Synthetisches Antibiotikum könnte gegen Medikamente wirksam sein

Die jahrzehntelange Arbeit einer Reihe von Duke-Ermittlern bringt neue Medikamente, Patente und ein Startup-Unternehmen hervor

DURHAM, NC – Eine jahrzehntelange wissenschaftliche Reise an der Duke University hat eine neue Antibiotika-Strategie gefunden, um gramnegative Bakterien wie Salmonellen, Pseudomonas und E. coli, die Verursacher vieler Harnwegsinfektionen (HWI), zu bekämpfen. Das synthetische Molekül wirkt schnell und ist im Tierversuch langlebig.

Es beeinträchtigt die Fähigkeit eines Bakteriums, seine äußere Lipidschicht, sozusagen seine Haut, zu bilden.

„Wenn man die Synthese der bakteriellen Außenmembran stört, können die Bakterien ohne sie nicht überleben“, sagte der leitende Forscher Pei Zhou, Professor für Biochemie an der Duke School of Medicine. „Unsere Verbindung ist sehr gut und sehr wirksam.“

Die Verbindung mit der Bezeichnung LPC-233 ist ein kleines Molekül, das sich als wirksam bei der Zerstörung der Lipidbiosynthese der äußeren Membran in jedem gramnegativen Bakterium erwiesen hat, gegen das es getestet wurde. Co-Autoren an der Universität Lille in Frankreich testeten es gegen eine Sammlung von 285 Bakterienstämmen, darunter einige, die gegen kommerzielle Antibiotika stark resistent waren, und es tötete sie alle.

Und es funktioniert schnell. „LPC-233 kann die Lebensfähigkeit von Bakterien innerhalb von vier Stunden um das 100.000-fache reduzieren“, sagte Zhou.

Die Verbindung ist auch hartnäckig genug, um nach oraler Verabreichung bis in die Harnwege zu überleben, was sie zu einem wichtigen Mittel gegen hartnäckige Harnwegsinfektionen (HWI) machen kann.

Tests, die mit hohen Konzentrationen der Verbindung durchgeführt wurden, zeigten „äußerst niedrige Raten spontaner Resistenzmutationen bei diesen Bakterien“, heißt es in einem Artikel, der die Ergebnisse beschreibt und am 9. August in Science Translational Medicine erscheint.

In Tierversuchen war die Verbindung erfolgreich, wenn sie oral und intravenös verabreicht oder in den Bauch injiziert wurde. In einem Experiment wurden Mäuse, denen eine tödliche Dosis multiresistenter Bakterien verabreicht worden war, durch die neue Verbindung gerettet.

Die Suche nach dieser Verbindung dauerte aufgrund der für das synthetische Molekül erforderlichen Spezifität und Sicherheit Jahrzehnte.

Zhou schreibt seinem verstorbenen Kollegen, dem ehemaligen Duke-Biochemie-Lehrstuhl Christian Raetz, zu, dass er mit der Suche vor Jahrzehnten begonnen hat. „Er hat seine gesamte Karriere damit verbracht, an diesem Weg zu arbeiten“, sagte Zhou. "DR. Raetz schlug in den 1980er Jahren einen konzeptionellen Entwurf für diesen Weg vor und brauchte über zwei Jahrzehnte, um alle Akteure zu identifizieren“, sagte Zhou.

Das Ziel des neuen Medikaments ist ein Enzym namens LpxC, das das zweite Enzym im „Raetz-Weg“ ist und für die Bildung des Lipids der äußeren Membran in gramnegativen Bakterien unerlässlich ist.

Raetz kam 1993 als Vorsitzender der Biochemie zu Duke, nachdem seine Arbeit an diesem Weg bei Merck & Co. keinen erfolgreichen klinischen Kandidaten hervorgebracht hatte. Das Antibiotikum von Merck wirkte, allerdings nur gegen E. coli, daher war es kommerziell nicht rentabel und der Pharmakonzern ließ es fallen.

„Er hat mich tatsächlich zu Duke rekrutiert, um an diesem Enzym zu arbeiten, zunächst nur aus der Perspektive der Strukturbiologie“, sagte Zhou, der 2001 zu Duke kam.

