Novel 2,4-disubstituted pyridine derivatives - synthesis, antimycobacterial activity in vitro, pharmacophore model, molecular targets and mechanism of action against Mycobacterium tuberculosis strains
Nowe 2,4-dipodstawione pochodne pirydyny – synteza, aktywność przeciwprądkowa in vitro, model farmakoforowy, cele molekularne oraz mechanizm działania wobec szczepów Mycobacterium tuberculosis
Project type: Research and development
Keywords: pochodne pirydyny synteza aktywność tuberkulostatyczna analiza SAR struktura krystaliczna farmakofor cel molekularny dokowanie molekularne
Keywords (english): Novel 2 4-disubstituted pyridine derivatives - synthesis antimycobacterial activity in vitro pharmacophore model molecular targets and mechanism of action against Mycobacterium tuberculosis strains
Consortium members: Gdański Uniwersytet Medyczny Politechnika Łódzka (Lodz University of Technology) Instytut Biologii Medycznej PAN -
Project implementation period: 21/02/2018 - 20/08/2022
Funding institution: Narodowe Centrum Nauki
Program name: Opus
Project manager: Marek Główka
Funding value: 1 146 440,00 PLN
Total project value: 1 146 440,00 PLN
Prowadzone przez nas poprzednio prace badawcze udowodniły wysoką aktywność przeciwprątkową pochodnych pirydyny. Niektóre z otrzymanych związków chemicznych wykazały znaczne działanie tuberkulostatyczne wobec szczepu kontrolnego H37Rv M. tuberculosis oraz szczepów klinicznych izolowanych od pacjentów Instytutu Gruźlicy i Chorób Płuc w Warszawie. Niniejszy projekt stanowi kontynuację tego kierunku badawczego. Głównym jego celem jest synteza nowych 2,4-dipodstawionych pochodnych pirydyny zawierających w swojej strukturze fragment tiosemikarbazydowy lub ugrupowanie iminowe. Ugrupowanie nitrylowe występujące w związku wyjściowym cechuje sie znaczną reaktywnością chemiczną. Poddając je działaniu różnych czynników chemicznych można je przekształcać na wiele sposobów. Chcemy to wykorzystać w syntezie nowych pochodnych tego związku. Wszystkie otrzymane substancje zostaną przebadane pod kątem aktywności przeciwprątkowej w Instytucie Gruźlicy i Chorób Płuc w Warszawie. Na tej podstawie dokonana zostanie selekcja najbardziej i najmniej aktywnych związków. Substancje te zostaną następnie scharakteryzowane w Zespole Rentgenografii Strukturalnej i Krystalochemii Politechniki Łódzkiej pod kątem własności fizykochemicznych (rozkład potencjału elektrostatycznego, lipofilowość, pKa) oraz metodami rentgenografii strukturalnej określona zostanie ich budowa przestrzenna w celu określenia czynników struktury odpowiedzialnych za aktywność tuberkulostatyczną. Dla najbardziej aktywnych związków zaplanowano badania genetyczna w Pracowni Genetyki i Fizjologii Mycobacterium Instytutu Biologii Medycznej PAN w Łodzi. Umożliwią one wytypowanie ewentualnych celów molekularnych dla tych związków w komórkach M. tuberculosis i zaproponowanie prawdopodobnego mechanizmu działania przeciwgruźliczego. Ponadto związki te będą także przebadane pod kątem aktywności cytotoksycznej oraz przeciwbakteryjnej wobec innych rodzajów bakterii, celem wykazania ich selektywności wobec rodzaju Mycobacterium. W ramach projektu zaplanowano syntezę ok. 200 nowych substancji chemicznych będących pochodnymi pikolinonitrylu oraz wyselekcjonowanie najbardziej obiecujących jako potencjalne leki przeciwgruźlicze. Gruźlica jest chorobą infekcyjną wywoływaną przez kwasooporne bakterie tlenowe należące do rodziny Mycobacteriaceae. Zajmuje ona wiodące miejsce w raportach o zapadalności oraz śmiertelności populacji światowej. Szacuje się, że w latach 2000-2020 ok. 1 mld osób na świecie zostanie zakażonych, z czego 20% zachoruje na postać aktywną, zaś 4% umrze z jej powodu. Jako przyczyny globalnego zagrożenia prątkiem wymienia się wzrost liczby nowych szczepów wielolekoopornych MDR-TB (ang. multidrug-resistant tuberculosis), pre-XDR-TB (ang. pre-extensively resistant tuberculosis) oraz XDR-TB extensively drugresistant tuberculosis). Leczenie gruźlicy wielolekoopornej wymaga długiego okresu, a wyleczenie uzyskuje się jedynie u 50% chorych nowo wykrytych, a wśród chorych wcześniej leczonych zaledwie u 29%. Oporne szczepy mikroorganizmów patogennych są poważnym zagrożeniem szczególnie dla pacjentów z obniżoną odpornością, a zakażenia przez nie wywołane są najczęstszym powikłaniem u osób stosujących leki immunosupresyjne oraz HIV-pozytywnych. W 2014 roku odnotowano ok. 1,2 mln przypadków gruźlicy u chorych seropozytywnych, z czego 30% zakażonych zmarło. Mykobakteriozy są jednym z najczęstszych zakażeń oportunistycznych u chorych na AIDS. Oznacza to, że forma