Benign by Design: Ein Beitrag zur Entwicklung von in der Umwelt biologisch leichter abbaubaren Antibiotika am Beispiel von Fluorchinolonen

Benign by Design: A Contribution to the Development of Environmentally More Easily Biodegradable Antibiotics Using the Example of Fluoroquinolones

  • Antibiotika sind aus der Human- und Veterinärmedizin nicht mehr wegzudenken. Ihr hoher Verbrauch führt jedoch zu stetig steigenden Konzentrationen der Wirkstoffe und ihrer Transformationsprodukte in der Umwelt. Antibiotika in der Umwelt haben das Potential Funktionen von Ökosystemen zu stören und tragen zur Entwicklung und Selektion von resistenten Bakterien bei. Um diese negativen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt zu reduzieren, sind vielseitige Lösungen notwendig. Benign by Design (BbD) ist ein wichtiger Baustein dafür. Daher ist es wichtig zu verstehen, inwiefern das BbD Prinzip auf verschiedene Substanzgruppen anwendbar ist und welche Limitierungen zu berücksichtigen sind. Mit dieser Arbeit soll ein Beitrag zur Entwicklung von in der Umwelt mineralisierbaren Antibiotika entsprechend des Benign by Design Konzeptes geliefert werden. Dies wurde am Beispiel der Fluorchinolonantibiotika durchgeführt, da diese sehr wichtige, aber auch sehr persistente Wirkstoffe sind. Ziel war es, zu verstehen, welche Veränderungen an der Grundstruktur vorgenommen werden können, um Derivate zu erzeugen, die während der Wirkdauer und Lagerung ausreichend stabil bleiben, aber anschließend in der Umwelt möglichst schnell und vollständig mineralisiert werden können. Im ersten Teil der Arbeit wurden die BbD Ansätze des targeted und non-targeted Re-Designs und de novo Designs, sowie die Verwendung von in silico Tools zu deren Umsetzung, untersucht. Basierend darauf wurde ein Workflow entwickelt, der eine mögliche Verwendung von computergestützten Methoden innerhalb des BbD Frameworks aufzeigt. In der resultierenden Veröffentlichung wurde dieser Workflow vorgestellt und dessen Chancen und Limitierungen für die Umsetzung des BbD beleuchtet. Die herausgearbeiteten BbD Ansätze bildeten die Grundlage für das folgende targeted und non-targeted Design von Fluorchinolonen. Der Ansatz des non-targeted Re-Designs wurde für neun verschiedene Substanzen aus der Klasse der Fluorchinolone angewandt. Dafür wurden Transformationsprodukte der Muttersubstanzen mittels Photolyse und Photokatalyse erzeugt. Das resultierende Substanzgemisch wurde hinsichtlich der biologischen Abbaubarkeit und Toxizität untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass durch die Bestrahlung mit UV-Licht eine Vielzahl an neuen Strukturen entstehen und das Gemisch oft eine gesteigerte biologische Abbaubarkeit im Vergleich zur Muttersubstanz aufweist. Die Zuordnung der gemessenen Abbaueffekte zu einzelnen enthaltenen Strukturen gestaltete sich aufgrund fehlender Referenzsubstanzen und anwendbarer in silico Modelle schwierig. Es konnten daher abschließend keine eindeutig abbaubaren Derivate mit diesem Ansatz identifiziert werden. Trotzdem zeigte sich in den Untersuchungen, dass eine Hydroxylierung der Ausgangssubstanzen sehr wahrscheinlich zu einer verbesserten Abbaubarkeit dieser führt. Das targeted Re-Design wurde am Beispiel von Fluorchinolon-Glucosamin-Derivaten untersucht. Dabei galt es zu verstehen, inwiefern Glucosamin-Substituenten die biologische Abbaubarkeit beeinflusst. Keine der untersuchten Strukturen konnte in den verwendeten OECD Tests als leicht biologisch abbaubar klassifiziert werden. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass durch die Verwendung von acetylierten Glucosamin-Substituenten ein partieller Abbau stattfindet. Diese Erkenntnisse können zukünftig in das gezielte, fragment-basierte Design von grüneren Strukturen einfließen. Im letzten Teil der Arbeit wurden die Struktur-Bioabbau-Beziehungen von N-hetero-zyklischen Verbindungen, welche auch die Basis des Fluorchinolon-Grundgerüstes sind, untersucht und leicht biologisch abbaubare Leitstrukturen identifiziert. Dafür wurden 84 verschiedene N-Heterozyklen nach OECD 301 Richtlinien getestet. Basierend darauf wurde zum einen ein lokales 3D-QSAR Modell, insbesondere zur Visualisierung der Effekte der Substituenten im dreidimensionalen Raum, erstellt, als auch Regeln für das Design von umweltfreundlicheren Chinolonen und verwandten Strukturen abgeleitet. Weiterhin wurden abbaubare Strukturen aus der Gruppe der Chinazoline identifiziert, welche vielversprechende Leitstrukturen für das Design von Topoisomerase-Inhibitoren oder anderer Chemikalien darstellen. Die Diskussion der verschiedenen Ansätze, die Entwicklung eines in silico Workflows, sowie die Machbarkeitsstudien am Beispiel von Fluorchinolonen haben demonstriert, dass die Umsetzung von BbD im Wirkstoffdesign möglich ist und wie potentielle Vorgehensweisen aussehen können. Dabei konnte gezeigt werden, dass selbst die als besonders persistent geltenden Fluorchinolonantibiotika das Potential bieten, zu besser abbaubaren Derivaten re-designt zu werden. Es wurde jedoch auch deutlich, dass es keine allgemeingültige Herangehensweise gibt und Methoden den entsprechenden Substanzklassen und Anforderungen angepasst werden müssen. Daher ist es wichtig die vorgestellten BbD Ansätze zukünftig weiter hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit auf weitere Substanzklassen zu untersuchen. In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls wichtig, experimentelle Bioabbaudaten von weiteren Strukturen zu generieren, um vorhandene Bioabbau-Modelle hinsichtlich ihrer Anwendungsdomäne zu verbessern und für das Design von grünen Wirkstoffen zu nutzen.
