Síntesis Inhibidores de Metalobetalactamasas

Investigador Principal: Graciela Mahler, Cecilia Saiz

En esta linea de investigacion se trabaja en realcion al problema de la resistencia bacteriana a los antibioticos betalactamicos ya que se ha convertido en un importante problema de salud pública, sobre todo debido a su utilización masiva, tanto en ambientes nosocomiales asi como en suplementos alimentarios para animales destinados a consumo humano.[1] Las infecciones causadas por organismos resistentes poseen una importante morbilidad y mortalidad a nivel mundial. Los costos adicionales asociados a las infecciones causadas por microorganismos resistentes en comparación con los organismos susceptibles se estiman entre $ 21 a 34 mil millones anuales en USA.[2]

La producción de β-lactamasas es el principal mecanismo de resistencia a los antibióticos β-lactámicos (ATB). Estas enzimas se pueden agrupar en  dos grandes categorías, aquellas que poseen un residuo de serina en su sitio activo, son las de clase A, C y D y las que presentan uno o dos iones zinc (Zn+2) como cofactor que son las metalobetalactamasas (MBLs) o clase B. Las metalobetalactamasas son enzimas  que catalizan la hidrólisis de todas las familias de antibióticos β-lactámicos, con la excepción de las monobactamas, esto incluye a las penicilinas, cefalosporinas, carbapenemos y los inhibidores de SBL.1  . 

Nuestro grupo de trabajo ha obtenido  estructuras cristalinas de los complejos de MBL:L-CS319, para  las tres principales subclases de MBLs, para la serie L y D de compuestos. Esto permitió observar  que las Btz1 utilizan cuatro modos diferentes de unión al sitio activo de las diferentes enzimas (Figura 4). 

Se observó que las bistiazolidinas de la serie L se unen a las MBL binucleares B1 y B3 a través del tiol intercalándose entre los iones Zn1 (II) y por interacción por el carboxilato con residuos conservados implicados en la unión a la β-lactama [Lys224 (BcII, IMP-1, NDM-1); Arg228 (VIM – 2); Ser223 (L1)] pero no con el Zn2 (Figura 4-Complejo 1). Este modo de unión es robusto a las diferencias en la composición y la orientación del loop móvil L3 que se encuentra en la mayoría de las MBL de B1, pero no en B3. En contraste, la unión de las D-BTz difiere profundamente entre las enzimas B1 (BcII, IMP-1) y B3 (L1) (Figura 4 complejos 2 y 3 respectivamente). En los complejos D-BTz, BcII e IMP-1 replican la unión prevista de β-lactama (el  tiol se intercala en el centro metálico, y el carboxilato interacciona con el Zn2 ​​y Lys224) mientras que la unión de D-BTz a L1 está dominada por el tiol y no implica el carboxilato. Por último, L-CS319 (1a) se une a la MBL Sfh-I, perteneciente al subgrupo B2, a través de las interacciones de su carboxilato con Zn2, y el tiol se encuentra en la  profundidad de la cavidad hidrofóbica, (Figura 4- Complejo 4), esta interacción se cree que es la responsable de la selectividad por los carbapenemos. Probablemente esto también explique la alta selectividad de Sfh-I hacia la serie L- frente a las D-BTz

Estos datos estructurales indican claramente que estos compuestos, diseñados como análogos al sustrato, fueron capaces de inactivar a MBLs de diferentes subclases variando su modo de unión al sitio activo. Eso revela que dicho modo es único y característico para este tipo de estructuras,  y que varían según la enzima diana y del enanteómero BTz1 utilizado.(Brem et al., 2016; M. M. González et al., 2016)

Los compuestos presentaron actividad contra microorganismos Gram (-) que expresan NDM-1: Klesiella pneumoniae, Acinetobacter baumanii, Providencia rettgeri, aisladas de casos clínicos.(M. M. González et al., 2016; Mojica et al., 2015)

También se evaluaron las BTz contra S. maltophilia un microorganismo patógeno oportunista que afecta a pacientes comprometidos que padecen de fibrosis cística pulmonar. S. maltophilia es un organismo resistente con actividad incrementada de la bomba de eflujo, produce dos lactamasas de la subclase B3 inducibles (L1 y L2), estos factores le confieren resistencia a la mayoría de los ATB.(Crossman et al., 2008) Las BTz1 mostraron capacidad para restaurar la eficacia de los ATB contra éste microorganismo asilado de casos hospitalarios.

Recientemente hemos preparado bisthiazolidinas BTz1 fueron capaces de atravesar la membrana exterior de bacterias clínicamente resistentes  e inhibir las MBL del periplasma, potenciando la acción antibiótica de carbapenemos, por lo que resultan compuestos prometedores y fueron protegidos con una patente.5 

Colaboradores

  • Alejandro Vila (IBR-UNR Argentina).
  • Robert Bonomo (Cleveland, MD – Case Western Reserve University School of Medicine, USA).
  • Jim Spencer (University of Bristol, U.K).

Referencias

[1] D. van Duin, K. S. Kaye, E. A. Neuner, R. A. Bonomo, Carbapenem-resistant Enterobacteriaceae: a review of treatment and outcomes. Diagn. Microbiol. Infect. Dis. 2013, 75, 115–120.

[2] B. Spellberg, M. Blaser, Combating antimicrobial resistance: policy recommendations to save lives. Clin. Infect. Dis., 2011, 52(5), S397-S428

Proyectos financiados

  • ANII Fondo María Viñas «Diseño Racional de Nuevos Inhibidores de Metalobetalactamasas”,  FMV_1_2014_1_104234 G. Mahler (PI), C. Saiz, V Martínez, 2015-17.

NIH, R01AI100560-01, National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAD).

  • Comisión Sectorial de Investigación Científica (CSIC). Síntesis y evaluación biológica de potenciales quimioterápicos. E. Manta (PI), G. Serra (PI),  D. Davyt, G Mahler, L. Scarone. Grupos 2015-2019.

Publicaciones

González, M.M., Kosmopoulou, M., Mojica, M.F., Castillo, V., Hinchliffe, P., Pettinati, I., Brem, J., Schofield, C.J., Mahler, G., Bonomo, R.A., Llarrull, L.I., Spencer, J., Vila, A.J. Bisthiazolidines: A Substrate-Mimicking Scaffold as an Inhibitor of the NDM-1 Carbapenemase. ACS Infectious Diseases 2015, 1, 544-554. 

Exploring the Role of Residue 228 for Substrate and Inhibitor Recognition by VIM Metallo -β-Lactamases. Mojica, M.; Mahler, SG; Bethel, C; Taracila, M; Kosmopoulou, M; Papp-Wallace, K; Llarrull, L; Wilson, B; Marshall, S; Wallace, C; Villegas, M; Harris, M; Vila, A; Spencer, J; Bonomo, R, Biochemistry, 2015, 54, 20, 3183.

Hinchliffe, P., González, M.M., Mojica, M.F., González, J.M., Castillo, V., Saiz, C., Kosmopoulou, M., Tooke, C.L., Llarrull, L.I., Mahler, G., Bonomo, R.A., Vila, A.J., & Spencer, J. Cross-class metallo-β-lactamase inhibition by bisthiazolidines reveals multiple binding modes. Proc Natl Acad Sci USA 2016, 113, E3745-54. 

Enantioselective synthesis of new oxazolidinylthiazolidines as enzyme inhibitors, Tetrahedron: Asymmetry C. Saiz, V Villamil, M. M. González, M A Rossi, L. Martínez, L. Suescun, A.J. Vila, G. Mahler, Tetrahedron: Asymmetry 2017, 28, 110-117