accessed. Materials modified using 2-substituted oxazolines showed an effective killing ability for all the tested microorganisms, while the materials modified with lavender oil did not show antimicrobial activity. Only materials modified with oligo(2-ethyl-2-oxazoline) maintain the activity during the long term stability. Furthermore, the cytotoxicity of the materials was tested, confirming their biocompatibilty. Regarding the inhaler, its surface was modified in order to improve powder flowability and consequently, to reduce powder retention in the inhaler´s nozzle. New dry powder inhalers (DPIs), with different needle’s diameters, were evaluated in terms of internal resistance and uniformity of the emitted dose. It was observed that they present a mean resistance of 0.06 cmH2O0.5/(L/min) and the maximum emitted dose obtained was 68.9% for the inhaler with higher needle´s diameter (2 mm). Thus, this inhaler was used as a test and modified by the coating with a commonly-used force control agent, magnesium stearate, dried with supercritical carbon dioxide (scCO2) and the uniformity of delivered dose tests were repeated. The modified inhaler showed an increase in emitted dose from 68.9% to 71.3% for lactose and from 30.0% to 33.7% for Foradil.

Semisynthetic aminoglycoside antibiotics : toward biomimetic synthesis, evasion of bacterial resistance and reduced toxicity

Les antibiotiques aminoglycosidiques sont des agents bactéricides de grande valeur et d’efficacité à large spectre contre les pathogènes Gram-positifs et Gram-négatifs, dont plusieurs membres naturels et semisynthétiques sont importants dans l’histoire clinique depuis 1950. Des travaux crystallographiques sur le ribosome, récompensés par le prix Nobel, ont démontré comment leurs diverses structures polyaminées sont adaptées pour cibler une hélice d’ARN dans le centre de codage de la sous-unité 30S du ribosome bactérien. Leur interférence avec l’affinité et la cinétique des étapes de sélection et vérification des tARN induit la synthèse de protéines à basse fidélité, et l’inhibition de la translocation, établissant un cercle vicieux d’accumulation d’antibiotique et de stress sur la membrane. En réponse à ces pressions, les pathogènes bactériens ont évolué et disséminé une panoplie de mécanismes de résistance enzymatiques et d’expulsion : tels que les N acétyltransférases, les O phosphotransférases et les O nucleotidyltransférases qui ciblent les groupements hydroxyle et amino sur le coeur des aminoglycosides; des méthyl-transférases, qui ciblent le site de liaison ribosomale; et des pompes d’expulsion actives pour l’élimination sélective des aminoglycosides, qui sont utilisés par les souches Gram-négatives. Les pathogènes les plus problématiques, qui présentent aujourd’hui une forte résilience envers la majorité des classes d’antibiotiques sur le bord de la pan-résistance ont été nommés des bactéries ESKAPE, une mnémonique pour Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa et Enterobacteriaceae. La distribution globale des souches avec des mécanismes de résistance envers les standards cliniques aminoglycosides, tels que la tobramycine, l’amikacine et la gentamicine, est comprise entre 20 et 60% des isolées cliniques. Ainsi, les aminoglycosides du type 4,6-disubstitués-2-deoxystreptamine sont inadéquats comme thérapies anti-infectieuses à large spectre. Cependant, la famille des aminoglycosides 4,5-disubstitués, incluant la butirosine, la neomycine et la paromomycine, dont la structure plus complexe, pourrait constituter une alternative. Des collègues dans le groupe Hanessian et collaborateurs d’Achaogen