Early discovery approaches of biofilm inhibitors from naturally inspired sources and insights into biofilm models
Manner, Suvi (2017-12-08)
Manner, Suvi
Åbo Akademi - Åbo Akademi University
08.12.2017
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-3626-6
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-3626-6
Tiivistelmä
Biofilm formation complicates diagnosis and treatment of bacterial infections. Bacterial biofilms can be defined as structurally organized communities of bacterial cells embedded in a matrix of extracellular polymeric matrix (EPS). The majority of bacteria exist as biofilms in most natural environments. Biofilm bacteria are highly tolerant to antimicrobials and host immune responses. Conventional antibiotics are inefficient in the treatment of biofilm-associated infections, especially those occurring in hospitalized patients and associated with the use of medical devices. Moreover, in vitro laboratory methods that have been designed for growing of planktonic bacteria and evaluation of antimicrobials against them are not applicable for biofilms. Therefore, alternative methods and models have been developed for investigation of biofilms and testing of antimicrobials against biofilm-growing bacteria. However, so far, the repertoire of existing antibiofilm agents is extremely limited and thus, there is a great need for the discovery and development of novel anti-biofilm compounds. In that context, the primary aim of this thesis project was to identify biofilm inhibitors from naturally-inspired sources. Towards this goal, 3570 compounds were screened for biofilm inhibition.
Screening campaigns were designed to explore different strategies aimed at the discovery of anti-biofilm leads with bactericidal or non-bactericidal effects. In one direction, two synthetic flavan derivatives as well as the Dtryptophan and the β-cyclohexyl-L-alanine derivatives of (+)-dehydroabietic acid (DHA) were identified as anti-biofilm leads. These leads were characterized as desirable antimicrobials that displayed both antibacterial and anti-biofilm activity in contrast to conventional antibiotics. They were able to prevent biofilm formation and eradicate pre-formed biofilms at micromolar concentrations. A second discovery strategy allowed the identification of two flavone derivatives as Quorum Sensing Inhibitors (QSIs). As opposed to the leads identified by the first strategy, these leads did not display any bactericidal activity but interfered with biofilm formation and maturation.
Furthermore, given the relevance of biofilm models for drug discovery, a comparative methodological study was also performed. Efficacy testing of conventional antibiotics in prevention of biofilm formation was conducted in two distinct biofilm models, microtiter well plates (MWP) and drip flow reactor (DFR), classified as closed and open systems, respectively. The goal was to investigate if the choice of model affects the experimental outcome. The comparative study revealed that biofilms grown under continuous flow of nutrients displayed significantly higher antimicrobial tolerance than those grown in the absence of flow.
Altogether, this thesis project led to the identification of anti-biofilm leads, which can serve as starting points for further optimization towards more potent biofilm inhibitors that can be used either as alternatives to conventional antibiotics or as adjunctive agents in combination with conventional antibiotics or other antimicrobials. Given the complexity of biofilms, it is increasingly understood that no single strategy will be sufficient for biofilm control. Thus, complementary strategies aimed at interfering with biofilms in different mechanisms could offer a promising solution. Further, when selecting the best anti-biofilm compounds, activity of the most promising compounds needs to be confirmed using different biofilm models, as the choice of biofilm model was shown to have a profound impact on the experimental outcome. Att bakterier bildar biofilmer komplicerar diagnos och behandling av bakteriella infektioner. Bakteriella biofilmer kan definieras som komplexa bakteriesamhällen inbäddade i en matris av extracellulära polymera substanser (EPS), som består av polysackarider, proteiner och extracellulärt DNA. De facto är biofilmer den dominerande livsformen av bakterier i naturen. Bakterier kan fästa vid och bilda biofilmer på en mängd olika ytor, t.ex. på tänderna i form av plack, i vävnader, på proteser och även på fartygsskrov och stenar. Matrisen skyddar bakterierna från antibiotika, desinfektionsmedel och kroppens immunförsvar. Dessutom skiljer sig biofilmbakterierna markant från de bakterier som existerar som planktoniska, enstaka celler och växer i flytande medier, särskilt med avseende på tillväxt, stresstålighet och genuttryck. Detta ytterligare ökar deras motståndskraft och leder till uppkomsten av kroniska och svårbehandlade infektioner. Biofilmsalstrande bakterier står för upp till 80 procent av alla bakteriella infektioner, speciellt dem associerade med användningen av främmande material, t.ex. i form av katetrar och implantat, och hos hospitaliserade patienter. Trots detta riktar antibiotika in sig på att döda endast planktoniska bakterier. Hittills har inget antibiotikum speciellt mot bakteriella biofilmer godkänts av myndigheter.
Naturprodukter har varit en viktig källa i läkemedelsutvecklingen, speciellt i samband av upptäckten av antibiotika. I detta sammanhang var syftet med denna avhandling att identifiera bioaktiva substanser mot bakteriella biofilmer från substansbibliotek, innehållande föreningar som antingen är naturprodukter eller syntetiserade derivat, som alternativ till konventionell antibiotika. För detta ändamål utnyttjades olika sållningsmetoder vid sållningen av sammanlagt 3 570 substanser. Därtill utfördes en jämförande studie med antibiotika i två olika experimentella system som används för biofilmstudier för att undersöka inverkan av systemet på experimentella resultat.
