Антибактериальная и антибиоплёночная активность N-арилпроизводных бензимидазола, бензотриазола и их гибридов

Актуальность. Рост числа штаммов бактерий с множественной лекарственной устойчивостью, вызывающих трудно излечимые инфекционные заболевания, стал одной из серьёзных проблем XXI века. Поэтому в настоящее время существует острая потребность в новых препаратах, действующих против резистентных микроорганизмов.

Цель. Сравнение способности ингибировать рост и образование биоплёнок грамположительных Bacillus subtilis и грамотрицательных Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli бактерий соединениями, содержащими один или два фармакофорных полиазагетероцикла. Методы. Антибактериальную активность полиазагетероциклов оценивали методом серийных разведений в концентрации 31,25–1000 мкг/мл в отношении планктонных форм и биоплёнок Pseudomonas aeruginosa PAO1, Escherichia coli AB1157, Bacillus subtilis BKM B-407. Минимальная подавляющая концентрация (МПК₅₀) была определена как концентрация тестируемого соединения, подавляющая рост бактерий после 24 ч инкубации на 50 %. В качестве тестируемых соединений использовали производные трифторметилбензола, содержащие бензимидазольный и/или бензотриазольный циклы.

Результаты. Изучена антибактериальная и антибиоплёночная активность N-арилпроизводных бензимидазола, бензотриазола и гибридов на их основе. Cоединения, содержащие бензимидазольный цикл, обладали большим антибактериальным эффектом по сравнению с аналогами с бензотриазольным фрагментом. Новые гибридные материалы способны ингибировать факторы патогенности бактерий, такие как способность образования биоплёнок (биоплёнкообразование). Наличие метильного и трифторметильного заместителя во втором положении бензимидазола усиливало антибиоплёночную активность гибридной молекулы.

Заключение. Наличие в соединении бензимидазольного цикла является обязательным условием проявления высокой антимикробной активности. Наблюдался синергизм действия двух азагетероциклов — бензимидазольного и бензотриазольного в гибридном соединении на биоплёнкообразование бактерий, являющееся важной детерминантой вирулентности. Полученные гибридные вещества являются перспективными соединениями для разработки новых антибактериальных препаратов в отношении резистентных бактерий

1. Durand G.A., Raoult D., Dubourg G. Antibiotic discovery: history, methods and perspectives. Int J Antimicrob Agents. 2019; 53 (4): 371–382. doi: 10.1016/j.ijantimicag.2018.11.010.

2. Bloom D.E., Cadarette D. Infectious Disease threats in the twenty-first century: strengthening the global response. Front Immunol. 2019; 10. doi: 10.3389/fimmu.2019.00549.

3. de Oliveira Santos J.V., da Costa Júnior S.D., de Fátima Ramos dos Santos Medeiros S.M., Cavalcanti I.D.L., de Souza J.B., Coriolano D.L .et al. Panorama of bacterial infections caused by epidemic resistant strains. Curr Microbiol. 2022; 79 (6): 175. doi.org/10.1007/s00284-022-02875-9.

4. Тевяшова А.Н., Олсуфьева Е.Н., Преображенская М.Н. Создание антибиотиков двойного действия как путь поиска новых перспективных лекарственных препаратов. Успехи химии. 2015; 84 (1): 61–97. doi: https://doi.org/10.1070/RCR4448.

5. Yin W., Wang Y., Liu L., He J. Biofilms: The microbial «Protective Clothing» in extreme environments. Int J Mol Sci. 2019 Jul 12; 20 (14): 3423. doi: 10.3390/ijms20143423.

6. Gupta P., Sarkar S., Das B., Bhattacharjee S., Tribedi P. Biofilm, pathogenesis and prevention — a journey to break the wall: a review. Arch Microbiol. 2016; 198: 1–15. doi: 10.1007/s00203-015-1148-6.

7. Del Pozo J.L. Biofilm-related disease. Expert Rev Anti Infect Ther. 2018; 16 (1): 51–65. doi: 10.1080/14787210.2018.1417036.

8. Tangadanchu V.K.R., Sui Y.F., Zhou C.H. Isatin-derived azoles as new potential antimicrobial agents: Design, synthesis and biological evaluation. Bioorg Med Chem Lett. 2021; 41: 128030. doi: 10.1016/j.bmcl.2021.128030.

9. Malasala S., Ahmad M.N., Akunuri R., Shukla M., Kaul G., Dasgupta A. et al. Synthesis and evaluation of new quinazoline-benzimidazole hybrids as potent anti-microbial agents against multidrug resistant Staphylococcus aureus and Mycobacterium tuberculosis. Eur J Med Chem. 2021; 212: 112996. doi: 10.1016/j.ejmech.2020.112996. Epub 2020 Nov 6.

10. Karaca Gençer H., Acar Çevik U., Levent S., Sağlık B., Korkut B., Özkay Y. et al. New benzimidazole-1,2,4-triazole hybrid compounds: synthesis, anticandidal activity and cytotoxicity evaluation. Molecules. 2017 Mar 27; 22 (4): 507. doi: 10.3390/molecules22040507.