Inc. ont démontré que certains analogues de la paraomomycine et neomycine, modifiés par désoxygénation sur les positions 3’ et 4’, et par substitution avec la chaîne N1-α-hydroxy-γ-aminobutyramide (HABA) provenant de la butirosine, pourrait produire des antibiotiques très prometteurs. Le Chapitre 4 de cette dissertation présente la conception et le développement d’une stratégie semi-synthétique pour produire des nouveaux aminoglycosides améliorés du type 4,5 disubstitués, inspiré par des modifications biosynthétiques de la sisomicine, qui frustrent les mécanismes de résistance bactérienne distribuées globalement. Cette voie de synthèse dépend d’une réaction d’hydrogénolyse de type Tsuji catalysée par palladium, d’abord développée sur des modèles monosaccharides puis subséquemment appliquée pour générer un ensemble d’aminoglycosides hybrides entre la neomycine et la sisomicine. Les études structure-activité des divers analogues de cette nouvelle classe ont été évaluées sur une gamme de 26 souches bactériennes exprimant des mécanismes de résistance enzymatique et d’expulsion qui englobe l’ensemble des pathogènes ESKAPE. Deux des antibiotiques hybrides ont une couverture antibacterienne excellente, et cette étude a mis en évidence des candidats prometteurs pour le développement préclinique. La thérapie avec les antibiotiques aminoglycosidiques est toujours associée à une probabilité de complications néphrotoxiques. Le potentiel de toxicité de chaque aminoglycoside peut être largement corrélé avec le nombre de groupements amino et de désoxygénations. Une hypothèse de longue date dans le domaine indique que les interactions principales sont effectuées par des sels des groupements ammonium, donc l’ajustement des paramètres de pKa pourrait provoquer une dissociation plus rapide avec leurs cibles, une clairance plus efficace et globalement des analogues moins néphrotoxiques. Le Chapitre 5 de cette dissertation présente la conception et la synthèse asymétrique de chaînes N1 HABA β substitutées par mono- et bis-fluoration. Des chaînes qui possèdent des γ-N pKa dans l’intervalle entre 10 et 7.5 ont été appliquées sur une neomycine tétra-désoxygénée pour produire des antibiotiques avancés. Malgré la réduction considérable du γ N pKa, le large spectre bactéricide n’a pas été significativement affecté pour les analogues fluorés isosteriques. De plus, des études structure-toxicité évaluées avec une analyse d’apoptose propriétaire d’Achaogen ont démontré que la nouvelle chaîne β,β difluoro-N1-HABA est moins nocive sur un modèle de cellules de rein humain HK2 et elle est prometteuse pour le développement d’antibiotiques du type neomycine avec des propriétés thérapeutiques améliorées. Le chapitre final de cette dissertation présente la proposition et validation d’une synthèse biomimétique par assemblage spontané du aminoglycoside 66-40C, un dimère C2 symétrique bis-imine macrocyclique à 16 membres. La structure proposée du macrocycle a été affinée par spectroscopie nucléaire à un système trans,trans-bis-azadiène anti-parallèle. Des calculs indiquent que l’effet anomérique de la liaison α glycosidique entre les anneaux A et B fournit la pré-organisation pour le monomère 6’ aldéhydo sisomicine et favorise le produit macrocyclique observé. L’assemblage spontané dans l’eau a été étudié par la dimérisation de trois divers analogues et par des expériences d’entre croisement qui ont démontré la généralité et la stabilité du motif macrocyclique de l'aminoglycoside 66-40C.

Effets des fluorures sur l'activité antimicrobienne des antibiotiques contre Staphylococcus aureus et Pseudomonas aeruginosa