  • The high consumption of antibiotics leads to steadily increasing concentrations of the active ingredients and their transformation products in the aquatic environment. Antibiotics in the environment have the potential to disrupt ecosystem functions and contribute to the development and selection of resistant bacteria. Multiple solutions are needed to reduce such negative impacts on the environment and human health. Benign by Design (BbD) is an important building block in this context. It is therefore crucial to understand how the BbD approaches can be applied to different groups of substances and what limitations need to be considered. The aim of this work was to contribute to the development of in the environment degradable antibiotics according to the Benign by Design concept on the example of the important but very persistent antibiotic class of fluoroquinolones. The goal was to understand what changes can be made to their structure to generate derivatives that remain as stable as needed during treatment and storage, but can be mineralized fast in the environment later on. Firstly, the BbD approaches of targeted and non-targeted re-design and de novo design were identified and investigated. Furthermore, a workflow was developed, which describes a possible use of computer-aided methods within those approaches. In the resulting paper this workflow was presented and the chances and limitations of its implementation within the BbD framework were discussed. The presented BbD approaches and the workflow were the starting point for the following targeted and non-targeted design approaches. The non-targeted re-design approach was applied to nine different fluoroquinolones (FQ). Therefore, transformation products of the parent compounds were generated by photolysis and photocatalysis. The resulting mixtures of transformation products were investigated with regard to their biodegradability and toxicity. It was shown that irradiation with UV light leads to the formation of a large number of new structures and that the mixture of these often exhibits increased biodegradability compared to the parent compounds. Since only the mixtures were investigated, it was not possible to assign biodegradation effects to individual structures. Due to the lack of reference substances and applicable in silico models, no potentially degradable derivatives could be identified using this approach. However, it could be verified, that the hydroxylation of the FQ structures via photolysis or photocatalysis possibly leads to improved biodegradability. Targeted re-design was investigated using the example of fluoroquinolone-glucosamine derivatives. The aim was to understand how glucosamine substituents affect the biodegradability of the structures. None of the investigated structures could be classified as readily biodegradable in the OECD tests. However, it could be shown that the acetylated glucosamine substituents led to a partial degradation. These findings could be further used in the targeted fragment-based design of greener structures. In the last part, the structure-biodegradation relationships of N-heterocyclic compounds, which are the basis of FQs, were investigated and readily biodegradable lead scaffolds were identified. Therefore, 84 different N-heterocycles were evaluated according to the OECD 301 guideline. Based on the results, a local 3D-QSAR model was developed and rules for the design of more environmentally friendly quinolones and related structures were derived. Furthermore, degradable structures from the group of quinazolines were identified, which might be promising lead scaffolds for the design of topoisomerase inhibitors and other chemicals. The herein presented BbD approaches and in silico workflow, as well as the case studies for fluoroquinolones have demonstrated that the implementation of BbD in the drug design process is possible and how such workflows might look like. It could be shown that even fluoroquinolone antibiotics, which are considered particularly persistent, have the potential for a design towards more degradable derivatives. However, it also became clear, that there is no one-fits-all approach and that methods have to be adapted to the respective substance classes and use cases. Therefore, it is important to further investigate the BbD approaches presented here to determine their transferability to other substance classes. In this regard, it is also necessary to generate more consistent biodegradation data of a variety of compounds to improve existing biodegradation models regarding their applicability domain, so that they can be used for the design of greener compounds.

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Metadaten
Author:Stefanie Lorenz
URN:urn:nbn:de:gbv:luen4-opus4-13746
URL: https://pub-data.leuphana.de/frontdoor/index/index/docId/1374
Advisor:Klaus Kümmerer (Prof. Dr.)
Referee:Klaus Kümmerer (Prof. Dr.), Carolin Floeter (Prof. Dr.)GND, Vania Zuin Zeidler (Prof. Dr.)GND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2023
Date of Publication (online):2024/01/29
Date of first Publication:2024/02/01
Publishing Institution:Leuphana Universität Lüneburg, Universitätsbibliothek der Leuphana Universität Lüneburg
Granting Institution:Leuphana Universität Lüneburg
Date of final exam:2023/10/26
Release Date:2024/02/01
Pagenumber:48 + Anhang
Note:
Das Rahmenpapier der kumulativen Dissertation enthält 3 Fachartikel. Das Rahmenpapier wurde in deutscher Sprache verfaßt, die Fachartiekl in englischer Sprache.
Institutes:Fakultät Nachhaltigkeit / Institut für Nachhaltige Chemie (INSC)
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht