Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.

"Child`s Health" Том 13, №5, 2018

Back to issue

Drug limitation of the availability of iron ions for pathogenic bacteria (part 2)

Authors: Абатуров А.Е.(1), Крючко Т.А.(2)
(1) — ГУ «Днепропетровская медицинская академия МЗ Украины», г. Днепр, Украина
(2) — ВГУУУ «Украинская медицинская стоматологическая академия», г. Полтава, Украина

Categories: Pediatrics/Neonatology

Sections: Specialist manual

print version


Summary

Існуючі ефективні методи лікування, розроблені для здійснення контролю над рівнем забезпечення бактерії залізом, засновані на застосуванні препаратів, які зв’язують іони заліза, пригнічують механізми синтезу сидерофорів; заміщають тривалентне залізо тривалентним галієм, доставляючи в бактерію антимікробні засоби або галій. Однак сучасний стан питання не вичерпав потенціал існуючих методів терапії і ще не використовуються всі можливі механізми контролю над бактеріальним обміном заліза. Зокрема, практично не вивчені штамоспецифічні механізми пригнічення процесу поглинання навантажених залізом сидерофорів і способи виділення іонів заліза з бактерій. Також дослідження функціонування системи ліпокаліну дозволять використовувати даний еволюційний шлях захисту від інфекційних агентів у медичній практиці. Медикаментозний контроль над забезпеченням патогенних бактерій залізом з огляду на високий ступінь залежності життєдіяльності мікроорганізмів і рівня бактеріальної вірулентності від доступності пулу заліза відкриває широку перспективу для майбутніх наукових досліджень, які, безсумнівно, приведуть до розробки нових терапевтичних підходів у лікуванні інфекційних захворювань.

Существующие эффективные методы лечения, разработанные для осуществления контроля над уровнем обеспечения железом бактерии, основаны на применении препаратов, которые хелатируют ионы железа, подавляют механизмы синтеза сидерофоров; замещают трехвалентное железо трехвалентным галлием, доставляя в бактерию антимикробные средства или галлий. Однако современное состояние вопроса не исчерпало потенциал существующих методов терапии и еще не используются все возможные механизмы контроля над бактериальным обменом железа. В частности, практически не изучены штаммоспецифические механизмы ингибирования процесса поглощения нагруженных железом сидерофоров и способы выделения ионов железа из бактерий. Также исследования функционирования системы липокалина позволят использовать данный эволюционный путь защиты от инфекционных агентов в медицинской практике. Медикаментозное управление обеспечением патогенных бактерий железом с учетом высокой степени зависимости жизнедеятельности микроорганизмов и уровня бактериальной вирулентности от доступности пула железа открывает широкую перспективу для будущих научных исследований, которые, несомненно, приведут к разработке новых терапевтических подходов к лечению инфекционных заболеваний.

Existing effective methods of treatment designed to control the level of iron supply to the bacteria are based on the use of drugs that chelate iron ions, inhibit the mechanisms of siderophore synthesis; replace trivalent iron with trivalent gallium delivering antimicrobial agents or gallium into the bacterium. However, the current state of the issue has not run out the potential of existing methods of therapy, and yet not all possible mechanisms to control the exchange of iron in bacteria are being used. In particular, the strain-specific mechanisms of absorption inhibition in iron-loaded siderophores and methods to isolate iron ions from bacteria are essentially unexplored. Also, studies on the functioning of the lipocalin system will make it possible to use this evolutionary way for the protection against infectious agents in medical practice. Drug control over the iron supply to the pathogenic bacteria open the potential for future scientific researches in view of the high degree of dependence of the vital activity of microorganisms and the level of bacterial virulence on the accessibility of the iron pool. Undoubtedly, the studies will lead to the development of new therapeutic approaches to the treatment of infectious diseases.


Keywords

пневмонії; залізо; патогенні бактерії; управління забезпеченням залізом

пневмонии; железо; патогенные бактерии; управление обеспечением железом

pneumonia; iron; pathogenic bacteria; iron supply management


For the full article you need to subscribe to the magazine.


Bibliography

1. Arnold C. Pharmacokinetics of gallium maltolate after intragastric administration in adult horses / C. Arnold, M.K. Chaffin, N. Cohen et al. // Am. J. Vet. Res. — 2010 Nov. — 71(11). — Р. 1371-6. doi: 10.2460/ajvr.71.11.1371.
2. Atala A. Re: Cellular Uptake and Anticancer Activity of Carboxylated Gallium Corroles // J. Urol. — 2016 Nov. — 196(5). — Р. 1584-1585. doi: 10.1016/j.juro.2016.08.022.
3. Ballouche M., Cornelis P., Baysse C. Iron metabolism: a promi–sing target for antibacterial strategies // Recent Pat. Antiinfect. Drug Discov. — 2009 Nov. — 4(3). — Р. 190-205. PMID: 19594436.
4. Banin E. The potential of desferrioxamine-gallium as an anti-Pseudomonas therapeutic agent / E. Banin, A. Lozinski, K.M. Brady et al. // Proc. Natl Acad. Sci. USA. — 2008, Oct 28. — 105(43). — Р. 16761-6. doi: 10.1073/pnas.0808608105.
5. Bernstein L.R. Ga Therapeutic Gallium Compounds // https://www.gallixa.com/GAMReferences/MetallotherapeuticsChapter14.pdf 
6. Bonchi C. Pyoverdine and proteases affect the response of Pseudomonas aeruginosa to gallium in human serum / C. Bonchi, E. Frangipani, F. Imperi, P. Visca // Antimicrob Agents Chemother. — 2015 Sep. — 59(9). — Р. 5641-6. doi: 10.1128/AAC.01097-15.
7. Braun V. Sideromycins: tools and antibiotics / V. Braun, A. Pramanik, T. Gwinner et al. // Biometals. — 2009 Feb. — 22(1). — Р. 3-13. doi: 10.1007/s10534-008-9199-7.
8. Chen M. Synthesis and molecular structure of an abnormal carbene-gallium chloride complex / M. Chen, Y. Wang, R.J. Gilliard Jr et al. // Dalton Trans. — 2014, Oct 14. — 43(38). — Р. 14211-4. doi: 10.1039/c4dt00933a.
9. Chevalier S. Structure, function and regulation of Pseudomonas aeruginosa porins / S. Chevalier, E. Bouffartigues, J. Bodilis et al. // FEMS Microbiol Rev. — 2017, Sep 1. — 41(5). — Р. 698-722. doi: 10.1093/femsre/fux020.
10. Chitambar C.R. Gallium and its competing roles with iron in biological systems // Biochim. Biophys. Acta. — 2016 Aug. — 1863(8). — Р. 2044-53. doi: 10.1016/j.bbamcr.2016.04.027.
11. Chitambar C.R. The therapeutic potential of iron-targeting gallium compounds in human disease: From basic research to clinical application // Pharmacol. Res. — 2017 Jan. — 115. — Р. 56-64. doi: 10.1016/j.phrs.2016.11.009.
12. Coates A.R., Halls G., Hu Y. Novel classes of antibiotics or more of the same? // Br. J. Pharmacol. — 2011 May. — 163(1). — Р. 184-94. doi: 10.1111/j.1476-5381.2011.01250.x.
13. DeLeon K. Gallium maltolate treatment eradicates Pseudomonas aeruginosa infection in thermally injured mice / K. DeLeon, F. Balldin, C. Watters et al. // Antimicrob. Agents Chemother. — 2009 Apr. — 53(4). — Р. 1331-7. doi: 10.1128/AAC.01330-08.
14. Despaigne A.A. 2-Acetylpyridine- and 2-benzoylpyridine-derived hydrazones and their gallium(III) complexes are highly cytotoxic to glioma cells / A.A. Despaigne, G.L. Parrilha, J.B. Izidoro et al. // Eur. J. Med. Chem. — 2012 Apr. — 50. — Р. 163-72. doi: 10.1016/j.ejmech.2012.01.051.