L’émergence des souches bactériennes résistantes aux antibiotiques est un phénomène inquiétant, qui se répand à travers le monde. Staphylococcus aureus et Pseudomonas aeruginosa sont des bactéries pathogènes opportunistes multi résistantes qui peuvent causer plusieurs maladies. Cependant, ces bactéries deviennent difficiles à traiter avec des antibiotiques sans occasionner de toxicité. Alors pour trouver des solutions, c’est nécessaire de développer de nouvelles molécules afin de combattre les agents pathogènes résistants. Grâce à leur action pharmacologique, les fluorures exercent un certain effet antibactérien au niveau de l'émail des dents; donc, leur association aux antibiotiques pourrait bien a méliorer l’activité antimicrobienne. De ce fait, nous nous sommes proposés d’étudier les activités in vitro de la vancomycine (VAN), l’oxacilline (OXA), la ceftazidime (CFT) et la méropenème (MER) libre ou associée au fluorure de sodium (NaF) et fluorure de lithium (LiF) qui ont été évaluées sur des souches S.aureus et P.aeruginosa sensibles et résistantes, par la méthode de la microdilution en bouillon, déterminant leur concentration minimale inhibitrice (CMI), leur concentration minimale bactéricide (CMB), leur courbe cinétique (Time-Kill). Leur cytotoxicité sur les globules rouges humains, et leur stabilité à la température de 4°C et 22°C ont été étudiées. Les associations des antimicrobiens aux dérivés des fluorures ont montré une amélioration de l’effet des antibiotiques par la réduction des leurs concentrations et toxicité pour traiter correctement ces pathogènes résistants. Par conséquent, des antibiotiques associés aux dérivés de fluorure pourraient devenir une option de traitement contre des souches résistantes afin de diminuer la toxicité causée par de fortes doses des antibiotiques conventionnels.

Conception et synthèse d’aminoglycosides semi-synthétiques

Plusieurs aminoglycosides font partie d’une famille d’antibiotiques à large spectre d’action. Les aminoglycosides ayant une activité antibiotique viennent interférer dans la synthèse protéique effectuée par les bactéries. Les protéines mal codées entraineront la mort cellulaire. Au fil des années, de nombreux cas de résistance ont émergé après une utilisation soutenue des aminoglycosides. De nombreux aminoglycosides semi-synthétiques ont été synthétisés avec comme objectif de restaurer leur activité antimicrobienne. Parmi les modifications ayant connu du succès, notons la didésoxygénation d’un diol et l’introduction de la chaine latérale HABA. Des études précédentes ont montré l’efficacité de ces modifications sur les aminoglycosides. Les présents travaux portent sur l’installation de la chaine latérale HABA et la didésoxygénation d’un diol sur la paromomycine et la néomycine. La didésoxygénation sélective des diols a été effectuée en utilisant la méthodologie développée par Garegg et Samuelsson, une variation de la réaction de Tipson-Cohen. Cette méthode a permis l’obtention du motif didésoxygéné sur les cycles A et D dans des rendements jamais égalés pour ce motif synthétique. La chaîne latérale a été introduite en tirant profit de la réactivité et de la sélectivité d’un carbamate cyclique. Ces méthodes combinées ont permis la synthèse efficace de nombreux analogues semi-synthétiques nouveaux. La 3',4'-didéhydro-N-1-HABA-néomycine et la 3',4',3''',4'''-tétradésoxy-N-1-HABA-néomycine montrent une activité impressionnante contre des souches de bactéries résistantes aux aminoglycosides. Des tests de toxicité effectués en collaboration avec Achaogen Inc. ont démontré que ces composés sont relativement toxiques sur les cellules rénales de type H2K, ce qui réduit de façon importante leur index thérapeutique. Afin d’abaisser la toxicité des composés, la relation entre toxicité et basicité a été explorée. Des substitutions de l’amine en 6''' ont été effectuées afin d’abaisser la basicité de l’amine. Les résultats de toxicité et d’activité antimicrobienne démontrent une corrélation importante entre la basicité des amines et la toxicité/activité des aminoglycosides antibiotiques. L’effet d’une modulation du pKa a aussi été exploré en installant des chaines fluorées sur l’amine en 6''' de la paromomycine et de la néomycine. Une séquence synthtétique pour isoler l’amine en 6''' de la néomycine a aussi été développée.

