A methylazanediyl bisacetamide derivative as a novel antimicrobial agent effective against multidrug-resistant Staphylococcus aureus

Abstract

황색포도상구균은 광범위한 감염을 일으키기 때문에 임상적으로 가장 중요한 병원균 중 하나다. 황색포도상구균으로 인한 감염은 항생제 내성을 발달시키는 능력과 persister를 형성하는 능력 때문에 현재의 항생제로 치료하기 어려운 경우가 많다. 따라서 항생제 내성 및 persister에 대처하기 위한 새로운 항생제가 시급히 요구된다. 우리는 여기서 methylazanediyl bisacetamide 유도체인 2-[({[4-chloro-3-(trifluoromethyl)phenyl]carbamoyl}methyl)(methyl)amino] -N-(2,2-difluoro-1,3-dioxaindan-5-yl)acetamide (MB1)을 소개하고 이 화합물의 내성 형성, 작용 메커니즘 및 항persister 활성에 대해 설명한다. MB1은 다양한 다제내성 황색포도상구균 (MRSA)에 대해 4 µg/mL의 최소 억제 농도로 항균 활성을 보인다. MB1은 저항 발달이 관찰되지 않았으며, MRSA에 대해 빠른 사멸 동역학을 보였다. 또한 MRSA MW2에 MB1을 처리한 후 TEM으로 관찰한 결과, 막이 파괴되고, 메소솜 유사 형태가 발견되으며, 특이하게도 펩티도글라이칸 층부터 찌그러진 형상을 보였다. 이를 통해 막 투과성을 유도할 수 있을 것이라고 판단하였고, SYTOX Green 분석 및 세포 내 ROS 축적 및 ATP 누출 측정을 통해 이 화합물이 막 투과성과 세포내 활성 산소 종의 수준을 증가시켜 MRSA를 유도함을 입증했다. 그리고 이러한 막 투과성의 원인이 MB1이 세균막의 지질 성분과 결합하여 막 파괴를 일으킨다는 것을 발견했다. 또한, MB1은 보조제로서 MRSA persister에 대한 겐타마이신과 댑토마이신의 살균 활성을 강화시켰고, 특히 MB1 및 겐타마이신과의 조합은 3시간 이내에 MRSA 지속체를 박멸시켰다. 80 mg/Kg의 MB1은 왁스 웜 모델인 Galleria mellonella에 무독성(90% 생존)이었으며 이 화합물은 인간 RBC에 비해 박테리아에 대해 높은 수준의 막 선택성을 나타냈다. 이러한 결과는 MB1이 MRSA 및 내성 황색포도상구균 persister에 대한 새로운 치료제 개발을 위해 추가로 연구될 유망한 선도 물질이 될 수 있음을 보여준다.;Staphylococcus aureus is one of the most clinically important pathogens causing a wide range of infections. Infections caused by S. aureus are often intractable to cure with current antibiotics because of its capability to develop antibiotic resistance and adeptness to form antibiotic-tolerant persisters. Therefore, novel antimicrobial agents are urgently needed to cope with antibiotic resistance and tolerance. I herein report the antimicrobial activity of 2-[({[4-chloro-3-(trifluoromethyl)phenyl]carbamoyl}methyl)(methyl)amino]-N-(2,2-difluoro-1,3-dioxaindan -5-yl)acetamide called MB1 by revealing its mechanism of action. MB1 exhibits antimicrobial activity with a minimal inhibitory concentration of 4 µg/mL against a range of multidrug-resistant S. aureus strains (MRSA). MB1 showed fast killing kinetic against MRSA without observable resistance development. In addition, as a result of observation by the transmission electron microscope (TEM) after treating MRSA MW2 with MB1, the membrane was disrupted and a mesosome-like structure occurred, and unusually, bacterial cells were dented. Through this, it was considered that membrane permeability could be shown, and by conducting SYTOX Green permeabilization assay, measurement of reactive oxygen species (ROS) accumulation, and ATP leakage, I demonstrated that this compound induced MRSA by membrane permeability and increasing the levels of intracellular ROS. I found that the reason for membrane permeability was that MB1 combined with the lipid components of the bacterial membrane and caused membrane disruption. Furthermore, MB1 potentiated the bactericidal activity of gentamicin and daptomycin against MRSA persisters. MB1 at 80 mg/kg was non-toxic to Galleria mellonella (90% survival) and this compound showed a high level of membrane selectivity to bacteria compared to human erythrocytes. Our results warrant that MB1 could be a promising lead compound to be further studied for developing new therapeutic agents against multidrug-resistant and-tolerant S. aureus.