15. Drake E.J. Biochemical and structural characterization of bisubstrate inhibitors of BasE, the self-standing nonribosomal peptide synthetase adenylate-forming enzyme of acinetobactin synthesis / E.J. Drake, B.P. Duckworth, J. Neres et al. // Biochemistry. — 2010, Nov 2. — 49(43). — Р. 9292-305. doi: 10.1021/bi101226n.
16. Falagas M.E. Activity of cefiderocol (S-649266) against carbapenem-resistant Gram-negative bacteria collected from inpatients in Greek hospitals / M.E. Falagas, T. Skalidis, K.Z. Vardakas et al. // J. Antimicrob. Chemother. — 2017, Jun 1. — 72(6). — Р. 1704-1708. doi: 10.1093/jac/dkx049.
17. Foley T.L., Simeonov A. Targeting iron assimilation to develop new antibacterials // Expert Opin. Drug Discov. — 2012 Sep. — 7(9). — Р. 831-47. doi: 10.1517/17460441.2012.708335.
18. García-Contreras R. Gallium induces the production of virulence factors in Pseudomonas aeruginosa / R. García-Contreras, B. Pérez-Eretza, E. Lira-Silva et al. // Pathog. Dis. — 2014 Feb. — 70(1). — Р. 95-8. doi: 10.1111/2049-632X.12105.. 
19. Ghazi I.M. Pharmacodynamics of cefiderocol, a novel si–derophore cephalosporin, explored in a pseudomonas aeruginosa neutropenic murine thigh model / I.M. Ghazi, M.L. Monogue, M. Tsuji, D.P. Nicolau // Int. J. Antimicrob. Agents. — 2017, Oct 27. — pii: S0924-8579(17)30372-2. doi: 10.1016/j.ijantimicag.2017.10.008.
20. Ghequire M.G., De Mot R. Ribosomally encoded antibacterial proteins and peptides from Pseudomonas // FEMS Microbiol Rev. — 2014 Jul. — 38(4). — Р. 523-68. doi: 10.1111/1574-6976.12079.
21. Górska A., Sloderbach A., Marszałł M.P. Siderophore-drug complexes: potential medicinal applications of the 'Trojan horse' stra–tegy // Trends Pharmacol. Sci. — 2014 Sep. — 35(9). — Р. 442-9. doi: 10.1016/j.tips.2014.06.007.
22. Gulick A.M. Nonribosomal peptide synthetase biosynthetic clusters of ESKAPE pathogens // Nat. Prod. Rep. — 2017, Aug 2. — 34(8). — Р. 981-1009. doi: 10.1039/c7np00029d.
23. Hider R.C., Kong X. Chemistry and biology of siderophores // Nat. Prod. Rep. — 2010 May. — 27(5). — Р. 637-57. doi: 10.1039/b906679a.
24. Hijazi S., Visca P., Frangipani E. Gallium-Protoporphyrin IX Inhibits Pseudomonas aeruginosa Growth by Targeting Cytochromes // Front. Cell. Infect. Microbiol. — 2017, Jan 26. — 7. — Р. 12. doi: 10.3389/fcimb.2017.00012.
25. Huayhuaz J.A. Desferrioxamine and desferrioxamine-caffeine as carriers of aluminum and gallium to microbes via the Trojan Horse Effect / J.A. Huayhuaz, H.A. Vitorino, O.S. Campos et al. // J. Trace Elem. Med. Biol. — 2017 May. — 41. — Р. 16-22. doi: 10.1016/j.jtemb.2017.01.006.
26. Ji C., Juárez-Hernández R.E., Miller M.J. Exploiting bacterial iron acquisition: siderophore conjugates // Future Med. Chem. — 2012 Mar. — 4(3). — Р. 297-313. doi: 10.4155/fmc.11.191.
27. Johnstone T.C., Nolan E.M. Beyond iron: non-classical biological functions of bacterial siderophores // Dalton Trans. — 2015, Apr 14. — 44(14). — Р. 6320-39. doi: 10.1039/c4dt03559c.
28. Kaneko Y. The transition metal gallium disrupts Pseudomonas aeruginosa iron metabolism and has antimicrobial and antibiofilm activity / Y. Kaneko, M. Thoendel, O. Olakanmi et al. // J. Clin. Invest. — 2007 Apr. — 117(4). — Р. 877-88. doi: 10.1172/JCI30783.
