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.

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.

Synthesis and characterisation of novel nitrogen and fluorine containing spirobifluorene derivatives for electronic applications and crystal engineering

Among organic materials, spirobifluorene derivatives represent a very attractive class of materials for electronic devices. These compounds have high melting points, glass transitions temperatures and morphological stability, which makes these materials suitable for organic electronic applications. In addition, some of spirobifluorenes can form porous supramolecular associations with significant volumes available for the inclusion of guests. These molecular associations based on the spirobifluorenes are noteworthy because they are purely molecular analogues of zeolites and other microporous solids, with potential applications in separation, catalysis, sensing and other areas.

Some transition metal complexes derived from mono- and di-ethynyl perfluorobenzenes

Transition metal alkynyl complexes containing perfluoroaryl groups have been prepared directly from trimethylsilyl-protected mono- and di-ethynyl perfluoroarenes by simple desilylation/metallation reaction sequences. Reactions between Me3SiC CC6F5 and RuCl(dppe)Cp'[Cp' = Cp, Cp*] in the presence of KF in MeOH give the monoruthenium complexes Ru(C CC6F5)(dppe)Cp'[Cp' = Cp (2); Cp* (3)], which are related to the known compound Ru(C CC6F5)(PPh3)(2)Cp (1). Treatment of Me3SiC CC6F5 with Pt-2(mu-dppm)(2)Cl-2 in the presence of NaOMe in MeOH gave the bis(alkynyl) complex Pt-2(mu-dppm)(2)(C CC6F5)(2) (4). The Pd(0)/Cu(I)-catalysed reactions between Au(C CC6F5)(PPh3) and Mo( CBr)(CO)(2) Tp* [Tp* = hydridotris(3.5-dimethylpyrazoyl)borate], Co-3(mu(3)-CBr)(mu-dppm)(CO)(7) or IC CFc [Fc = (eta(5)-C5H4)FeCp] afford Mo( CC CC6F5)(CO)(2)Tp* (5), Co-3(mu 3-CC CC6F5)(mu-dppm)(CO)(7) (6) and FcC CC CC6F5 (7), respectively. The diruthenium complexes 1,4-{Cp'(PP)RuC C}(2)C6F4 [(PP)Cp'=(PPh3)(2)Cp (8); (dppe)Cp (9); (dppe)Cp* (10)] are prepared from 1,4-(Me3SiC C)(2)C6F4 in a manner similar to that described for the monoruthenium complexes 1-3. The non-fluorinated complexes 1,4-{Cp'(PP)RuC C}(2)C6H4 [(PP)Cp' = (PPh3)(2)Cp (11); ( dppe) Cp (12); ( dppe) Cp* (13)], prepared for comparison, are obtained from 1,4-(Me3SiC C)(2)C6H4. Spectro-electrochemical studies of the ruthenium aryl and arylene alkynyl complexes 2-3 and 8-13, together with DFT-based computational studies on suitable model systems, indicate that perfluorination of the aromatic ring has little effect on the electronic structures of these compounds, and that the frontier orbitals have appreciable diethynylphenylene character. Molecular structure determinations are reported for the fluoroaromatic complexes 1, 2, 3, 6 and 10.

Approaches to the synthesis of 3-fluoroshikimic acids

Exploitation of the dual dehydrating and fluorodeoxygenating properties of the dialkylaminosulfurtrifluorides has allowed access to the C3-fluorinated analogues of (-)-shikimic acid. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Micelle-hosted palladium nanoparticles catalyze citral molecule hydrogenation in supercritical carbon dioxide

A new approach of employing metal particles in micelles for the hydrogenation of organic molecules in the presence of fluorinated surfactant and water in supercritical carbon dioxide has very recently been introduced. This is allegedly to deliver many advantages for carrying out catalysis including the use of supercritical carbon dioxide (scCO(2)) as a greener solvent. Following this preliminary account, the present work aims to provide direct visual evidence on the formation of metal microemulsions and to investigate whether metal located in the soft micellar assemblies could affect reaction selectivity. Synthesis of Pd nanoparticles in perfluorohydrocarboxylate anionic micelles in scCO(2) is therefore carried out in a stainless steel batch reactor at 40 degreesC and in a 150 bar CO2/H-2 mixture. Homogeneous dispersion of the microemulsion containing Pd nanoparticles in scCO(2) is observed through a sapphire window reactor at W-0 ratios (molar water-to-surfactant ratios) ranging from 2 to 30. It is also evidenced that the use of micelle assemblies as new metal catalyst nanocarriers could indeed exert a great influence on product selectivity. The hydrogenation of a citral molecule that contains three reducible groups (aldehyde, double bonds at the 2,3-position and the 6,7-position) is studied. An unusually high selectivity toward citronellal (a high regioselectivity toward the reduction of the 2,3-unsaturation) is observed in supercritical carbon dioxide. On the other hand, when the catalysis is carried out in the conventional liquid or vapor phase over the same reaction time, total hydrogenation of the two double bonds is achieved. It is thought that the high kinetic reluctance for double bond hydrogenation of the citral molecule at the hydrophobic end (the 6,7-position) is due to the unique micelle environment that is in close proximity to the metal surface in supercritical carbon dioxide that guides a head-on attack of the molecule toward the core metal particle.

