C-glycoside synthesis towards innovation in antimicrobials

Tese de mestrado, Química (Química, Saúde e Nutrição) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020Bacillus anthracis, a spore forming Gram (+) bacterium, is considered one of the most lethal biological weapons due to its highly pathogenic nature, easy production, preservation, and to the possibility of being aerosolized and sprayed. The fact that antibiotics are ineffective against the spores and the released toxins, makes it a serious threat 1,2.In addition, development of antimicrobial resistance has become a worldwide problem, as the impact of antibiotics is diminishing due to progressive rise of resistance to the available antimicrobial drugs 3. It was previously described the importance of the bacteria membrane’s integrity in its life - the cell envelope cannot change without significant consequences to the bacteria life. Also, the development of resistance becomes extremely difficult 4. For this reason, the essentiality of cell membrane makes it a promising target for new antibiotics. In order to target B. anthracis membrane, our research group has investigated the use of carbohydrate-based surfactants as potential antibiotics since these amphiphilic compounds are known to be able to interact with the cell membrane lipid bilayer 5. Hence, a library of alkyl glycosides was synthesized varying deoxygenation pattern, alkyl chain, sugar stereochemistry, anomeric configuration and atom linking the alkyl chain to the saccharide moiety 6–10. The compound that showed the best results was an O-glycoside, the dodecyl 4,6-dideoxy-α-D-xylo-hexopyranoside, which was active against B. cereus, E. faecalis and B. anthracis (strains: pathogenic, sterne and ovine) with MIC = 12.6 μM. Comparing to chloramphenicol, the control used in the biological assays, the MIC value revealed to be half of the MIC showed by the control (MIC = 25 μM). Also C-glycosides were found less toxic compounds on Caco-2 cells than the corresponding O- and S-glycosides 9. The aim of the presenting dissertation was to explore the first synthetic route towards dodecyl 4,6-dideoxy-α-D-xylo-hexopyranoside, the C-glycoside analogue to the O-glycoside previously described. Three synthetic pathways were investigated, using either the naturally occurring D-glucose or its methyl glucoside as starting materials. When starting from D-glucose, it was regioselectively protected with a 4,6-O-benzylidene group while benzyl groups were protecting positions 1, 2 and 3. Since the reaction outcome of the acetal protecting group with N-iodosuccinimide was not successful possibly due to the reactivity of the benzyl protecting groups, other attempts were tried and the desired compound – the C-glycoside with the 4,6-dideoxy pattern (19) was obtained in 13% overall yield. Cytotoxicity tests are to be performed and biological assays are on-going in order to determine this C-glycoside efficacy towards B. anthracis.Bacillus anthracis, uma bactéria Gram (+) existente na forma de esporos, é considerada uma das armas biológicas de maior carácter letal devido à sua natureza altamente patogénica, à facilidade da sua produção e preservação bem como a possibilidade de os esporos serem pulverizados. O facto de os antibióticos não serem efetivos quando usados contra os esporos ou contra as toxinas libertadas pela bactéria, torna-a um problema sério 1,2. Para além disso, o desenvolvimento de resistência a antibacterianos tornou-se um problema grave à escala mundial, com o impacto da evolução dos antibióticos a diminuir face ao aumento progressivo da resistência dos patógenos às terapêuticas disponíveis 3. A importância da integridade da membrana bacteriana foi descrita anteriormente, onde se afirmou que o envelope celular não muda sem gerar consequências significativas na vida da bactéria. Ainda, o desenvolvimento de mecanismos de resistência torna-se extremamente difícil. Por esta razão, a essencialidade da membrana celular torna-a um alvo promissor para novos antibióticos 4. Tendo a membrana da bactéria B. anthracis como alvo a atingir, o nosso grupo de investigação está focado no desenvolvimento de carboidratos surfactantes como potenciais antibióticos, uma vez que se sabe que este tipo de moléculas anfifílicas interage com a membrana lipídica das células 5. Deste modo, foi sintetizada uma pequena biblioteca de C-glicósidos de alquilo com padrão de desoxigenação variável, diferentes cadeias alquílicas, estereoquímica do monossacárido, configuração anomérica e átomo que liga a cadeia alquílica ao glicósido 6–10. O composto que demonstrou melhores resultados foi um O-glicósido, 4,6-didesoxi-α-D-xylo-hexopiranósido de dodecilo, que revelou ser ativo contra as bactérias B. cereus, E. faecalis e B. anthracis (estirpes: patogénica, sterne e ovino) com MIC = 12.6 μM. Comparando com os resultados demonstrados aquando do uso de cloranfenicol, controlo usado nos testes biológicos, o valor de MIC do O-glicósido revelou ser cerca de metade do valor de MIC do controlo (MIC controlo = 25 μM). Ainda, os C-glicósidos sintetizados demonstraram ser menos tóxicos para a linha celular Caco-2 do que os correspondentes O- e S-glicósidos 9. O objetivo da dissertação apresentada foi o da exploração da primeira via sintética do composto 4,6-didesoxi-α-D-xylo-hexopiranósido de dodecilo, o C-glicósido análogo ao O-glicósido previamente descrito. Foram investigados três esquemas sintéticos, usando a D-glucose ou o seu análogo metilado como produtos de partida. O esquema sintético A partiu da D-glucose, cuja proteção dos grupos -OH livres foi conseguida com a introdução regiosseletiva do grupo 4,6-O-benzilideno e de grupos benzilo nas posições 1, 2 e 3. Uma vez que a redução do grupo benzilideno com N-iodosuccinimida não foi conseguida com sucesso, possivelmente devido à reatividade dos grupos benzilo, o esquema sintético B foi adotado. Após várias reações de proteção/desproteção dos hidroxilos da glícona, C-glicosilação da posição anomérica e elongação da cadeia alquílica, o derivado de glicósido desejado – o C-glicósido com o padrão de desoxigenação 4,6-didesoxi (19) foi obtido com um rendimento total de 13%. Os resultados dos testes de citotoxicidade são esperados de modo a confirmar a hipótese, inicialmente proposta, de que o C-glicósido é menos tóxico que o seu análogo O-glicósido. Além disso, os testes biológicos estão em curso para que seja determinada a eficácia deste C-glicósido contra a bactéria B. anthracis