HIT-TO-LEAD DEVELOPMENT OF NOVEL ANTIMICROBIAL AND ANTICANCER PEPTIDOMIMETICS

NFR/UiT-Fellesløft prosjektet - Hit-to-lead development of novel antimicrobial and anticancer peptidomimetics - er basert på syntese og bioaktivitetsstudier av små beta2,2-aminosyrederivater (3-amino-2,2-disubstituerte propansyrer) som viser svært gode aktiviteter mot patogene bakterier, bakteriell biofilm og kreftceller. Av prosjektleder: Professor Morten Bøhmer Strøm (UiT - Norges arktiske universitet). September 2015. I løpet av inneværende prosjektperiode har en av beta2,2-aminosyrederivatene som er utviklet i prosjektet blitt valgt ut for pre-kliniske utprøvinger mot kreft i samarbeid med det farmasøytiske selskapet Lytix Biopharma. Videre har PhD student Marianne Hagensen Paulsen fullført utviklingen av en ny syntesemetode for å fremstille halogenerte beta2,2-aminosyrederivater i samarbeide med Førsteamanuensis Annette Bayer og Forsker Magnus Engqvist (UiT - Norges Arktiske universitet). Forbindelsene har vært screenet mot kliniske bakteriestammer fra Universitetssykehuset i Nord-Norge (UNN) i samarbeide med Professor Johanna U. Ericson Sollid (UiT - Norges Arktiske universitet), og har vist god antimikrobiell aktivitet mot 30 ulike multiresistente bakteriestammer. Studien innbefattet fem isolat av hver av bakteriestammene Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumanii, Pseudomonas aeruginosa og Escherichia coli. PhD student Paulsen har iht. prosjektbeskrivelsen også utviklet en syntesemetode for en ny klasse potensielt bioaktive molekyler som oppfyller farmakoformodellen vår, og som kombinerer strukturelementer fra isolerte molekyler fra det arktiske og sub-arktiske marine miljø med våre bioaktive beta2,2-aminosyrederivater. Syntese av flere analoge forbindelser pågår for videre struktur-aktivitetsstudier. Prosjektgruppen har nylig inngått et samarbeide med forskningsgruppen til Associate Professor Christian Hedberg (Umeå universitet, Kemiska institutionen, Sverige) som tar sikte på å lage lineære og sykliske peptidomimetika med halogenerte beta2,2-aminosyrederivatene inkorporert som lipofile byggesteiner. Formålet med dette delprosjektet er å fremstille bioaktive peptidomimetika med aktivitet mot Gram-negative bakterier som E. coli og P. aeruginosa, i tillegg til andre kliniske isolat tilgjengelige ved Umeå universitet. PhD student Marianne Hagensen Paulsen gjennomfører i den forbindelse et 6 måneders forskningsopphold høsten 2015 hos Hedbergs gruppe i Umeå for å arbeide med synteser og bioaktivitetstestinger. Postdoktor Dominik Ausbacher har under to etterfølgende utenlandsopphold ved hhv. Universitetet i Helsingfors (UH, Finland), og Center for Biofilm Engineering, Montana State University (MSU) undersøkt virkningsmekanismen til utvalgte beta2,2-aminosyrederivater. Studiene ble utført i samarbeid med Adjunkt Professor Adyary Fallarero (UH), Assistant Professor Darla Goeres (MSU) og Professor Phil Stewart (MSU). Resultatene så langt indikerer at enkelte av beta2,2-aminosyrederivatene akkumulerer både i bakteriene i biofilmen og biofilmmatriksen, og behandlingen resulterer i bakteriedrap og oppløsning av biofilmen. Effektene oppnås rask og kan spores i real-time ved hjelp av fluorescens merkede bakterier og konfokal laser skanning mikroskopi (CLSM). Vi har i prosjektperioden også rettet interesse mot å finne potensielle formuleringsformer for administrering av aktive beta2,2-aminosyrederivater. Masterstudent Josef Azumah har i samarbeide med Postdoktor Dominik Ausbacher og Professor Natasa Skalko-Basnet (UiT - Norges arktiske universitet) studert inkorporering av beta2,2-aminosyrederivater i liposomer. Selv om derivatene har en tilsynelatende cellemembran lytisk effekt viste studien at beta2,2-aminosyrederivatene lot seg inkorporere i liposomer, og resultatene danner derved et godt utgangpunktet for mer avanserte studier av legemiddelformuleringer av beta2,2-aminosyrederivater for behandling av bakterielle hudsykdommer, samt kroniske sårinfeksjoner.

During the last two decades only four new antimicrobial drugs have been approved for treatment of serious pathogenic infections. Meanwhile, bacterial resistance has become a major public concern, as exemplified by isolation of multiresistant Gram-negative enterobacteriaceae Escherichia coli and Klebsiella pneumoniae containing the New Dehli metallo-beta-lactamase 1 (NDM-1) gene. An extensively investigated class of anti-infective drug candidates is cationic antimicrobial peptides that have a unique mode o f action by targeting and rapidly destroying the bacterial cell membrane. However, due to inappropriate pharmacokinetic properties the majority of these drug candidates in clinical trials are directed towards treatment of bacterial skin infections. We hav e, however, developed a series of small sized beta-amino acid hit-compounds (molecular mass <500 Daltons) that are the first reported molecules resembling cationic antimicrobial peptides with potential for oral administration and systemic treatment of bac terial infections. The beta-amino acid hit-compounds are highly potent against methicillin resistant Staphylococcus aureus (MRSA), methicillin resistant Staphylococcus epidermidis (MRSE) and Escherichia coli, and show no or very low hemolytic activity. An exiting screening-study at the National Cancer Institute has also revealed that one of the beta-amino acid hit-compounds is almost 4-times more potent against 58 out of 59 different human cancer cell lines than the anticancer drug tamoxifen. In the curre nt project proposal we will continue the design, synthesis and pharmacological investigations of this new class of small antimicrobial and anticancer agents. By nature of their unique mode of action by disrupting the cell membrane of bacteria and cancer c ells, the novel beta-amino acid hit-compounds may evade the drug resistance mechanisms of bacteria and cancer cells, and thereby also be effective against multi-drug resistant cell lines.