Zhou und Raetz hatten die Struktur des LpxC-Enzyms aufgeklärt und molekulare Details einiger potenzieller Inhibitoren enthüllt. „Wir erkannten, dass wir die Mischung optimieren konnten, um sie zu verbessern“, sagte Zhou. Seitdem arbeitet Zhou mit seinem Kollegen, dem Duke-Chemieprofessor Eric Toone, an der Entwicklung wirksamerer LpxC-Inhibitoren.

Der erste Versuch am Menschen mit LpxC-Inhibitoren war wegen kardiovaskulärer Toxizität gescheitert. Der Schwerpunkt der anschließenden Arbeit der Duke-Gruppe lag auf der Vermeidung kardiovaskulärer Auswirkungen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Wirksamkeit der Verbindung.

Sie arbeiteten an mehr als 200 verschiedenen Versionen des Enzymhemmers und waren stets auf der Suche nach mehr Sicherheit und höherer Wirksamkeit. Andere Verbindungen wirkten in unterschiedlichem Maße, aber Verbindung Nr. 233 war der Gewinner.

LPC-233 setzt eine Bindungsstelle auf das LpxC-Enzym und verhindert, dass es seine Arbeit verrichtet. „Es passt genau, um die Bildung des Lipids zu hemmen“, sagte Zhou. „Wir blockieren das System.“

Um die Haltbarkeit zu erhöhen, funktioniert die Verbindung durch einen bemerkenswerten zweistufigen Prozess, sagte Zhou. Nach der anfänglichen Bindung an LpxC verändert der Enzym-Inhibitor-Komplex seine Form etwas und wird zu einem noch stabileren Komplex.

Die Lebensdauer der Inhibitorbindung in diesem stabileren Komplex ist länger als die Lebensdauer der Bakterien. „Wir glauben, dass dies zur Wirksamkeit beiträgt, da es eine semipermanente Wirkung auf das Enzym hat“, sagte er. „Selbst nachdem das ungebundene Medikament vom Körper verstoffwechselt wurde, wird das Enzym aufgrund des extrem langsamen Dissoziationsprozesses des Inhibitors immer noch gehemmt“, sagte Zhou.

Für die Reihe von Verbindungen werden mehrere Patente angemeldet, und Toone und Zhou haben ein Unternehmen namens Valanbio Therapeutics, Inc. gegründet, das nach Partnern sucht, um LPC-233 durch klinische Phase-1-Studien zu bringen, um die Sicherheit und Wirksamkeit zu bewerten Menschen.

„Alle diese Studien wurden an Tieren durchgeführt“, sagte Zhou. „Letztendlich muss die kardiovaskuläre Sicherheit am Menschen getestet werden.“

Die groß angelegte Synthese von LPC-233 wurde erstmals von David Gooden an der Duke Small Molecule Synthesis Facility durchgeführt. Vance Fowler und Joshua Thaden (Duke School of Medicine), Ziqiang Guan (Biochemie) und Ivan Spasojevic (Duke PK/PD Core) halfen bei In-vivo-Studien, Massenspektrometrie und Pharmakokinetikanalyse.

Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse der National Institutes of Health (R01 GM115355, AI094475, AI152896, AI148366), des North Carolina Biotechnology Center (2016-TEG-1501) und eines National Cancer Institute Comprehensive Cancer Center Core Grant (P30CA014236) unterstützt. ZITAT: „Präklinische Sicherheits- und Wirksamkeitscharakterisierung eines LpxC-Inhibitors gegen gramnegative Krankheitserreger“, Jinshi Zhao, Skyler Cochrane, Javaria Najeeb, David Gooden, Carly Sciandra, Ping Fan, Nadine Lemaitre, Kate Newns, Robert Nicholas, Ziqiang Guan, Joshua Thaden, Vance Fowler, Ivan Spasojevic, Florent Sebbane, Eric Toone, Clayton Duncan, Richard Gammans, Pei Zhou. Science Translational Medicine, 9. August 2023. DOI: 10.1126/science.abq5693