29. Kelson A.B., Carnevali M., Truong-Le V. Gallium-based anti-infectives: targeting microbial iron-uptake mechanisms // Curr. Opin. Pharmacol. — 2013 Oct. — 13(5). — Р. 707-16. doi: 10.1016/j.coph.2013.07.001. 
30. Kubista B. Distinct activity of the bone-targeted gallium compound KP46 against osteosarcoma cells - synergism with autophagy inhibition / B. Kubista, T. Schoefl, L. Mayr et al. // J. Exp. Clin. Cancer Res. — 2017, Apr 12. — 36(1). — Р. 52. doi: 10.1186/s13046-017-0527-z.
31. Kumar K. A novel approach of 67-Gallium-citrate three-phase bone scan to diagnose bone infection: A report of three cases // Indian J. Nucl. Med. — 2016 Oct — Dec. — 31(4). — Р. 260-266. DOI: 10.4103/0972-3919.190801.
32. Kurth C., Kage H., Nett M. Siderophores as molecular tools in medical and environmental applications // Org. Biomol. Chem. — 2016, Sep 21. — 14(35). — Р. 8212-27. doi: 10.1039/c6ob01400c.
33. Machado I. Bioactivity of pyridine-2-thiolato-1-oxide metal complexes: Bi(III), Fe(III) and Ga(III) complexes as potent anti-Mycobacterium tuberculosis prospective agents / I. Machado, L.B. Marino, B. Demoro et al. // Eur. J. Med. Chem. — 2014, Nov 24. — 87. — Р. 267-73. doi: 10.1016/j.ejmech.2014.09.067.
34. McPherson C.J. Clinically relevant Gram-negative resistance mechanisms have no effect on the efficacy of MC-1, a novel siderophore-conjugated monocarbam / C.J. McPherson, L.M. Aschenbrenner, B.M. Lacey et al. // Antimicrob. Agents Chemother. — 2012 Dec. — 56(12). — Р. 6334-42. doi: 10.1128/AAC.01345-12.
35. Miethke M., Marahiel M.A. Siderophore-based iron acquisition and pathogen control // Microbiol. Mol. Biol. Rev. — 2007 Sep. — 71(3). — Р. 413-51. doi: 10.1128/MMBR.00012-07.
36. Minandri F. Promises and failures of gallium as an antibacterial agent / F. Minandri, C. Bonchi, E. Frangipani et al. // Future Microbiol. — 2014. — 9(3). — Р. 379-97. doi: 10.2217/fmb.14.3.
37. Moynié L. Structure and Function of the PiuA and PirA Side–rophore-Drug Receptors from Pseudomonas aeruginosa and Acinetobacter baumannii / L. Moynié, A. Luscher, D. Rolo et al. // Antimicrob. Agents Chemother. — 2017, Mar 24. — 61(4). pii: e02531-16. doi: 10.1128/AAC.02531-16.
38. Page M.G. Siderophore conjugates // Ann. N.Y. Acad. Sci. — 2013 Jan. — 1277. — Р. 115-26. doi: 10.1111/nyas. 
39. Qi J. Synthesis, crystal structure and antiproliferative mechanisms of 2-acetylpyridine-thiosemicarbazones Ga(III) with a greater selectivity against tumor cells / J. Qi, Y. Zheng, K. Qian et al. // –J. –Inorg. Biochem. — 2017 Dec. — 177. — Р. 110-117. doi: 10.1016/j.jinorgbio.2017.09.012.
40. Rangel-Vega A. Drug repurposing as an alternative for the treatment of recalcitrant bacterial infections / A. Rangel-Vega, L.R. Bernstein, E.A. Mandujano-Tinoco et al. // Front. Microbiol. — 2015, Apr 9. — 6. — Р. 282. doi: 10.3389/fmicb.2015.00282.
