Modeling the Gram-negative bacterial cell envelope: a new approach for permeability investigations of anti-infectives

Abstract

Antibiotics have to permeate across or into the bacterial cell envelope in order to reach their target sites. The Gram-negative bacterial cell envelope however works as a formidable barrier, often limiting sufficient antibiotic drug levels. An in-depth understanding of anti-infective permeation processes into or across the envelope (structure-permeability relationships) would therefore be of considerable interest allowing for complementary information to established efficacy testing (structure-activity relationships), together facilitating a more rational and optimized drug design process. While currently available approaches do provide insight into permeation processes, they demonstrate several shortcomings such as a non-representative composition or the inability to provide quantitative permeation data. Hence, a divisible model of the Gram-negative bacterial cell envelope, specifically designed to yield quantitative kinetically- and spatially-resolved permeation data was developed. A step by step approach was adopted, modeling each component of the tripartite structure individually followed by a final combination step. Permeability investigations showed model predictability for bacterial uptake as well as the advantage of in-depth characterization of permeation processes, enabling assessment of in bacterio activity on the basis of degree of passive compound permeability. Hence, the overall envelope model constitutes a valuable tool for the development of novel antibiotics.

Antibiotika müssen in die bakterielle Zellwand gelangen bzw. diese passieren um ihren Wirkort zu erreichen. Gerade die Zellwand gramnegativer Bakterien weist in diesem Zusammenhang eine ausgeprägte Barrierefunktion auf, welche hinreichende antibiotische Substanzspiegel stark limitiert. Ein tiefergehendes Verständnis derartiger Permeationsprozesse (Struktur-Permeations-Beziehung) wäre daher von großem Interesse. Diese Informationen würden zusammen mit etablierten Effektivitätsuntersuchungen (Struktur-Aktivitäts-Beziehung) einen optimierten Wirkstoffentwicklungsprozess ermöglichen. Existierende, bakterielle Modelle ermöglichen bereits einen Einblick in Permeationsvorgänge, jedoch sehen sich diese mit diversen Unzulänglichkeiten konfrontiert. So weisen die meisten eine nicht repräsentative Zusammensetzung auf und ermöglichen es in den meisten Fällen nicht, quantitative Permeationsdaten zu generieren. Daher wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit ein Modell der gramnegativen bakteriellen Zellwand entwickelt, welches speziell entworfen wurde um quantitative, kinetische sowie räumlich aufgelöste Permeationsdaten zu erhalten. Durchgeführte Permeabilitätsstudien zeigten die Vorhersagekraft des entwickelten Models für die Substanzaufnahme in Bakterien, sowie die Möglichkeit die Aktivität von antibiotisch wirksamen Substanzen auf der Basis ihrer Modellpermeabilität vorherzusagen. Das entwickelte Modell stellt daher ein interessantes Instrument für die Entwicklung neuer Antibiotika dar.