Development of Pathoblockers by Targeting Secreted Bacterial Proteases

Abstract

The alarming rise of antibiotic resistant pathogens poses a serious threat to public health and urgently necessitates the development of new antibiotics. In order to reduce the selection pressure on bacteria, this study aims at the development of ‘pathoblockers’ which target bacterial virulence instead of killing the pathogens. In this context, secreted bacterial collagenases represent highly attractive targets because of their pivotal roles in the infection process and their advantageous extracellular localization. In this thesis, the development of inhibitors of ColH from Clostridium histolyticum and LasB from Pseudomonas aeruginosa is described. A class of N-aryl mercaptoacetamides displays promising activity on both targets, with distinct differences in structure-activity relationships and the binding mode to the respective protease. Synthetic efforts further led to the development of a hydroxamate derivative of the lead LasB inhibitor. The inhibitors described herein share a high selectivity toward mammalian matrix metalloproteases, which was rationalized by combining the information obtained from the co-crystal structures with computational approaches. Further biological assays shed light on the impact of LasB inhibition on key resistance mechanisms of P. aeruginosa and demonstrate in vivo efficacy in a Galleria mellonella infection model.

Der alarmierende Anstieg von Antibiotika-resistenten Bakterien stellt eine ernstzunehmende Bedrohung für die menschliche Gesundheit dar. Aus diesem Grund ist Entwicklung neuer Antibiotika dringend notwendig. Um den Selektionsdruck auf Bakterien zu reduzieren, hat diese Arbeit zum Ziel, „Pathoblocker“ zu entwickeln, welche die bakterielle Virulenz hemmen anstatt die Pathogene zu töten. In diesem Kontext stellen sezernierte bakterielle Kollagenasen sehr attraktive Targets dar, da sie eine zentrale Rolle im Infektionsprozess spielen und den Vorteil mit sich bringen, dass die bakterielle Zellwand nicht überwunden werden muss. In dieser Dissertation ist die Entwicklung von Inhibitoren der Enzyme ColH aus Clostridium histolyticum und LasB aus Pseudomonas aeruginosa beschrieben. Eine Klasse von N-Arylmercaptoacetamiden zeigt vielversprechende Aktivität an beiden Targets, allerdings mit klaren Unterschieden in den Struktur-Wirkungs-Beziehungen und im Bindungsmodus. Über chemische Synthese wurde weiterhin ein Hydroxamsäure-Derivat des besten LasB-Inhibitors entwickelt. Die hier beschriebenen Inhibitoren haben eine hohe Selektivität gegenüber humanen Matrix-Metalloproteasen gemein, die über die Kristallstrukturen und Computer-basierte Methoden rational erklärt werden konnte. Weitere biologische Assays beleuchten die Auswirkung der LasB-Hemmung auf zentrale Resistenzmechanismen von P. aeruginosa und zeigen in vivo-Effekte in einem Galleria mellonella-Infektionsmodell.