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.

CAMPYLOBACTER EM CAES COM E SEM DIARREIA: INCIDENCIA E SUSCETIBILIDADE A 21 ANTIMICROBIANOS

Two hundred and four stools of 102 diarrheic (0-12 months of age) and 102 non-diarrheic dogs coming from kennel and ambulatory, respectively, were assayed for the presence of Campylobacter. From the diarrhetic group, 46% of the samples yelded positive Campylobacter isolation mainly found in young animals until 5 months of age (72%), whereas those with age ranging from 6-12 months showed either a lower frequence of the organisms (28%) and a trend of the younger animals to be more charged than the older. 47 Campylobacter strains isolated from the diarrheic group were: C. jejuni biotype 1 (49%); C. jejuni biotyp 2 (11%); C. jejuni/coli (19%); C. coli (8,5%); Campylobacter NARTC group (8,5%) and C. sputoruns (4%). In the non-diarrhetic group, 27 (28%) Campylobacter strains were classified as: C. jejuni biotype 1 (34%) and biotype 2 (28%); C. jejuni/coli (24%) and C. coli (14%). According the biochemical tests, the 1% glycine tolerance test was not taking in account for the differentiation of C. jejuni because 45% of the strains failed in showing characteristic and 3 strains did not reduce the sodium selenite. The biochemical studies also showed phenotipical cross reactions between two Campylobacter NARTC-group strains with the C. jejuni strains, as well as two thermophilic species grew also at 25°C. All the 76 isolates were sensitive to gentamicin, nitrofurantoin and neomycin and resistant to oxacillin and penicillin. Furthermore, for the remaining 16 drugs the populational resistance ranged from 8% to 73% of strains. The presence of Campylobacter in dogs as well their close contact which man makes possible the occurrence of infections as also confirm the campylobacteriosis as an important zoonosis.

Designer aminoglycosides prevent cochlear hair cell loss and hearing loss.

Bacterial infections represent a rapidly growing challenge to human health. Aminoglycosides are widely used broad-spectrum antibiotics, but they inflict permanent hearing loss in up to ~50% of patients by causing selective sensory hair cell loss. Here, we hypothesized that reducing aminoglycoside entry into hair cells via mechanotransducer channels would reduce ototoxicity, and therefore we synthesized 9 aminoglycosides with modifications based on biophysical properties of the hair cell mechanotransducer channel and interactions between aminoglycosides and the bacterial ribosome. Compared with the parent aminoglycoside sisomicin, all 9 derivatives displayed no or reduced ototoxicity, with the lead compound N1MS 17 times less ototoxic and with reduced penetration of hair cell mechanotransducer channels in rat cochlear cultures. Both N1MS and sisomicin suppressed growth of E. coli and K. pneumoniae, with N1MS exhibiting superior activity against extended spectrum β lactamase producers, despite diminished activity against P. aeruginosa and S. aureus. Moreover, systemic sisomicin treatment of mice resulted in 75% to 85% hair cell loss and profound hearing loss, whereas N1MS treatment preserved both hair cells and hearing. Finally, in mice with E. coli-infected bladders, systemic N1MS treatment eliminated bacteria from urinary tract tissues and serially collected urine samples, without compromising auditory and kidney functions. Together, our findings establish N1MS as a nonototoxic aminoglycoside and support targeted modification as a promising approach to generating nonototoxic antibiotics.