21333

21333

طراحي، سنتز و بررسي خواص آنتي بيوتيكي رنگينه هايβ -تري متين جديد با استفاده از نمك هاي ويناميدينيوم (5،1- پنتاديازونيوم) و تركيبات هتروسيكل سفالسپورين-'3-ديازونيوم ديولات هاي دهنده نيتريك اكسيد

دكتري

شيمي آلي

92-98

1398/6/27

دكتر محمدرضا نعيمي جمال

دكتر مايكا كلسو - دكتر اردشير رينه

شيمي

چكيده: بخش اول سنتز رنگينه¬هاي β-تري¬متين¬اكسونول با استفاده از نمك¬هاي ويناميدينيوم رنگينه¬هاي پلي¬متين اكسونول يك دسته مهم از رنگينه¬هاي آلي هستند كه در ساختار آنها دو گروه هتروسيكلي حاوي اتم¬هاي اكسيژن بوسيله يك زنجير پلي¬متيني به يكديگر متصل شده¬اند (شكل 1). شكل 1. ساختار كلي رنگينه¬هاي پلي¬متين¬اكسونول رنگينه¬هاي پلي¬متيني¬اكسونول داراي خواص ذاتي از جمله پايداري نسبتا خوب، ضريب جذب مولي بالا، توانايي توليد اكسيژن سه گانه و اكسيژن يگانه سيتوتوكسيك (1O2) و ويژگي¬هاي برجسته فلورسانس هستند كه منجر شده¬اند كه اين رنگينه¬ها به طور گسترده به عنوان پروب¬هاي فلورسانس براي مطالعات بيولوژيكي و همچنين به عنوان عوامل پرتودرماني و شيمي درماني مورد استفاده قرار گيرند. در اين پژوهش رنگينه¬هاي β-تري¬متين اكسونول متقارن همراه با گروه¬هاي هتروسيكلي متنوع استخلاف شده در زنجيره پلي¬متيني و شيفت استوكس بزرگ بوسيله يك روش سه مرحله¬اي طي واكنش¬هاي ساده و تحت شرايط ملايم سنتز شده¬اند. روش بكار گرفته شده شامل سنتز نمك¬هاي N-هتروآريل استيك اسيد، سنتز نمك¬هاي ويناميدينيوم و در نهايت سنتز رنگينه¬هاي β-تري¬متين اكسونول با استفاده از تراكم نمك¬هاي ويناميدينيوم با تركيب 3،1-¬ايندانديون و يا تركيب 3،1--دي¬متيل باربيتوريك اسيد تحت شرايط بازي ملايم مي¬باشد (طرح 1). طرح 1: شماي كلي واكنش سنتز رنگينه¬هاي β-تري متين اكسونول متقارن ساختار رنگينه¬هاي سنتز شده در اين پژوهش به وسيله طيف¬سنجي FT-IR، 1H NMR، 13C NMR و HRMS تاييد شدند. همچنين خواص فوتوفيزيكي آنها از جمله طول موج ماكزيمم جذب، طول موج ماكزيمم نشر، ضريب جذب مولي، شيفت استوك و بازده كوانتومي فلورسانس در دماي اتاق بررسي شدند. محاسبات نظريه تابعي چگالي نيز با استفاده از روش و سري پايه B3LYP/6-311G (d,p) به منظور بررسي تغييرات پيكربندي ساختاري ناشي از استخلاف¬هاي حجيم متنوع و تعيين كنفيگراسيون¬هاي سيس و يا ترانس در رنگينه¬هاي سنتز شده انجام شدند. واژه‌هاي كليدي: رنگينه¬هاي تري¬متين اكسونول، نمك¬هاي ويناميدينيوم، فلورسانس. چكيده: بخش دوم سنتز آنتي¬بيوتيك¬هاي سفالوسپورين-¬'3-ديازينيوم ديولات¬هاي دهنده نيتريك اكسيد (NO) بيوفيلم¬هاي باكتريايي مقاومت¬هاي بالايي نسبت به آنتي¬بيوتيك¬ها نشان مي¬دهند و از آنجايي كه به عنوان عامل اصلي طيف گسترده¬اي از عفونت¬هاي مزمن شناخته شده¬اند يكي از بزرگ¬ترين مشكلات در زمينه¬هاي درماني محسوب مي¬شوند. بنابراين يك نياز فوري به كشف داروهاي موثر جديد ضد بيوفيلمي و راه¬هايي براي مهار و درمان بيماري¬هاي عفوني ناشي بيوفيلم¬ها و كاهش مصرف آنتي¬بيوتيك¬ها وجود دارد. درمان با نيتريك اكسيد خارجي، تنظيم سيگنال¬ها و فرآيندهاي متابوليسم باكتريايي كه منجر به پراكندگي بيوفيلم¬ها و تبديل آنها به فرم پلانكتوني كه نسبت به آنتي¬بيوتيك¬ها