Partial aerial oxidation of nonpolar alcohols over Teflon-modified noble metal catalysts in supercritical carbon dioxide

We have reported earlier that modification of commercial graphite Pt-supported catalysts with Teflon fluorinated polymeric coating of a very strong hydrophobic nature can significantly improve catalytic activity for aerial oxidation of water-insoluble alcohols such as anthracene methanol in supercritical carbon dioxide (scCO(2)). Thus, this paper presents some further characterization of these new catalyst materials and the working fluid phase during the catalysis. Using the same Teflon-modified metal catalysts, this paper addresses the oxidation of another water-insoluble alcohol molecule, m-hydrobenzoin in scCO(2). It is found that conversion and product distribution of this diol oxidation critically depend on the temperature and pressure of the scCO(2) used, which suggest the remarkable solvent properties of the scCO(2) under these unconventional oxidation conditions. (C) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

Selective catalytic oxidation of alkylaromatic molecules by nanosize water droplets containing Co2+ species in supercritical carbon dioxide fluid

Stabilized nano-sized water droplet carrying water-soluble Co2+ species is employed as a new catalyst system for the oxidation of the alkyl aromatics in the presence of a fluorinated surfactant. This stable system contains no labile C-H structure and can facilitate excellent mixing of catalytic Co(II)/NaBr species, hydrocarbon substrates and oxygen in supercritical carbon dioxide fluid, which is demonstrated to be an excellent alternative solvent system to acetic acid or nitric acid for air oxidation of a number of alkyl aromatic hydrocarbons using Co(II) species at mild conditions. As a result, potential advantages of this 'greener' catalytic method including safer operation, easier separation and purification, higher catalytic activity with selectivity and without using corrosive or oxidation unstable solvent are therefore envisaged.

Synthesis of well-dispersed nanoparticles within porous solid structures using surface-tethered surfactants in supercritical CO2

We have developed a new method for the synthesis of Pd nanoparticles with controllable sizes within a silica matrix using solid-supported surfactants in supercritical CO2. XRD, HRTEM and CO chemisorption data show that unformly sized Pd nanoparticles are evenly distributed within the porous silica and are chemically tethered by surfactant molecules [poly(oxyethylene stearyl ether) and fluorinated poly(oxyethylene)]. It is postulated that tiny solid-supported surfactant assemblies act as nano-reactors for the template synthesis of nanoparticles or clusters from the soluble precursors therein.

A simple device for multiplex ELISA made from melt-extruded plastic microcapillary film

We present a simple device for multiplex quantitative enzyme-linked immunosorbant assays (ELISA) made from a novel melt-extruded microcapillary film (MCF) containing a parallel array of 200µm capillaries along its length. To make ELISA devices different protein antigens or antibodies were immobilised inside individual microcapillaries within long reels of MCF extruded from fluorinated ethylene propylene (FEP). Short pieces of coated film were cut and interfaced with a pipette, allowing sequential uptake of samples and detection solutions into all capillaries from a reagent well. As well as being simple to produce, these FEP MCF devices have excellent light transmittance allowing direct optical interrogation of the capillaries for simple signal quantification. Proof of concept experiments demonstrate both quantitative and multiplex assays in FEP MCF devices using a standard direct ELISA procedure and read using a flatbed scanner. This new multiplex immunoassay platform should find applications ranging from lab detection to point-of-care and field diagnostics.