aktywna choroby może być wywołana u tych osób przez szczepy Mycobacterium avium complex, grupę prątków niegruźliczych. Obniżenie odporności zwiększa podatność zachorowań nawet do 50%. Pojawienie się szczepów opornych stworzyło pilne zapotrzebowanie na bardziej skuteczne i bezpieczne leki przeciwgruźlicze. Wśród czołowych substancji przeciwgruźliczych stosowanych obecnie wymienić należy izoniazyd (INH), pirazynamid (PZA), etionamid (ETA). Niestety, najbardziej skuteczne leki syntetyczne, podobnie jak stosowane antybiotyki, np. rifampicyna (RMP), wywołują cały szereg poważnych efektów ubocznych, mogą szkodliwie wpływać na narządy wewnętrzne (wątrobę, system nerwowy, trzustkę) i wywoływać reakcje nadwrażliwości. Z tego powodu opracowanie nowych substancji leczniczych wykazujących aktywność przeciwgruźliczą jest zagadnieniem ciągle aktualnym. Istotny wpływ na rozwój nauki może mieć aspekt poznawczy projektu, którego realizacja przyczyni się do poznania nowych celów molekularnych i mechanizmów działania tuberkulostatyków. Pogłębianie wiedzy w tym zakresie jest szczególnie ważne w perspektywie problemu imigracyjnego, który dotyka obecnie Unię Europejską, Polska będąc krajem członkowskim może wkrótce stanąć przed problemem zwiększenia się liczby osób zakażonych i to najbardziej oporną formą aktywnej gruźlicy
I RESEARCH PROJECT OBJECTIVES Our previous research works have shown high in vitro antituberculotic activity of some 2,4-disubstituted pyridine derivatives. Particularly obtained 4-cycloalkylamino- and 4-phenyl-N'-(1-cycloalkylaminocarbonotioyl)picolinohydrazonamides showed a significant tuberculostatic activity against M. tuberculosis H37Rv standard strain and clinical isolates from patients of the Institute of Tuberculosis and Pulmonary Diseases in Warsaw with MIC values 0.4-6.2 g/mL. The main objective of this project is to examine suitability of thisemicarbazide derivatives of pyridine as potential anti-TB drugs. This will be achieved by verifying hypotheses posed on the basis of previous results. Hypothesis 1: The 2,4-disubstitueted derivatives of pyridine which might form large flat systems due to conjugations and/or intramolecular hydrogen bonds and/or possessing zwitterionic structure exhibit tuberculostatic activity. Hypothesis 2: The selected compounds inhibit the activity of the essential Mtb enzymes. II RESEARCH PROJECT METHODOLOGY Hypothesis 1 will be verified by: 1a) synthesis of adequate number of the compounds with various structural modifications ( thiosemicarbazides, imine derivatives), 1b) evaluation of tuberculostatic activity of the compounds, 1c) the structure-activity relationship analysis, 1d) determining structural factors and molecular parameters affected the activity. Thiosemicarbazide and imine derivatives of picolinoamidrazone substituted with methyl, methoxyl, phenoxyl, thiophenyl, morpholine or pyrrolidine at the C-4 position will be obtained. Modifications will also include amidrazone group. It will also be interesting to see how presence of the pyridine nitrogen atom and the arrangement of different substituents around the pyridine ring affect tuberculostatic activity. For the most active compounds hydrazide analogues will be synthesized. All obtained compounds will be tested for tuberculostatic activity at the Institute of Tuberculosis and Pulmonary Diseases in Warsaw to analyze the structure-activity relationship. On this basis, the selection of the most and least active compounds will be done. These substances will then be characterized by the Group of X-ray Crystallography and Crystal Chemistry, Technical University of Lodz for physicochemical properties (electrostatic potential distribution, lipophilicity, pKa) and their molecular structure will be determined by the methods of X-ray crystallography in order to determine the structural factors responsible for their tuberculostatic activity. Hypothesis 2 will be verified by: 2a) selection of Mtb mutants resistant to tested compounds (the most active 5), 2b) identification of mutations responsible for resistance to selected compounds by using whole genome sequencing (NGS), 2c) verification of the relation between identified mutations and resistance by introduction of a mutated genes (promoters) into a sensitive Mtb strain. Genetic studies will be performed in the Laboratory of Genetics and Physiology of Mycobacterium, Institute of Medical Biology of the Polish Academy of Science in Lodz. Furthermore, these compounds will be also tested for cytotoxicity and antimicrobial activity against other bacteria, to demonstrate their specificity.
Go back