41. Reagan P., Pani A., Rosner M.H. Approach to diagnosis and treatment of hypercalcemia in a patient with malignancy // Am. J. Kidney Dis. — 2014 Jan. — 63(1). — Р. 141-7. doi: 10.1053/j.ajkd.2013.06.025..
42. Rhomberg P.R. Multilaboratory broth microdilution MIC reproducibility study for GSK3342830, a novel catecholcephem / Rhomberg P.R., Shortridge D., Huband M.D. et al. // American Society for Microbiology (ASM Microbe), 1–5 June 2017. North Liberty (IA): JMI Laboratories, 2017 (https://www.jmilabs.com/data/posters/ASMMicrobe17-GSKreproduce).
43. Richter K. Deferiprone and Gallium-Protoporphyrin Have the Capacity to Potentiate the Activity of Antibiotics in Staphylococcus aureus Small Colony Variants / K. Richter, N. Thomas, G. Zhang et al. // Front. Cell. Infect. Microbiol. — 2017, Jun 22. — 7. — Р. 280. doi: 10.3389/fcimb.2017.00280.
44. Tan L. Discovery of Novel Pyridone-Conjugated Monosulfactams as Potent and Broad-Spectrum Antibiotics for Multidrug-Resistant Gram-Negative Infections / L. Tan, Y. Tao, T. Wang et al. // J. Med. Chem. — 2017, Apr 13. — 60(7). — Р. 2669-2684. doi: 10.1021/acs.jmedchem.6b01261.
45. Thompson M.G. Evaluation of Gallium Citrate Formulations against a Multidrug-Resistant Strain of Klebsiella pneumoniae in a Murine Wound Model of Infection / M.G. Thompson, V. Truong-Le, Y.A. Alamneh et al. // Antimicrob. Agents Chemother. — 2015 Oct. — 59(10). — Р. 6484-93. doi: 10.1128/AAC.00882-15.
46. Tripathi A. Baulamycins A and B, broad-spectrum antibio–tics identified as inhibitors of siderophore biosynthesis in Staphylococcus aureus and Bacillus anthracis / A. Tripathi, M.M. Schofield, G.E. Chlipala et al. // J. Am. Chem. Soc. — 2014, Jan 29. — 136(4). — Р. 1579-86. doi: 10.1021/ja4115924.
47. Valappil S.P. Controlled delivery of antimicrobial gallium ions from phosphate-based glasses / S.P. Valappil, D. Ready, E.A. Abou Neel et al. // Acta Biomater. — 2009 May. — 5(4). — Р. 1198-210. doi: 10.1016/j.actbio.2008.09.019.
48. Valappil S.P. Effect of novel antibacterial gallium-carboxymethyl cellulose on Pseudomonas aeruginosa / S.P. Valappil, H.H. Yiu, L. Bouffier et al. // Dalton Trans. — 2013, Feb 7. — 42(5). — Р. 1778-86. doi: 10.1039/c2dt32235h.
49. Vila-Farres X. Antimicrobials Inspired by Nonribosomal Peptide Synthetase Gene Clusters / X. Vila-Farres, J. Chu, D. Inoyama et al. // J. Am. Chem. Soc. — 2017, Feb 1. — 139(4). — Р. 1404-1407. doi: 10.1021/jacs.6b11861. 
50. Wang W. Siderophore production by actinobacteria / W. Wang, Z. Qiu, H. Tan, L. Cao // Biometals. — 2014 Aug. — 27(4). — Р. 623-31. doi: 10.1007/s10534-014-9739-2.
51. Wright H., Bonomo R.A., Paterson D.L. New agents for the treatment of infections with Gram-negative bacteria: restoring the miracle or false dawn? // Clin. Microbiol. Infect. — 2017 Oct. — 23(10). — Р. 704-712. doi: 10.1016/j.cmi.2017.09.001.
52. Zanias S. Synthesis, Structure, and Antiproliferative Activity of Three Gallium(III) Azole Complexes / S. Zanias, G.S. Papaefstathiou, C.P. Raptopoulou et al. // Bioinorg. Chem. Appl. — 2010. — pii: 168030. doi: 10.1155/2010/168030.

Back to issue