Activité antimicrobienne de peptides provenant d’hydrolysats de protéines de babeurre, de lactoferrine et de pois

Les antibiotiques sont fréquemment utilisés dans l’alimentation de la volaille afin de prévenir certaines maladies, dont l’entérite nécrotique, ce qui occasionne l’émergence de souches bactériennes résistantes aux antibiotiques. Une alternative prometteuse est l’utilisation de peptides antimicrobiens (AMPs) comme suppléments alimentaires, tels les AMPs provenant des produits laitiers. L’objectif du projet était de développer une méthode de production d’extraits peptidiques à partir de coproduits de la transformation alimentaire (babeurre, lactoferrine, isolat de protéines de pois), afin de tester si ces extraits peptidiques possédaient une activité antimicrobienne sur les pathogènes spécifiques aviaires suivants : Salmonella Enteritidis, Salmonella Typhimurium, Escherichia coli et Staphylococcus aureus. Les protéines ont été mises en suspension dans l’eau (5% p/p) et hydrolysées par la pepsine, 6 heures, pH de 2.5. Les peptides furent récupérés par ultrafiltration (< 10 kDa), puis fractionnés selon leur charge nette : totaux, cationiques, anioniques et non liés. L’effet antimicrobien a été évalué surmicroplaques, par la survie bactérienne en présence de concentrations croissantes d’extraits peptidiques. Les extraits cationiques de babeurre ont démontré une efficacité à une concentration inférieure ou égale à 5 mg/mL; perte de 3 log pour Escherichia coli O78 :H80. En comparaison, la lactoferrine cationique a été efficace à une concentration inférieure ou égale à 0.6 mg/mL; perte de 6 log pour E. coli O78 :H80. Les extraits peptidiques du pois ont démontré une efficacité faible. Cette méthode s’avère prometteuse pour le développement d’une alternative ou d’un complément pour la réduction de l’utilisation des antibiotiques dans l’alimentation de la volaille.

Gastric stability and oral bioavailability of colistin sulfate in pigs challenged or not with Escherichia coli O149: F4 (K88)

The aim of the present study was to investigate the in vitro gastric stability of colistin sulfate (CS) and its antimicrobial activity against Escherichia coli and to study the impact of ETEC O149: F4 (K88) infection in pigs on CS intestinal absorption. The stability profile of CS was evaluated in a simulated gastric fluid (SGF). Antimicrobial activity of CS and its degradation products were examined in a 96-well polystyrene microplate model. The effect of experimental infection with ETEC O149: F4 on CS intestinal absorption was determined by quantification of CS systemic concentration using a validated LC–MS/MS method. A rapid degradation of CS accompanied by an increase in CS antimicrobial activity by comparison with non-degraded CS (P < 0.0001) was observed in SGF. Additionally, CS levels were not quantifiable in systemic circulation using a highly sensitive method and concurrent oral challenge did not affect CS absorption in an induction model of subclinical post-weaning diarrhea (PWD).

Synthesis, Spectral Characterization, Structural Studies and Biological Investigations of Transition Metal Complexes of Some Acid Hydrazones

This study concentrates the chemical properties of hydrazones due to its chelating capability and their pharmacological applications. Studies cover the preparation of different acid hydrazones and their structural studies and studies on their antimicrobial activity, synthesis and spectral characterization of different complexes of copper oxovanadium, manganese, nickel etc. Effect of incorporation of heterocyclic bases to the coordination sphere, change in the biological activity of acid hydrazones upon coordination, development of X-ray quality single crystals and its X-ray diffraction studies, studies on the redox behavior of the coordinated metal ions and correlation between the stereochemistry and biological activities.

Diversity in Structural and Spectural Characteristics of Some Transition Metal Complexes Derived From Aldehyde Based Thiosemicarbazone Ligands

The study deals with the diversity in structural and spectural characteristics of some transition metal complexes derived from aldehyde based thiosemicarbazone ligands thiosemicarbazones are a family of compounds with beneficial biological activity viz., anticancer,antitumour, antifungal, antibacterial, antimalarial, antifilarial, antiviral and anti-HIV activities. Many thiosemicarbazone ligands and their complexes have been prepared and screened for their antimicrobial activity against various types of fungi and bacteria. The results prove that the compounds exhibit antimicrobial properties and it is important to note that in some cases metal chelates show more inhibitory effects than the parent ligands. The increased lipophilicity of these complexes seems to be responsible for their enhanced biological potency. Adverse biological activities of thiosemicarbazones have been widely studied in rats and in other species. The parameters measured show that copper complexes caused considerable oxidative stress and zinc zinc complexes behaved as antioxidants. It has applications on analytical field also. Some thiosemicarbazones produce highly colored complexes with metal ions. This thesis aims to synthesis some novel thiosemicarbazone ligands and their transition metal complexes together with their physico-chemical characterization.

