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

  • Der hohe Verbrauch von Antibiotika führt 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. 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. Es 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. Das targeted Re-Design wurde am Beispiel von Fluorchinolon-Glucosamin-Derivaten untersucht. Dabei galt es zu verstehen, inwiefern Glucosamin-Substituenten die biologische Abbaubarkeit beeinflusst. Es konnte 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. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, 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.
  • 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. 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. 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. 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. Overall, it can be 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.

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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
Title Additional (English):Benign by Design: A Contribution to the Development of Environmentally More Easily Biodegradable Antibiotics Using the Example of Fluoroquinolones
Advisor:Klaus Kümmerer (Prof. Dr.)
Referee:Klaus Kümmerer (Prof. Dr.), Carolin Floeter (Prof. Dr.)GND, Vânia 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 drei Fachartikel. Das Rahmenpapier wurde in deutscher Sprache verfaßt, die Fachartikel in englischer Sprache.
Institutes:Fakultät Nachhaltigkeit
Fakultät Nachhaltigkeit / Institut für Nachhaltige Chemie (INSC)
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht