Application of fragment-based methods for the development of Pseudomonas aeruginosa anti-virulence compounds

Abstract

Pseudomonas aeruginosa is the cause of nosocomial infections and recurrent pneumonia in cystic fibrosis patients. Antibiotic treatment becomes increasingly difficult due to the spreading of multi-drug resistant strains and its ability to grow in a biofilm. The virulence of this pathogen is mainly controlled by quorum sensing (QS) systems. This process enables bacteria to coordinate the expression of virulence factors and biofilm formation as a function of cell density. For this purpose, P. aeruginosa utilize among others the pqs (Pseudomonas Quinolone Signal) system. In this study anti-virulence agents were developed interfering with the pqs system. During a fragment-based drug discovery campaign antagonists of the Pseudomonas Quinolone Signal Receptor (PqsR) were synthesized. Based on hits identified in a surface plasmon resonance (SPR) screening, novel lead structures were generated. This development process involved selective synthetic modifications of the hit structures and structure-based design methods. Fragments were successfully merged with moieties of an alternative compound class. The optimized structures displayed potent reduction of virulence factors and signaling molecules in P. aeruginosa. During another fragment screening the first synthetic PqsE ligands were identified. The binding mode of these fragments was elucidated. Furthermore, it was shown that the inhibition of the enzymatic activity did not translate into an effect on its virulence regulatory role.

Pseudomonas aeruginsa ist ein Erreger nosokomialer Infektionen sowie von Pneumonien bei Patienten mit zystischer Fibrose. Die Antibiotikatherapie wird durch das vermehrte Auftreten von multiresistenten Stämmen und die Ausbildung von Biofilmen erschwert. Die Virulenz des Erregers wird hauptsächlich durch Quorum Sensing reguliert. Dies ermöglicht es dem Bakterium die Bildung von Virulenzfaktoren und Biofilmen in Abhängigkeit von der Zelldichte zu koordinieren. P. aeruginosa nutzt hierfür unter anderem das pqs (Pseudomonas Quinolone Signal) System. In dieser Arbeit wurden Substanzen entwickelt, die in dieses System eingreifen. Zunächst wurden in einem Fragment-basiertem Ansatz PqsR Antagonisten synthetisiert. Ausgehend von Fragmenten, die einem Surface Plasmon Resonance (SPR) Screening gefunden wurden, konnten neue Leitstrukturen generiert werden. Dies gelang durch gezielte synthetische Modifikation der Ausgangsverbindungen und dem Einsatz Struktur-basierter Methoden. Weiterhin konnten Fragmente mit Motiven aus einer anderen Strukturklasse erfolgreich kombiniert werden. Die optimierten Strukturen zeigten eine potente Absenkung der Virulenz und der Produktion von Signalmolekülen in P. aeruginosa. In einem weiteren Fragment Screening wurden die ersten synthetischen PqsE Liganden identifiziert und ihr Bindungsmodus aufgeklärt. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass eine Inhibition der enzymatischen Funktion keinen Einfluss auf die Virulenz Regulation durch PqsE hat.