Development of novel surface coatings based on acrylic copolymers

The present study describes the preparation of Vinyl acetate-Butyl acrylate copolymer lattices of varying compositions and solid contents by semicontinuous emulsion polymerization method. This copolymer lattices were used as binder to develop a new surface coating formulation. The properties of this surface coating were improved by using nano TiO2 colloidal sol as a pigment. Antimicrobial activity of surface coatings was improved by the addition of carboxymethyl chitosan as biocide. Uniformly dispersed tyre crumb was used to give a mat finish to the coating. The mechanical properties adhesive properties, thermal properties etc. of the coatings are presented in thesis.

Investigation on phytochemical constituents and biological potential of some traditional medicinal plants

Plants and microorganisms provide the pharmaceutical industry with some of the most important sources of components for the research of new medications This thesis involves the study of three medicinal plants belonging to three different important families viz, Cyperus rotundus (Cyperaceae), Stereospermum colais (Bignoniaceae) as well as the well known medicinal plant Zingiber officinale (Zingiberaceae) as the third. The first chapter gives an overview of biologically active natural products with special reference to antioxidant, antidiabetic, anti-inflammatory and antimicrobial molecules from terrestrial sources. Chapter 2 of the thesis deals with the isolation of phytochemical constituents of the medicinal plant Cyperus rotundus and its antioxidant and radical scavenging potential. Chapter 3 of the thesis describes the studies on the roots of Stereospermum colais, A Bignoniaceae plant belonging to the genus Stereospermum which is used extensively. Chapter 3 of the thesis describes the studies on the roots of Stereospermum colais, a Bignoniaceae plant belonging to the genus Stereospermum which is used extensively in Ayurveda. Chapter 4 describes the biological potential of rhizomes of Zingiber officinale. Ethyl acetate extract of ginger (EAG) possessed antioxidant activity as is evident from the results of various in vitro assays compared to other extracts .In conclusion, medicinal plants Cyperus rotundus and Stereospermum colais have been analysed for their phytochemical constituents. Also, the positive results obtained from biological activity studies such as antioxidant, anti-inflammatory and antimicrobial activity on the isolated compounds/extracts add on to the medicinal properties of these plants. Apart from that, ethyl acetate extract of Zingiber officinale (ginger) rhizomes has been shown to have very good biological potential including glucose lowering and adipocyte differentiation inhibitory effect.

Characterization of Bacteriocins from Bacillus licheniformis strain BTHT8 and Bacillus subtilis strain BTFK101 isolated from marine sediment

Pathogenic microorganisms such as Bacillus cereus, Listeria Monocytogenes and Staphylococcus sp have caused serious diseases, and consequently contributed to considerable economic loss in the food and agricultural industries. Antibiotics have been practically used to treat these pathogens since penicillin G was discovered more than half a century ago. Many different types of antibiotics have been discovered or synthesized to control pathogenic microorganisms. Repetitive use and misuse of antibiotics by the agricultural and pharmaceutical industries have caused the emergence of multidrug-resistant microorganisms, even to the strongest antibiotics currently available; therefore, the rapid development of more effective antimicrobial compounds is required to keep pace with demand. Bacteria were isolated from marine water and sediment samples collected from various locations off the coast of Cochin and salt pans of Tuticorin using pour plate technique. One hundred and twelve isolates were obtained. Seventeen isolates exhibiting antimicrobial activity were segregated after primary screening. The secondary screening which was aimed at selection of bacteria that produce proteinaceous inhibitory compounds, helped to select five strains viz. BTFK101, BTHT8, BTKM4, BTEK16 and BTSB22. The five isolates inhibited the growth of six Gram positive test organisms viz. B. cereus, B. circulans, B. coagulans, B. pumilus, Staphylococcus aureus and Clostridium perfringens. After quantitative estimation of the bacteriocin production, the two strains BTFK101 and BTHT8 were selected for further study.