A multi-level analytical approach for detection and visualization of intracellular NO production and nitrosation events using diaminofluoresceins

Diaminofluoresceins are widely used probes for detection and intracellular localization of NO formation in cultured/isolated cells and intact tissues. The fluorinated derivative, 4-amino-5-methylamino-2′,7′-difluorofluorescein (DAF-FM), has gained increasing popularity in recent years due to its improved NO-sensitivity, pH-stability, and resistance to photo-bleaching compared to the first-generation compound, DAF-2. Detection of NO production by either reagent relies on conversion of the parent compound into a fluorescent triazole, DAF-FM-T and DAF-2-T, respectively. While this reaction is specific for NO and/or reactive nitrosating species, it is also affected by the presence of oxidants/antioxidants. Moreover, the reaction with other molecules can lead to the formation of fluorescent products other than the expected triazole. Thus additional controls and structural confirmation of the reaction products are essential. Using human red blood cells as an exemplary cellular system we here describe robust protocols for the analysis of intracellular DAF-FM-T formation using an array of fluorescence-based methods (laser-scanning fluorescence microscopy, flow cytometry and fluorimetry) and analytical separation techniques (reversed-phase HPLC and LC-MS/MS). When used in combination, these assays afford unequivocal identification of the fluorescent signal as being derived from NO and are applicable to most other cellular systems without or with only minor modifications.

Fibrinogen stability under surfactant interaction

Differential scanning calorimetry (DSC), circular dichroism (CD), difference spectroscopy (UV-vis), Raman spectroscopy, and small-angle X-ray scattering (SAXS) measurements have been performed in the present work to provide a quantitatively comprehensive physicochemical description of the complexation between bovine fibrinogen and the sodium perfluorooctanoate, sodium octanoate, and sodium dodecanoate in glycine buffer (pH 8.5). It has been found that sodium octanoate and dodecanoate act as fibrinogen destabilizer. Meanwhile, sodium perfluorooctanoate acts as a structure stabilizer at low molar concentration and as a destabilizer at high molar concentration. Fibrinogen`s secondary structure is affected by all three studied surfactants (decrease in alpha-helix and an increase in beta-sheet content) to a different extent. DSC and UV-vis revealed the existence of intermediate states in the thermal unfolding process of fibrinogen. In addition, SAXS data analysis showed that pure fibrinogen adopts a paired-dimer structure in solution. Such a structure is unaltered by sodium octanoate and perfluoroctanoate. However, interaction of sodium dodecanoate with the fibrinogen affects the protein conformation leading to a complex formation. Taken together, all results evidence that both surfactant hydrophobicity and tail length mediate the fibrinogen stability upon interaction. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Group IV Graphene- and Graphane-Like Nanosheets

We performed a first-principles investigation on the structural and electronic properties of group IV (C, SiC, Si, Ge, and Sn) graphene-like sheets in flat and buckled configurations and the respective hydrogenated or fluorinated graphane-like ones. The analysis on the energetics, associated with the formation of those structures, showed that fluorinated graphane-like sheets are very stable and should be easily synthesized in the laboratory. We also studied the changes of the properties of the graphene-like sheets as a result of hydrogenation or fluorination. The interatomic distances in those graphane-like sheets are consistent with the respective crystalline ones, a property that may facilitate integration of those sheets within three-dimensional nanodevices.

Electrical properties of polymer/metal interface in polymer light-emitting devices: electron injection barrier suppression

The electrical characterization of a high efficient multilayer polymer light emitting diode using poly[(2-methoxy-5-hexyloxy)-p-phenylenevinylene] as the emissive layer and an anionic fluorinated surfactant as the electron transport layer was performed. For the sake of comparison, a conventional single layer device was fabricated. The density current vs. voltage measurements revealed that the conventional device has a higher threshold voltage and lower current compared to the surfactant modified device. The effective barrier height for electron injection was suppressed. The influence of the interfaces and bulk contributions to the dc and high frequencies conductivities of the devices was also discussed. (c) 2006 Springer Science + Business Media, Inc.

Controlled fluorination of a-C:F:H films by PECVD of ethylene-hexafluorobenzene mixtures

Highly fluorinated plasma polymers are chemically inert,acid resistant and have low friction coefficients, thereby being useful in chemical laboratories and for tribological applications. Here we report the plasma polymerization of ethylene-hexafluorobenzene mixtures by PECVD. The principal parameter of interest is the proportion of C(6)F(6) in the feed, R(F). Films were analyzed using near-normal and grazing-angle Infrared Reflection Absorption Spectroscopy (IRRAS), the latter being particularly useful for detecting modes not usually observed at near-normal incidence. The presence of CH and CF(x) (x=1 to 2) groups was thus confirmed in films deposited with R(F)>= 40%. Depending on R(F) IRRAS also revealed the presence of -CH(x) (x=1 to 3) -C=C, -C=O and phenyl rings. Deconvolution of C is spectra obtained by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) confirmed the presence of CH, CF and CF(2) groups in films deposited with R(F)>= 40%. Atomic ratios of F:C calculated from the XPS spectral data show that the degree of fluorination rises with increasing RF Some unbound fluorine is present in the films. Post-deposition reactions account for the presence of oxygen (similar to 5%) in the films. Surface energies, determined from contact angle measurements, fall with increasing R(F). (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.