حساسيت بالاتري دارند را نشان داده است. امروزه پراكندگي بيوفيلم¬ها بوسيله پيش داروهاي دهنده نيتريك اكسيد به عنوان يك راهبرد جديد درماني اميدواركننده براي درمان عفونت¬هاي بيوفيلمي مزمن در پزشكي محسوب مي¬شود. سفالوسپورين-¬'3-ديازينيوم ديولات¬هاي دهنده نيتريك اكسيد از جمله پيش داروهاي دهنده نيتريك اكسيد هستند كه كه قادر به تحويل بسيار ويژه و هدفمند نيتريك اكسيد به محل¬ عفونت¬هاي بيوفيلمي پس از واكنش با آنزيم¬هاي بتالاكتامايز باكتريايي هستند. تحويل هدفمند حدواسط نيتريك اكسيد در محل هدف خطر عوارض جانبي ناشي از نيتريك اكسيد در درمان با داروهاي دهنده غير هدفمند نيتريك اكسيد را كاهش مي¬دهد. با ساختارهاي مبتني بر سفالوسپورين ها، سفالوسپورين-¬'3-ديازينيوم ديولات¬ها مي¬توانند به طور عمده در اثر واكنش با آنزيم¬هاي ترانس پپتيدايز كه هدف اصلي ضد باكتريايي همه سفالوسپورين¬ها هستند براي انتشار نيتريك اكسيد فعال شوند. برهمكنش ميان اين پيش دارو¬ها با آنزيم¬هاي ترانس پپتيدايز نه تنها منجر به آزاد شدن نيتريك اكسيد و پراكندگي بيوفيلم¬ها مي¬گردد، بلكه با مهار عملكرد آنزيم¬هاي ترانس پپتيدايز منجر به مرگ سلول¬هاي باكتري و پلانكتون¬هاي آزاد شده مي¬شود و نياز به آنتي¬بيوتيك¬هاي كمكي ندارد. اين مفهوم فعاليت دوگانه يك رويكرد جديد و بالقوه برتر در استفاده درماني از سفالوسپورين-¬'3-ديازينيوم ديولات¬ها را فراهم مي¬كند. ايجاد فعاليت¬هاي دو گانه نياز به توسعه آنالوگ¬هاي جديدي دارد كه پايداري بيشتري نسبت به آنزيم¬هاي بتالاكتامايز و ميل تركيبي شديد با آنزيم¬هاي ترانس پپتيدايز نشان مي¬دهند. علاوه بر اين نفوذ زياد از طريق ديواره سلولي باكتري¬هاي گرم منفي نيز مورد نياز است. استفاده از سفالوسپورين¬هاي نسل¬هاي بالاتر و ديازينيوم ديولات¬هاي داراي گروه¬هاي آمين نوع اول مي¬توانند منجر به افزايش نفوذپذيري و انتشار نيتريك اكسيد در اثر واكنش با آنزيم¬هاي ترانس پپتيدايز شوند و در نتيجه دست يافتن همزمان به اثر بخشي سفالوسپورين استفاده شده و پراگندگي بيوفيلم¬ها را فراهم سازند (طرح 1). طرح 1: مكانسيم پيشنهادي انتشار نيتريك اكسيد در اثر واكنش با آنزيم هاي بتالاكتامايز و يا ترانس پپتيدايز هدف اصلي اين پژوهش سنتز دو سري جديد از پيش داروهاي سفالوسپورين-¬'3-¬ديازينيوم ديولات¬ها بر پايه سفالوسپورين¬هاي نسل¬هاي جديد سفالكسين و سفتازيديم از جمله سفالكسين -¬'3-¬ديازينيوم ديولات¬ها و سفتازيديم -¬'3-¬ديازينيوم ديولات¬ها مي¬باشد. سفتازيديم -¬'3-¬ديازينيوم ديولات¬ها به منظور افزايش پايداري در مقابل آنزيم¬هاي بتالاكتامايز و افزايش تمايل جهت واكنش با آنزيم¬هاي ترانس پپتيدايز براي انتشار خاص و موثر نيتريك اكسيد در محل عفونت طراحي شده¬اند كه قادرند پس از پراكندگي بيوفيلم¬ها بوسيله انتشار نيتريك اكسيد بدون نياز به آنتي بيوتيك¬هاي كمكي منجر به مرگ باكتري¬هاي پلانكتوني آزاد شده شوند. سفالكسين -¬'3-¬ديازينيوم ديولات¬ها علاوه بر انتشار نيتريك اكسيد قادرند حلاليت و نفوذ بهتر به درون سلول¬هاي باكتري گرم منفي را افزايش دهند. واژه‌هاي كليدي: بيوفيلم¬هاي باكتريايي، سفالوسپورين-¬'3-¬ديازينيوم ديولات¬ها، عوامل پراكندگي بيوفيلم، نيتريك اكسيد.

