Efflux pump inhibitors and potential adjuvants to reverse multidrug resistance in bacteria and tumor cells

Preview	PDF (thesis) Download (4MB) | Preview
Preview	PDF (booklet) Download (353kB) | Preview
Preview	PDF (booklet) Download (386kB) | Preview

Abstract in Hungarian

A multidrog rezisztencia (MDR) aggasztó probléma az egészségügyben a mikrobiális fertőzések, valamint a rák tekintetében. Mind a bakteriális, mind a rákos sejtek különböző mechanizmusokkal képesek gyógyszerrezisztenssé válni. Az egyik legfontosabb jelenség az MDR efflux pumpák túlzott expressziója, amelyek képesek a káros anyagokat eltávolítani a sejtekből. Ezeknek a membrán transzportereknek a gátlása ígéretes megközelítés lehet az MDR leküzdésére. Az MDR visszafordítása érdekében új szintetikus efflux pumpa inhibítorokat lehetne megtervezni, vagy „régi” gyógyszereket újra felhasználni és adjuvánsként alkalmazni. Először megvizsgáltuk a Gram-negatív E. coli K-12 AG100 törzs stresszválaszát savas pH-n (pH 5) és semleges pH-n (pH 7) a jól ismert fenotiazin típusú efflux pumpa gátló prometazin (PMZ) jelenlétében. A PMZ gátló hatását valós idejű etídium-bromid akkumulációval határoztuk meg, továbbá kvantitatív PCR (qPCR) reakcióval vizsgáltuk az AcrAB-TolC efflux rendszert szabályozó és a pumpát kódoló géneket. Az eredményeink alapján elmondható, hogy a savas pH és a PMZ kezelés szignifikáns stresszreakciót váltott ki a baktériumban. Az efflux pumpa aktivitását szabályozó genetikai rendszer pH-függést mutatott. Második célként szimmetrikus metilketon (Se-K1, -2, -3), metiloxikarbonil (Se-E1, -2, -3) és metilciano (Se- C1, -2, -3) szelenoésztereket vizsgáltunk Salmonella Typhimurium és Staphylococcus aureus törzseken. Meghatároztuk az antibakteriális hatásukat, az efflux pumpa gátló aktivitásukat, az anti-biofilm és a quorum-sensing (QS) gátló hatásukat, valamint a rezisztenciát módosító hatásukat antibiotikumok (tetraciklin és ciprofloxacin) jelenlétében. A szimmetrikus szelenoészterek erős antibakteriális és anti-biofilm aktivitást mutattak, főleg S. aureus törzsekkel szemben. A metiloxikarbonil szelenoészterek (Se-E2, -3) szignifikáns pumpa gátló aktivitást mutattak a pumpa mutáns S. Typhimurium és S. aureus törzsekben, továbbá erős QSgátló hatást figyeltünk meg Se-E1 esetében. Harmadik célunk a fenotiazinok és a rákellenes szelénvegyületek kombinációjának vizsgálata volt MDR rákos sejteken. Rákellenes Sevegyületek (EDA1-11), négy referencia szelénvegyület és három fenotiazin (prometazin, klórpromazin, tioridazin) kombinációját vizsgáltuk MDR egér T-lymphoma sejteken. Két szimmetrikus szelenoészter (EDA2 és EDA5) szinergista kölcsönhatást mutatott mind a három fenotiazinnal. A legerősebb szinergizmust az EDA2 és a tioridazin kombinációja esetén tapasztaltuk. Mindezeket figyelembe véve a fenotiazinok adjuvánsként alkalmazhatók lehetnek a gyógyszer újrapozicionálási megközelítés szerint a rákterápiában. Eredményeink alapján a szelénvegyületek értékes új efflux pumpa gátló vegyületek lehetnek az effluxhoz kapcsolódó MDR leküzdésében mind a baktériumok, mind a rákos sejtek esetén.

Abstract in foreign language

Multidrug resistance (MDR) is an alarming problem in health care regarding microbial infections and cancer. Both bacterial and cancer cells are able to become drug resistant by different mechanisms. One of the most important phenomena is the overexpression of MDR efflux pumps (EPs) that extrude harmful agents out of the cells. The inhibition of these membrane transporters is a promising approach to overcome MDR. In order to reverse MDR, new synthetic efflux pump inhibitors (EPIs) could be designed or „old” drugs could be repurposed and applied as adjuvants. First, to monitor the stress response of the Gram-negative E. coli K-12 AG100, the EP inhibiting activity of the well-known phenothiazine-type drug promethazine (PMZ) was investigated at acidic pH (pH 5) and neutral pH (pH 7). The EP inhibiting effect of PMZ was determinated by real-time ethidium bromide accumulation, furthermore the efflux pump and regulator genes of the AcrAB-TolC efflux system were examined by quantitative PCR (qPCR) reaction. According to the results, the acidic pH and the PMZ treatment induced a significant stress response in the bacterium. The genetic system that regulates the activity of the EP is pH-dependent. Secondly, symmetrical methylketone (Se-K1, -2, -3), methyloxycarbonyl (Se-E1, -2, -3) and methylcyano (Se-C1, -2, -3) selenoesters were examined on Salmonella Typhimurium and Staphylococcus aureus strains. The antibacterial effect, the EPI activity, the anti-biofilm and quorum sensing (QS) inhibiting effects were assessed, furthermore the resistance modulating effects of selenocompounds was determined in the presence of antibiotics (tetracycline and ciprofloxacin). The symmetrical selenoesters showed a strong antibacterial and anti-biofilm activity, mainly against S. aureus strains. Methyloxycarbonyl selenoesters (Se-E2, -3) showed significant EPI activity in pump mutant S. Typhimurium and S. aureus strains, furthermore a strong QS inhibiting effect were observed for Se-E1. The last goal of this study was to investigate the combination of phenothiazines and anticancer selenocompounds on MDR cancer cells. The combination of anticancer Secompounds (EDA1-11), four reference selenocompounds and three phenothiazines (promethazine, chlorpromazine, thioridazine) were investigated on MDR, ABCB1- overexpressing mouse T-lymphoma cells. Two symmetrical selenoesters (EDA2 and EDA5) showed synergistic interaction with all three phenothiazines. The strongest synergism was obtained in case of the combination of EDA2 and thioridazine. Consequently, in case of cancer therapy, phenothiazines could be applied as adjuvants in a drug repositioning approach. Based on our results selenocompounds might be valuable novel EPI compounds to reverse efflux related MDR in both bacteria and cancer cells.

View Item