Riassunto analitico
Fino ai primi decenni del 1900 le infezioni hanno costituito una delle principali cause di morte; l’introduzione degli antibiotici nella pratica clinica ha consentito di abbattere il tasso di mortalità, con un conseguente incremento dell’aspettativa di vita. Fin dal primo impiego di questi medicinali salvavita si sono però co-evoluti batteri in grado di sopravvivere ai trattamenti antibiotici che minacciano il progresso farmaceutico e fanno temere un rapido ritorno al passato.
I batteri possono sopravvivere in più modi ai trattamenti antibiotici, anche se un ruolo primario è ricoperto dalla produzione di β-lattamasi, enzimi in grado di inattivare gli antibiotici β-lattamici, compresi i carbapenemi di ultima linea, mettendo seriamente in pericolo l’efficacia dei trattamenti antibatterici disponibili.
Al momento sono disponibili in terapia solo inibitori attivi nei confronti delle serina-β-lattamasi, mentre nessun inibitore delle metallo-β-lattamasi è stato approvato e introdotto in clinica.
Il mio lavoro di tesi si inserisce in questo contesto e si focalizza sulla ricerca razionale di nuovi inibitori di NDM-1, una metallo- β-lattamasi appartenente alla sottoclasse B1. NDM-1 ha subito una delle diffusioni geografiche più rapide ed ampie, e tutti i tentativi di sviluppare nuovi inibitori si sono rivelati fin ora vani. Per questo motivo, l’identificazione di inibitori di NDM-1 è essenziale per garantire cure anche in caso di infezioni resistenti ai farmaci disponibili.
Una libreria di composti è stata sottoposta a screening in silico mediante un approccio di docking molecolare (GLIDE) nei confronti del target NDM-1. Gli studi di docking condotti sono stati supportati da studi preliminari riguardanti sia le molecole di acqua coinvolte nel meccanismo idrolitico delle β-lattamasi sia relativi alla flessibilità dei residui amminoacidici presenti nel sito attivo responsabili nell’attività carbapenemasica. Il docking è stato condotto a livelli di accuratezza crescenti. Per garantire la massima variabilità chimica possibile, la selezione dei candidati è stata condotta sia per libreria che per classe chimica, e i risultati sono stati confrontati. I candidati più promettenti sono stati poi sottoposti a validazione in vitro nei confronti di NDM-1 attraverso spettrofotometria UV-VIS.
Sessantotto molecole, caratterizzate da una diversa struttura chimica, si sono rivelati inibitori micromolari di NDM-1.
I composti più promettenti sono stati indirizzati alle fasi di caratterizzazione cinetica e di ottimizzazione hit-to-lead, attualmente in corso.
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Abstract
Until the early decades of the 1900s, infections were a leading cause of death. However, the introduction of antibiotics in clinical practice produced a reduction in the mortality rate and a consequent increase in life expectancy. Since the first time these life-saving drugs have been administrated, however, bacteria capable of surviving antibiotic therapy co-evolved, threatening pharmaceutical progresses and giving rise to fears of a quick return to the past.
Bacteria can survive antibiotics in many ways, but a key role is played by β-lactamases, enzymes capable of inactivating β-lactam antibiotics, including the last resort carbapenems, seriously endangering efficacious antibacterial treatments.
At the present, only inhibitors active against serine-based-β-lactamases are available in therapy, while no inhibitors active against metallo-β-lactamases have been so far approved to clinic.
In this scenario, my thesis work has been focused on the structure-based discovery of novel inhibitors of NDM1, a subclass B1-metallo-β-lactamase. As a matter of fact, NDM-1 has experienced the fastest and widest geographical spread, and all attempts to develop novel inhibitors have so far failed. For these reasons, the identification of NDM-1 inhibitors is essential to guarantee antibiotic treatments against infections resistant to available antibiotics.
Firstly, a library of in-house available chemical compounds was screened in silico through molecular docking (GLIDE) against the target NDM-1. The performed docking studies were supported by preliminary studies on relevant waters involved in β-lactamases mechanism of hydrolysis and on the flexibility within the active site of residues involved in the carbapenemases spectrum of action. Docking was performed at two increasing levels of accuracy. To guarantee a maximum of chemical diversity, the selection of candidates was done by library and by chemical class and the result compared. Most promising candidates were then directed to in vitro validation against NDM-1 using UV-Vis spectrophotometric.
Sixty-eight molecules, characterized by different chemical cores, were identified as micromolar inhibitors of NDM-1. Most interesting compounds have been now direct to full kinetics analysis and hit-to-lead optimization.
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