1398/09/02

9/17/2020 12:00:00 AM

first section: Abstract Synthesis of new β-substituted trimethine oxonol dyes using vinamidinium salts Oxonol dyes are an important class of polymethine dyes in which two heterocyclic rings containing oxygens are linked by a polymethine chain as shown in Figure 1. Figure 1. General structure of polymethine oxonol dyes. Oxonol dyes have unique intrinsic properties such as relatively good stability, high molar absorption coefficients, ability to generate triplet state oxygen and cytotoxic singlet oxygen (1O2) and prominent fluorescence characteristics which led to use of oxonol dyes as fluorescent probes for biological studies and photodynamic therapy agents. However, very few synthetic procedures are available for oxonol dyes and they present unsubstituted oxonol dyes in polymethine chain along with small Stokes shifts. Therefore, introducing bulky substituents with tailored steric hindrance and resonance effects into the polymethine chain can lead to increasing Stokes shift. Herein, a mild and efficient 3-step procedure was developed to access novel trimethine oxonol dyes carrying quaternary pyridinium groups at the β position of polymethine chain. The procedure involves a simple triethylamine-promoted condensation of 1,3-dimethylbarbituric acid or 1,3-indandione with preformed vinamidinium salts (scheme 1). Scheme 1. Synthetic pathway to synthesis of oxonol dyes. 1H NMR, 13C NMR, IR and HR-MS spectral data confirmed the structures of the dyes. Their photophysical properties such as the maximum absorption and fluorescence emission, molar absorption coefficient (), Stokes shift and fluorescence quantum yield f) were measured at room temperature. Density functional theory calculations were carried out on the dyes at the B3LYP/6–311G(d,p) level of theory to investigate the conformational changes arising from the different substituents and identified planar cis or trans configurations. Keywords: Trimethine oxonol dyes, Vinamidinium salts, Fluorescence, Photodynamic therapy agents. Second section: Abstract Synthesis of cephalosporin-3'-diazeniumdiolates (C3Ds) as NO-donor antibiotics Bacterial biofilms show high tolerance towards antibiotics and are a significant problem in clinical settings, where they are the primary cause of a wide range of chronic infections. There is an urgent unmet need to discover novel anti-biofilm drugs and therapeutic strategies to improve the treatment or chronic infections and support the reduction of antibiotic use. Treatment with exogenous nitric oxide (NO) has been shown to modulate bacterial signaling and metabolic processes that disperse biofilms and render them more susceptible to antibiotics. Biofilm dispersing NO-donor prodrugs hold great promise as new treatments for biofilm-medicated chronic infections. Cephalosporin-3’-diazeniumdiolates (C3Ds) are NO-donor prodrugs that are capable of highly specific and targeted delivery of NO to biofilm infection sites following reaction with bacterial -lactamases. Localization of NO to biofilm infection sites lowers the risk of NO mediated side effects, which would likely be observed with non-targeted NO donor drugs. With structures based on cephalosporins, C3Ds could, in principal, also be triggered to release NO by reactions with transpeptidases/penicillin-binding proteins (PBPs), the antibacterial target of cephalosporin antibiotics. Transpeptidase-reactive C3Ds could potentially show both NO-mediated anti-biofilm properties and intrinsic (-lactam-mediated) antibacterial effects. This dual-activity concept provides a novel and potentially superior approach in the therapeutic use of C3Ds Creation of dual-activity C3Ds requires development of new analogs that show increased stability towards -lactamases and high reactivity towards PBPs. High penetration through Gram-negative bacterial cell walls is also required. due to have higher generation of cephalosporin and primary amine in diazeniumdiolates moiety and also release NO following reaction with the bactericidal target of -lactam antibiotics, Penicillin Binding Proteins (PBPs) achieving both biofilm dispersion and bacterial cell death from the same drug. Scheme 1. Proposed mechanism for release of NO from cephalosporin-3՛-diazeniumdiolates The aim of this project was synthesis two new classes of C3Ds based on the later generation cephalosporins ceftazidime and cephalexin; i.e. ceftazidime-3'-diazeniumdiolate and cefalexin-3'-diazeniumdiolate. Ceftazidime-3'-diazeniumdiolate (C3D) was designed to show increased stability against enzyme -lactamase and high reactivity towards penicillin-binding proteins (PBPs), leading to biofilm-dispersing NO release and -lactam-mediated bactericidal activity without the need for co-administered antibiotics. Cefalexin-3'-diazeniumdiolate (C3D) could show increases solubility and better penetration through Gram-negative cell walls. Keywords: Bacterial biofilm, Cephalosporin-3'-diazeniumdiolates (C3Ds), Anti-biofilm drugs, Biofilm dispersing NO-donor agent.