Discovery and optimization of the first PqsR antagonists as anti-virulence agents combating Pseudomonas aeruginosa infections

Abstract

Antibiotic resistance is emerging as a tremendous medical burden worldwide. The mode of action of antibiotics is based on killing or growth inhibition, thus leading to an inevitable selection of resistant strains. The predicament obliges human beings to explore novel therapeutic concepts. Quorum sensing (QS) communication system stringently regulates the bacterial pathogenicity without affecting viability making QS an ideal target for development of new anti-infectives being less prone to resistance (QS inhibitors, QSIs). For P. aeruginosa, we started to develop QSIs blocking its crucial QS receptor PqsR, and discovered the first PqsR antagonist I-20/II-1 by modification of the natural agonist HHQ. However, the antagonist suffered from ineffectiveness in P. aerugnosa due to an unexpected functional inversion mediated by a bacterial enzyme. Overcoming the undesired biotransformation resulted in the most potent anti-infective PqsR antagonist discovered so far (II-3) that fully protects Galleria mellonella from P. aeruginosa infections at a low nanomolar concentration, thus providing the first proof-of-concept for PqsR as a therapeutic target. To improve the druglikeness, the compounds were further optimized, and a second promising compound III-16 with enhanced solubility was identified. Overall, this work describes the discovery of inhibitors for a novel anti-infective target, a rational procedure for rescuing ineffective compounds, and a reasonable process to improve drug-like properties. This research may illuminate a promising avenue for combating antibiotic-resistant P. aeruginosa infections.

Antibiotikaresistenz stellt weltweit eine enorme medizinische Herausforderung dar. Da Antibiotika durch Abtötung der Krankheitserreger oder Hemmung des Zellwachstums wirken, kommt es unvermeidlich zur Selektion von resistenten Bakterienstämmen. Deswegen ist die Forschung gezwungen, neue therapeutische Konzepte zu entwickeln. Das Quorum Sensing (QS) Kommunikationssystem reguliert die Pathogenität der Bakterien ohne ihre Lebensfähigkeit zu beeinflussen. Deshalb wird QS als ein ideales Target angesehen, um neue anti-infektive Wirkstoffe (QS Inhibitoren, QSIs) zu entwickeln, die eine deutlich geringere Resistenzbildungsrate besitzen sollten. Für P. aeruginosa haben wir begonnen QSIs gegen den wichtigen QS Rezeptor PqsR zu entwickeln. Die ersten PqsR Antagonisten (z.B. I-20/II-1) wurden durch Modifikation des natürlichen Agonisten HHQ erhalten. Der aktivste Antagonist war in P. aeruginosa wenig wirksam,was auf eine unerwartete Umkehr der Funktionalität der Substanz zurückgeführt werden konnte. Schutz vor der ungewollten Biotransformation durch chemische Modifikation führte zu dem aktivsten anti-infektiven Wirkstoff (II-3) innerhalb dieser Arbeit. Bei einer Konzentration von nur 22 nM konnte II-3 Galleria Mellonella vollständig vor P. aeruginosa Infektion schützen. Somit haben wir das erste Proof-of-Concept für die Relevanz von PqsR als therapeutisches Target geliefert. Zur Verbesserung der Druglikeness wurden die Verbindungen weiter optimiert. Dabei wurde eine weitere vielversprechende Verbindung III-16 mit verbesserter Löslichkeit identifiziert. Zusammenfassend beschreibt die vorliegende Arbeit die Identifizierung von Inhibitoren eines neuen anti-infektiven Targets, die Rettung inaktiver Substanzen durch eine rationale Strategie, sowie ein Verfahren zur Verbesserung der physicochemischen Wirkstoffeigenschaften. Sie zeigt einen möglichen Weg auf, um zukünftig Antibiotika-resistente Infektionen mit P. aeruginosa zu bekämpfen.