Convergent medicinal chemistry approaches against susceptible and resistant mycobacterial infections

Abstract

Mycobacterial infections are a group of multisystem diseases caused by the organisms of the family Mycobacteriaceae, such as Mycobacterium tuberculosis complex, Mycobacterium leprae and Nontuberculous mycobacteria (NTM). Among those, tuberculosis remains one of the top 10 causes of death worldwide and the increasing emergence of resistance further worsen an already threatening scenario. In spite of this, first-line drugs used for susceptible TB were developed more than half a century ago, and most of the clinical studies defining their optimal combination were completed in the 1970s, highlighting a cogent need for pursuing innovative drug discovery programs. Although the development of drugs targeting novel biochemical pathways remains a valuable approach it is incomplete and the lack of innovation in the discovery approach and/or in the combination of the therapeutic cocktail makes quite predictable the onset of resistance also for the newly marketed drugs. Recently, interest of researchers has been caught by the potential use of adjuvant molecules, which are non-bactericidal agents able to boost the effect of antibacterials by targeting virulence factors or helping the immune system in clearing the infection. Among the adjuvants, those inhibiting the efflux pumps have shown promising results both in vivo and in vitro. In this work, three convergent approaches were considered to provide novel therapeutic options for the treatment of TB. From one hand, starting from promising hit compounds, a hit-to-lead optimization study was successfully carried out defining a panel of structure-activity relationships and structure-metabolism relationships useful for further development. On the other hand, attempts to synthesize potent and not cytotoxic mycobacterial efflux pump inhibitors were made through a ligand-based drug design approach starting from an in-house hit. Finally, the possibility to exploit protein degradation as a target for therapeutic intervention was evaluated through the synthesis of small-peptide inhibitors of Pup/PafA interaction.

Le infezioni micobatteriche sono un gruppo di patologie causate da batteri della famiglia Mycobacteriaceae, a cui appartengono i batteri del Mycobacterium tuberculosis complex, Mycobacterium leprae e i batteri non tubercolari. Tra esse la tubercolosi rimane tra le prime 10 cause di morte nel mondo ed i dati riguardanti il crescente emergere delle resistenze rendono il quadro ancora più preoccupante. Nonostante ciò, i farmaci di prima linea, usati nel trattamento delle infezioni da ceppi suscettibili, sono stati sviluppati più di 50 anni fa e molti degli studi finalizzati a definire il loro dosaggio ottimale sono stati completati negli anni 70, evidenziando un urgente bisogno di innovativi programmi di “drug discovery”. Nonostante lo sviluppo di farmaci attivi nei confronti di nuovi bersagli cellulari rimanga un valido approccio, esso risulta quantomeno incompleto, e la mancanza di innovazione nelle strategie di ricerca di nuovi farmaci oltre che nella loro combinazione terapeutica, rende prevedibile l’insorgenza di resistenze anche per i farmaci recentemente sviluppati. Negli ultimi anni, si è assistito ad un crescente interesse scientifico rivolto ad indagare l’uso di molecole adiuvanti, le quali non hanno attività battericida intrinseca, ma sono capaci di incrementare gli effetti dei comuni antitubercolari andando a colpire bersagli batterici non essenziali, ad es. i fattori di virulenza, oppure favorendo l’eliminazione del batterio da parte del sistema immunitario dell’ospite. Tra le molecole adiuvanti, gli inibitori delle pompe di efflusso hanno mostrato risultati promettenti sia in vivo che in vitro. In questo lavoro di tesi sono stati esplorati tre approcci complementari con lo scopo di investigare nuove potenziali opzioni terapeutiche per il trattamento della tubercolosi. Da un lato, partendo la un promettente “hit compound”, è stato condotto uno studio di ottimizzazione definendo le relazioni struttura-attività e struttura-metabolismo. Dall’altro lato lato, partendo da un composto con promettente attività ma sconveniente citotossicità, è stato individuato un derivato dal profilo citotossico decisamente migliorato. Infine, attraverso la sintesi di peptidi inibitori dell’interazione Pup/PafA, è stata indagata la possibilità di sfruttare i meccanismi di degradazione proteica come target terapeutico.