Avaliação das actividades antioxidante e antimicrobiana do óleo de café verde em formulações cosméticas

O óleo de café verde (OCV) e formulações cosméticas que contendo 2,5, 5, 10 e 15% de óleo foram avaliados por métodos in vitro quanto às suas atividades antioxidante e antimicrobiana. O OCV e as suas formulações demostraram baixa actividade antioxidante, avaliada pelo método DPPH (42% do OCV foi equivalente a 0,002% de BHT). Não se observou atividade antimicrobiana para o OCV e as suas formulações contra Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Pseudomonas aeruginosa, Bacilus subtilis, Propionibacterium acnes e Candida albicans, utilizando o método de difusão em poço. Embora o OCV seja utilizado há muitos anos em formulações cosméticas, ainda são necessários mais estudos para apoiar adequadamente a utilidade do óleo de café em produtos para cuidado da saúde da pele e em cosméticos.

Pesquisa das actividades antioxidante e antimicrobiana em extractos de plantas do género Plectranthus

O uso de plantas medicinais é uma tendência generalizada na medicina popular. O género Plectranthus pertence à família das Lamiaceae tal como a salva (Salvia), o manjericão (Ocimum) e a hortelã (Mentha), que apresentam uma grande diversidade de usos etnobotânicos. No presente trabalho, foram avaliadas as atividades antimicrobiana e antioxidante de extractos de cinco espécies do género Plectranthus: P. hadiensis (vd), P. madagascarensis, P. neochilus, P. verticillatus e P. barbatus. Os extractos foram obtidos por diversos métodos: infusão, decocção, ultra-sons, micro-ondas e maceração (10% m/v de planta seca) com dois solventes diferentes (água e acetona). O método de infusão permitiu obter a maior quantidade de extrato seco a partir da planta Plectranthus barbatus (22 ± 1,0 – 33 ± 3,0 mg/mL). A actividade antimicrobiana dos extratos obtidos foi determinada usando o método da difusão em poço e foi testada contra três bactérias Gram-positivas e duas bactérias Gram-negativas. Só os extratos acetónicos de P. madagascarensis, P. verticillatus e P. hadiensis (vd) demonstraram ser ativos e exclusivamente em bactérias Gram-positivas. O extrato de P. madagascarensis demonstrou a maior actividade antibacteriana com halos de inibição entre 23 e 36 mm. A atividade antioxidante dos extratos foi determinada qualitativamente usando o método do radical 2,2-difenil-1-picril-hidrazina (DPPH) em ccd obtiveram-se resultados positivos na maioria dos extractos estudados.

Synteza, badania strukturalne i spektroskopowe oraz aktywność przeciwnowotworowa i przeciwdrobnoustrojowa nowych pochodnych salinomycyny

Wydział Chemii: Pracownia Chemii Bioorganicznej

The staphylococcus aureus surface protein IsdA mediates resistance to the innate defenses of human skin

Resistance to human skin innate defenses is crucial for survival and carriage of Staphylococcus aureus, a common cutaneous pathogen and nasal colonizer. Free fatty acids extracted from human skin sebum possess potent antimicrobial activity against S. aureus. The mechanisms by which S. aureus overcomes this host defense during colonization remain unknown. Here, we show that S. aureus IsdA, a surface protein produced in response to the host, decreases bacterial cellular hydrophobicity rendering them resistant to bactericidal human skin fatty acids and peptides. IsdA is required for survival of S. aureus on live human skin. Reciprocally, skin fatty acids prevent the production of virulence determinants and the induction of antibiotic resistance in S. aureus and other Gram-positive pathogens. A purified human skin fatty acid was effective in treating systemic and topical infections of S. aureus suggesting that our natural defense mechanisms can be exploited to combat drug-resistant pathogens.