Studien zum Wirkungsmechanismus neuer antiinfektiver Bisnaphthalimide gegen Staphylococcus aureus und Transkriptomanalysen zur Auswirkung von Antibiotika auf S. epidermidis

• Main Author: Menzel, Thomas Michael
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: 2011
• Subjects: MRSA; Naphthalinderivate; ddc:570
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/5782; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-56362; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-56362; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/5782/Menzel_Thomas_Dissertation.pdf

Die Therapie von bakteriellen Infektionen beruht heutzutage zum Großteil auf dem Einsatz von Antibiotika. Die schnelle Entwicklung und rasche Verbreitung von resistenten Stämmen mancher Erreger gegen diese Antibiotika stellt ein enormes Problem für das Gesundheitswesen dar. Da momentan zur Antibiotikatherapie keine Alternativen bestehen, kommt der Erforschung neuer potenzieller Wirkstoffe eine sehr große Bedeutung zu. In einem Screening-Verfahren lagen die minimalen Hemmkonzentrationen einiger bisquartärer Bisnaphthalimide gegen Staphylococcus aureus und S. epidermidis im Bereich von 0,6 bis 2,5 µg/ml. Die Substanz mit den geringsten minimalen Hemmkonzentrationen war MT02. Daraufhin wurde das Wirkungsspektrum von MT02 gegen Bakterien detaillierter untersucht und gefunden, dass die Substanz vorwiegend gegen Gram-positive Erreger und nicht gegen Gram-negative Bakterien wirksam ist. Zytotoxizitätstests ergaben eine geringe bis nicht nachweisbare Toxizität gegen verschiedene Zelllinien im Bereich von 73 bis mehr als 150 µg/ml. Um die Wirkungsweise von MT02 genauer zu untersuchen wurden zunächst DNA-Microarray-Untersuchungen an S. aureus durchgeführt. Deren Ergebnisse ließen einen Einfluss der Substanz auf viele Gene des DNA-Metabolismus erkennen. Inkorporationsstudien mittels radioaktiver Ganzzellmarkierung bestätigten die Auswirkung von MT02 auf den DNA-Stoffwechsel. Durch kompetitive Inkubation wurde festgestellt, dass MT02 in der Lage ist Ethidiumbromid von DNA zu verdrängen bzw. dessen Bindung zu verhindern. Genauere Untersuchungen mittels Oberflächen-Plasmon-Resonanz ergaben, dass MT02 konzentrationsabhängig, reversibel und sequenzunspezifisch an DNA bindet. Die thermodynamischen Dissoziationskonstanten lagen im Mittel bei ca. 4 x 10-8 mol/l und beschrieben somit eine relativ starke Bindung von MT02 an DNA. Neben diesem primären Wirkungsmechanismus der DNA-Bindung gaben mehrere Befunde Hinweise auf einen sekundären Wirkmechanismus, der die Zellwand-Struktur bzw. Zellwand-Biosynthese beinhaltet. Eine MT02-resistente Mutante von S. aureus HG001 konnte durch vielfaches Passagieren in MT02-haltigem Medium generiert werden. Diese erzeugte bei Wachstum mit hohen Konzentrationen an MT02 einen roten Phänotyp. Die Natur dieses roten Farbstoffes konnte bislang nicht aufgeklärt werden, jedoch gibt es Hinweise, dass dieser auf Abbauprodukte von MT02 zurückzuführen ist. In einem weiteren Projekt wurde mittels Transkriptionsstudien die Auswirkung von verschiedenen bekannten Antibiotika sowie von neuen Wirkstoffen auf das Transkriptom von S. epidermidis untersucht. Die Ergebnisse dieser Studien können durch vergleichende Analysen als Grundlage für die Einordnung des Wirkmechanismus neuer Substanzen dienen. === The treatment of bacterial infections is nowadays mostly accomplished by the application of antibiotics. However, the rapid development and vast distribution of resistant strains of some pathogens against a variety of antibiotics form an enormous challenge for public health care systems worldwide. As until now there are no applicable alternatives to antibiotic therapy against most pathogens, there is an urgent need for the discovery of new antibacterial substances. Screening several newly synthesized compounds, the minimal inhibitory concentrations of some bisquaternary bisnaphthalimides ranged from 0.6 to 2.5 µg/ml against Staphylococcus aureus and S. epidermidis. Thereof one substance, designated MT02, revealed the lowest minimal inhibitory concentrations of this compound class. Following these susceptibility tests, the antibacterial spectrum of MT02 was determined and revealed a broad spectrum against Gram-positive bacteria but almost no activity against Gram-negative species. In cytotoxicity tests with several cell lines MT02 exhibited low or undetectable toxicity in concentrations ranging from 73 to more than 150 µg/ml. Microarray studies were conducted to further elucidate the mode of action of MT02 against S. aureus. The results suggested that MT02 has an impact on the bacterial DNA-metabolism. To verify this, radioactive whole cell labeling experiments were performed which clearly provided evidence for the inhibition of incorporation of [3H]-thymidine into bacteria by MT02 and thus for an interference of MT02 with DNA-metabolism. Coincubation and gel retardation studies showed that MT02 is able to directly interact with DNA and to displace ethidiumbromide which has intercalated into the DNA before. Surface plasmon resonance experiments pinpointed the binding of MT02 to doublestranded DNA and revealed binding constants in the range of 4 x 10-8 mol/l describing a strong binding affinity of MT02 to DNA. In addition to this primary mode of action, several results suggested a secondary mode of action comprising the structure and / or the biosynthesis of the bacterial cell wall. By passaging S. aureus HG001 in broth with increasing concentrations of MT02, a MT02-resistant mutant could be obtained. This mutant produced a red phenotype when grown with high concentrations of MT02. Studies to determine the nature of this red dye are still in progress. However, first results indicate that the red color is a degradation product of MT02. Another project dealt with the comparative analysis of transcriptomes of S. epidermidis under the influence of antibiotics with known modes of action as well as new active compounds. The results of these studies can be the basis for the assignment of new antibacterial substances to classes of antibiotics with known modes of action.