Производные L-орнитина с гетарильными и алкильными фрагментами в структуре: синтез и антибактериальная активность

Цели. Катионные амфифилы и антимикробные пептидомиметики широко исследуются в качестве антибактериальных средств в связи с их мембрано-активным механизмом действия. Особое внимание уделяется рациональному дизайну данных соединений для достижения высокой антимикробной активности. Целью данной работы является синтез и определение эффективности антибактериального действия бивалентных катионных амфифилов с L-орнитином в качестве разветвителя. Соединения отличаются степенью гидрофобности за счет варьирования N-концевых алифатических аминокислот в полярном блоке и чередованием диалкильного и алкил-гетарильного радикалов в липофильном блоке.
Методы. Для синтеза неполярных фрагментов амфифилов использованы методы алкилирования аминов алкилбромидами в присутствии карбонатных солей. Формирование амидных связей производных L-орнитина с аминокислотами осуществлялось карбодиимидным методом. Для выделения продуктов реакции из реакционной смеси использовалась колоночная хроматография на силикагеле и окиси алюминия II степени активности по Брокману. Определена антимикробная активность синтезированных соединений по отношению к грамположительным B. subtilis 534 и грамотрицательным E. coli М17 штаммов бактерий. Значения минимальной ингибирующей концентрации (МИК) фиксировались с помощью метода серийных микроразбавлений в питательной среде.
Результаты. Разработаны схемы получения бивалентных катионных амфифилов на основе производных L-орнитина. В дизайне целевых соединений использовались различия в структуре алифатических аминокислот (глицин, β-аланин, γ-аминомасляная кислота (ГАМК)), в длине алкильных радикалов (С₈, С₁₂) или в наличии индольного фрагмента. Показана высокая антибактериальная активность синтезированных соединений. Наиболее активными оказались липоаминокислоты с терминальными остатками ГАМК и несимметричным неполярным блоком (триптамил–додециламин). Значения МИК составили 0.39 мкг/мл в отношении грамположительных бактерий и 1.56 мкг/мл для грамотрицательных бактерий. Производное ГАМК с симметричным липофильным фрагментом на основе диоктиламина продемонстрировало активность с МИК 0.78 мкг/мл в отношении B. subtilis и 3.12 мкг/мл в отношении E. coli.
Выводы. Синтезировано девять новых липоаминокислотных катионных бивалентных амфифилов на основе L-орнитина. Структура полученных соединений подтверждена данными спектроскопии ядерного магнитного резонанса ¹Н и масс-спектрометрии. Определены соединения-лидеры по антимикробной активности как по отношению к грамположительным, так и по отношению к грамотрицательным штаммам бактерий. Показано влияние степени липофильности в асимметричном неполярном блоке на уровень проявляемой антимикробной активности.

1. Francine P. Systems Biology: New Insight into Antibiotic Resistance. Microorganisms. 2022;10(12):2362. https://doi.org/10.3390/microorganisms10122362

2. Van Duin D., Paterson D.L. Multidrug-Resistant Bacteria in the Community: An Update. Infect. Dis. Clin. North Am. 2020;34(4):709–722. https://doi.org/10.1016/j.idc.2020.08.002

3. Mayegowda S.B., Ng M., Alghamdi S., Atwah B., Alhindi Z., Islam F. Role of Antimicrobial Drug in the Development of Potential Therapeutics. Evid. Based Complement. Alternat. Med. 2022;2022:2500613. https://doi.org/10.1155/2022/2500613

4. Bakka T.A., Strøm M.B., Andersen J.H., Gautun O.R. Synthesis and antimicrobial evaluation of cationic low molecular weight amphipathic 1, 2, 3-triazoles. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2017;27(5):1119–1123. https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2017.01.092

5. Taubes G. The bacteria fight back. Science. 2008;321(5887): 356–361. https://doi.org/10.1126/science.321.5887.356

6. Bortolotti A., Troiano C., Bobone S., Konai M.M., Ghosh C., Bocchinfuso G., Acharya Y., Santucci V., Bonacorsi S., Di Stefano C., Haldar J., Stella L. Mechanism of lipid bilayer perturbation by bactericidal membrane-active small molecules. Biochim. Biophys. Acta Biomembr. 2023;1865(1):184079. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2022.184079

7. Kristiansson E., Fick J., Janzon A., Grabic R., Rutgersson C., Weijdegård B., Söderström H., Larsson D.G. Pyrosequencing of antibiotic-contaminated river sediments reveals high levels of resistance and gene transfer elements. PLoS One. 2011;6(2):e17038. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0017038

8. Guo Y., Hou E., Wen T., Yan X., Han M., Bai L.P., Fu X., Liu J., Qin S. Development of Membrane-Active Honokiol/ Magnolol Amphiphiles as Potent Antibacterial Agents against Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus (MRSA). J. Med. Chem. 2021;64(17):12903–12916. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.1c01073