Under projektets gång identifierades och karaktäriserades ett antal naturinspirerade substanser med olika verkningsmekanismer. Två syntetiska flavanderivat från ett stort substansbibliotek med flavonoider och Dtryptofan och β-cyklohexyl-L-alaninderivat av dihydroabietinsyra identifierades som ledtrådsmolekyler med hjälp av fenotypisk sållning. Till skillnad från antibiotika, uppvisade dessa molekyler antimikrobiell effekt både på biofilmbakterier och planktoniska celler. Målbaserad sållning av ett substansbibliotek med 3 040 naturproduktderivat ledde till identifikation av substanser som inhiberade biofilmbildning genom att hämma bakteriell kommunikation, quorum sensing-signalering. Två derivat av flavonklass karaktäriserades som mest aktiva. Dessa substanser uppvisade biofilmreducerande effekt utan att bakterieväxten påverkades. Slutligen påvisade den jämförande studien att valet av experimentellt system påverkar antibiotikakänsligheten hos biofilmer. Biofilmer som hade växt i ett flödessystem, droppflödesreaktor (eng. drip flow reactor), var betydligt motståndskraftigare mot antibiotika än de som växte i mikrotiterplattor.
Screening campaigns were designed to explore different strategies aimed at the discovery of anti-biofilm leads with bactericidal or non-bactericidal effects. In one direction, two synthetic flavan derivatives as well as the Dtryptophan and the β-cyclohexyl-L-alanine derivatives of (+)-dehydroabietic acid (DHA) were identified as anti-biofilm leads. These leads were characterized as desirable antimicrobials that displayed both antibacterial and anti-biofilm activity in contrast to conventional antibiotics. They were able to prevent biofilm formation and eradicate pre-formed biofilms at micromolar concentrations. A second discovery strategy allowed the identification of two flavone derivatives as Quorum Sensing Inhibitors (QSIs). As opposed to the leads identified by the first strategy, these leads did not display any bactericidal activity but interfered with biofilm formation and maturation.
Furthermore, given the relevance of biofilm models for drug discovery, a comparative methodological study was also performed. Efficacy testing of conventional antibiotics in prevention of biofilm formation was conducted in two distinct biofilm models, microtiter well plates (MWP) and drip flow reactor (DFR), classified as closed and open systems, respectively. The goal was to investigate if the choice of model affects the experimental outcome. The comparative study revealed that biofilms grown under continuous flow of nutrients displayed significantly higher antimicrobial tolerance than those grown in the absence of flow.
Altogether, this thesis project led to the identification of anti-biofilm leads, which can serve as starting points for further optimization towards more potent biofilm inhibitors that can be used either as alternatives to conventional antibiotics or as adjunctive agents in combination with conventional antibiotics or other antimicrobials. Given the complexity of biofilms, it is increasingly understood that no single strategy will be sufficient for biofilm control. Thus, complementary strategies aimed at interfering with biofilms in different mechanisms could offer a promising solution. Further, when selecting the best anti-biofilm compounds, activity of the most promising compounds needs to be confirmed using different biofilm models, as the choice of biofilm model was shown to have a profound impact on the experimental outcome.
Naturprodukter har varit en viktig källa i läkemedelsutvecklingen, speciellt i samband av upptäckten av antibiotika. I detta sammanhang var syftet med denna avhandling att identifiera bioaktiva substanser mot bakteriella biofilmer från substansbibliotek, innehållande föreningar som antingen är naturprodukter eller syntetiserade derivat, som alternativ till konventionell antibiotika. För detta ändamål utnyttjades olika sållningsmetoder vid sållningen av sammanlagt 3 570 substanser. Därtill utfördes en jämförande studie med antibiotika i två olika experimentella system som används för biofilmstudier för att undersöka inverkan av systemet på experimentella resultat.
Under projektets gång identifierades och karaktäriserades ett antal naturinspirerade substanser med olika verkningsmekanismer. Två syntetiska flavanderivat från ett stort substansbibliotek med flavonoider och Dtryptofan och β-cyklohexyl-L-alaninderivat av dihydroabietinsyra identifierades som ledtrådsmolekyler med hjälp av fenotypisk sållning. Till skillnad från antibiotika, uppvisade dessa molekyler antimikrobiell effekt både på biofilmbakterier och planktoniska celler. Målbaserad sållning av ett substansbibliotek med 3 040 naturproduktderivat ledde till identifikation av substanser som inhiberade biofilmbildning genom att hämma bakteriell kommunikation, quorum sensing-signalering. Två derivat av flavonklass karaktäriserades som mest aktiva. Dessa substanser uppvisade biofilmreducerande effekt utan att bakterieväxten påverkades. Slutligen påvisade den jämförande studien att valet av experimentellt system påverkar antibiotikakänsligheten hos biofilmer. Biofilmer som hade växt i ett flödessystem, droppflödesreaktor (eng. drip flow reactor), var betydligt motståndskraftigare mot antibiotika än de som växte i mikrotiterplattor.
Kokoelmat
- 317 Farmasia [17]