Fighting bacteria. Synthesis and study of Polymyxin derivates to improve their therapeutic properties

Abstract

[eng] Multidrug resistant bacteria have grown to be a significant medical concern as a result of decades of excessive antibiotic usage and overuse in human medicine, agriculture, and the animal industry. In this context, there is a pressing need for the development of new, secure, and potent antimicrobials, especially against Gram-negative bacteria. A United Nations report estimates that infections caused by antimicrobial resistance already cause at least 700,000 deaths per year and that this number could rise to 10 million deaths per year by 2050 if no action is taken. Polymyxins are cationic lipopeptides naturally produced by Gram-positive bacteria Paenibacillus polymyxa which are very selective against Gram-negative bacteria. Polymyxins were discovered in the 1940s and used for around 20 years, until its administration was interrupted in the 1970s due to the nephrotoxicity and neurotoxicity that patients experienced after intravenous administration. Despite this, the increase of resistance to antibiotics forced the restoration of polymyxin use as a last line-therapy against multidrug resistant bacteria. This thesis presents the synthesis and characterization of 18 novel polymyxin-based peptides using solid phase synthesis, including a scope to determine the best conditions to perform a scale-up. These novel peptides have been designed with a redox active disulfide bond within the peptide backbone with the aim of reducing the toxicity of natural polymyxins. Besides this, several modifications were introduced in the sequence, especially in the N-terminal fatty acid, trying to balance activity with reduction of toxicity. Various microbiological and biophysical experiments were used to investigate the biological activity and mode of action of the synthetic peptides and two peptides were selected to perform in vivo tests in mice, providing robust evidence of their potential as therapeutic agents, forming a strong foundation for further research.

[cat] Les bactèries multiresistents als antimicrobians s'han convertit en un greu problema mèdic com a resultat de dècades d'ús excessiu d'antibiòtics i de sobrecàrrega en la medicina humana, l'agricultura i la indústria animal. En aquest context, hi ha una necessitat urgent de desenvolupar antimicrobians nous, segurs i potents, especialment contra les bactèries Gram-negatives. Un informe de les Nacions Unides estima que les infeccions causades per la resistència als antimicrobians ja provoquen almenys 700.000 morts a l'any i que aquesta xifra podria augmentar fins a 10 milions de morts a l'any el 2050 si no s'actua per evitar-ho. Les polimixines són lipopèptids catiònics produïts de forma natural per la bactèria Gram- positives Paenibacillus polymyxa, i son molt selectives contra les bactèries Gram- negatives. Les polimixines es van descobrir a la dècada de 1940 i es van utilitzar durant uns 20 anys, fins que la seva administració es va interrompre a la dècada de 1970 a causa de la nefrotoxicitat i la neurotoxicitat que experimentaven els pacients després de l'administració intravenosa. Malgrat això, l'augment de la resistència als antibiòtics ha obligat a restaurar l'ús de les polimixines com a teràpia d’última línia contra els bacteris multiresistents als antimicrobians. Aquesta tesi presenta la síntesi i caracterització de 18 nous pèptids basats en polimixines utilitzant la síntesi en fase sòlida, incloent l'estudi de les millors condicions per dur a terme un escalat. Aquests nous pèptids s’han dissenyat amb un enllaç disulfur en el seu esquelet peptídic amb l’objectiu de reduir la toxicitat de les polimixines naturals. A més, s’han introduït diverses modificacions en la seqüència, especialment l'extrem N-terminal intentant mantenir l’equilibri entre l’activitat i la toxicitat. S’han realitzat diversos experiments microbiològics i biofísics per investigar l'activitat biològica i el mode d'acció dels pèptids sintetitzats. Dos pèptids van ser seleccionats per realitzar proves in vivo en ratolins, proporcionant una evidència robusta del seu potencial com a agents terapèutics, establint una base sòlida per a futures investigacions.