9. Schweizer L., Ramirez D., Schweizer F. Effects of Lysine N-ζ-Methylation in Ultrashort Tetrabasic Lipopeptides (UTBLPs) on the Potentiation of Rifampicin, Novobiocin, and Niclosamide in Gram-Negative Bacteria. Antibiotics. 2022;11(3):335. https://doi.org/10.3390/antibiotics11030335

10. Neubauer D., Jaśkiewicz M., Bauer M., Gołacki K., Kamysz W. Ultrashort Cationic Lipopeptides-Effect of N-Terminal Amino Acid and Fatty Acid Type on Antimicrobial Activity and Hemolysis. Molecules. 2020;25(2):257. https://doi.org/10.3390/molecules25020257

11. Dawgul M.A., Greber K.E., Bartoszewska S., Baranska-Rybak W., Sawicki W., Kamysz W. In Vitro Evaluation of Cytotoxicity and Permeation Study on Lysine- and Arginine-Based Lipopeptides with Proven Antimicrobial Activity. Molecules. 2017;22(12):2173. https://doi.org/10.3390/molecules22122173

12. Wang M., Feng X., Gao R., Sang P., Pan X., Wei L., Lu C., Wu C., Cai J. Modular Design of Membrane-Active Antibiotics: From Macromolecular Antimicrobials to Small Scorpionlike Peptidomimetics. J. Med. Chem. 2021;64(14):9894–9905. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.1c00312

13. Rehberg N., Sommer G.A., Drießen D., Kruppa M., Adeniyi E.T., Chen S., Wang L., Wolf K., Tasch B.O.A., Ioerger T.R., Zhu K., Müller T.J.J., Kalscheuer R. Nature-Inspired (di)Azine-Bridged Bisindole Alkaloids with Potent Antibacterial in Vitro and in Vivo Efficacy against Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus. J. Med. Chem. 2020;63(21):12623–12641. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.0c00826

14. Yu H.F., Qin X.J., Ding C.F., Wei X., Yang J., Luo J.R., Liu L., Khan A., Zhang L.C., Xia C.F., Luo X.D. Nepenthe-Like Indole Alkaloids with Antimicrobial Activity from Ervatamia chinensis. Org. Lett. 2018;20(13):4116–4120. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.8b01675

15. Liu J., Li H., He Q., Chen K., Chen Y., Zhong R., Li H., Fang S., Liu S., Lin S. Design, synthesis, and biological evaluation of tetrahydroquinoline amphiphiles as membrane-targeting antimicrobials against pathogenic bacteria and fungi. Eur. J. Med. Chem. 2022;243:114734. https://doi.org/10.1016/j.ejmech.2022.114734

16. Lawrence C.L., Okoh A.O., Vishwapathi V., McKenna S.T., Critchley M.E., Smith R.B. N-alkylated linear heptamethine polyenes as potent non-azole leads against Candida albicans fungal infections. Bioorg. Chem. 2020;102:104070. https://doi.org/10.1016/j.bioorg.2020.104070

17. Whitby L.R., Boyle K.E., Cai L., Yu X., Gochin M., Boger D.L. Discovery of HIV fusion inhibitors targeting gp41 using a comprehensive α-helix mimetic library. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2012;22(8):2861–2865. https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2012.02.062

18. Lee W.G., Gallardo-Macias R., Frey K.M., Spasov K.A., Bollini M., Anderson K.S., Jorgensen W.L. Picomolar inhibitors of HIV reverse transcriptase featuring bicyclic replacement of a cyanovinylphenyl group. J. Am. Chem. Soc. 2013;135(44):16705–16713. https://doi.org/10.1021/ja408917n

19. Pape V.F., Tóth S., Füredi A., Szebényi K., Lovrics A., Szabó P., Wiese M., Szakács G. Design, synthesis and biological evaluation of thiosemicarbazones, hydrazinobenzothiazoles and arylhydrazones as anticancer agents with a potential to overcome multidrug resistance. Eur. J. Med. Chem. 2016;117:335–354. https://doi.org/10.1016/j.ejmech.2016.03.078

20. Özdemir A., Altintop M.D., Turan-Zitouni G., Çiftçi G.A., Ertorun İ., Alataş Ö., Kaplancikli Z.A. Synthesis and evaluation of new indole-based chalcones as potential antiinflammatory agents. Eur. J. Med. Chem. 2015;89:304–309. https://doi.org/10.1016/j.ejmech.2014.10.056

21. Короткин М.Д., Филатова С.М., Дениева З.Г., Буданова У.А., Себякин Ю.Л. Синтез производных аминокислот на основе диэтаноламина с симметричными и асимметричными радикалами в гидрофобном домене с потенциальной антимикробной активностью. Тонкие химические технологии. 2022;17(1):50–64. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2022-17-1-50-64

22. Гусева М.К., Буданова У.А., Себякин Ю.Л. Синтез и оценка антимикробной активности катионных амфифилов на основе бивалентных производных диэтилентриамина. Хим.-фарм. журн. 2022;56(12):30–35. https://doi.org/10.30906/0023-1134-2022-56-12-38-43