11. Aitha S., Thumma V., Ambala S., Matta R., Panga S., Pochampally J. Bis 1, 2, 3-triazoles linked deoxybenzoin hybrids as antimicrobial agents: synthesis, in vitro and in silico screening. ChemistrySelect. 2023; 8 (13). doi: https://doi.org/10.1002/slct.202300405.

12. Nidhi Jangir, Poonam, Surbhi Dhadda, Dinesh K. Jangid. Recent advances in the synthesis of five- and six-membered heterocycles as bioactive skeleton: A concise overview. ChemistrySelect. 2022; 7 (6). doi: https://doi.org/10.1002/slct.202103139.

13. Tarasenko M.V., Sidneva V.V., Belova A.S., Romanycheva A., Sharonova T., Baykov S.V. et al. An efficient synthesis and antimicrobial evaluation of 5-alkenyl- and 5-styryl-1,2,4-oxadiazoles. Arkivoc. 2018; 2018 (7): 458–470. doi: https://doi.org/10.24820/ark.5550190.p010.760.

14. Бегунов Р.С., Егоров Д.О., Четвертакова А.В., Савина Л.И., Зубишина А.А. Антибактериальная активность галоген- и нитропроизводных бензимидазола в отношении Bacillus subtilis. Антибиотики и химиотер. 2023; 68 (3-4): 19–24. doi: https: //doi.org/1010.37489/02352990-2023-68-3-4-19-24.

15. Shah K., Chhabra S., Shrivastava S.K., Mishra P. Benzimidazole: a promising pharmacophore. Med Chem Res. 2013; 22 (11): 5077–104. doi: 10.1007/s00044-013-0476-9.

16. Mahurkar N.D., Gawhale N.D., Lokhande M.N., Uke S.J., Kodape M.M. Benzimidazole: A versatile scaffold for drug discovery and beyond — a comprehensive review of synthetic approaches and recent advancements in medicinal chemistry. Results in Chemistry. 2023; 6: 101139. doi: https://doi.org/1010.1016/j.rechem.2023.101139.

17. Champa R., Vishnumurthy K.A., Bodke Y.D., Bhojya Naik H.S., Pushpavathi I., Meghana P. et al. Synthesis, characterization, and biological investigations of potentially bioactive heterocyclic compounds containing benzimidazole nucleus. Results in Chemistry. 2023; 6: 101018. doi: https://doi.org/1010.1016/j.rechem.2023.101018.

18. Sivakumar R., Pradeepchandran R., Jayaveera K.N., Kumarnallasivan P., Vijaianand P.R., Venkatnarayanan R. Benzimidazole: an attractive pharmacophore in medicinal chemistry Int. J. Pharm. Res. 2011; 3 (3): 19–31. doi: https://doi.org/10.5772/intechopen.101942.

19. Pullagura M Krishna Prasad, Avdhut Kanvinde S., Raja S. Potent biological agent benzimidazole–a review. J Pharm Pharm Sci. 2016; 8 (12): 22. doi: 10.22159/ijpps.2016v8i12.14949.

20. Vitaku E., Smith D.T., Njardarson J.T. Analysis of the structural diversity, substitution patterns, and frequency of nitrogen heterocycles among U.S. FDA approved pharmaceuticals. J Med Chem. 2014; 57 (24): 10257–74. doi: 10.1021/jm501100b.

21. Ates-Alagoz Z. Antimicrobial Activities of 1-H-benzimidazole-based molecules. Curr. Top. Med. Chem. 2016; 16 (26): 2953–2962. doi: 10.2174/1568026616666160506130226.

22. Bansal Y., Kaur M., Bansal G. Antimicrobial potential of benzimidazole derived molecules. Mini Rev Med Chem. 2019; 19 (8): 624–646. doi: 10.2174/1389557517666171101104024.

23. Milošević N.P., Dimova V.B., Perišić-Janjić N.U. RP TLC data in correlation studies with in silico pharmacokinetic properties of benzimidazole and benztriazole derivatives. Eur J Pharm Sci. 2013; 49 (1): 10–17. doi: 10.1016/j.ejps.2013.01.018.

24. Czerwonka G., Gmiter D., Guzy A., Rogala P., Jabłońska-Wawrzycka A., Borkowski A. et al. A benzimidazole-based ruthenium (IV) complex inhibits Pseudomonas aeruginosa biofilm formation by interacting with siderophores and the cell envelope, and inducing oxidative stress. Biofouling. 2019; 35 (1): 59–74. doi: 10.1080/08927014.2018.1564818.

25. Sambanthamoorthy K., Gokhale A.A., Lao W., Parashar V., Neiditch M.B., Semmelhack M.F. et al. Identification of a novel benzimidazole that inhibits bacterial biofilm formation in a broad-spectrum manner. Antimicrob Agents Chemother. 2011; 55 (9): 4369–78. doi: 10.1128/aac.00583-11.

26. Srinivasarao S., Nandikolla A., Nizalapur S., Yu T.T., Pulya S., Ghosh B. et al. Design, synthesis and biological evaluation of 1,2,3-triazole based 2aminobenzimidazoles as novel inhibitors of LasR dependent quorum sensing in Pseudomonas aeruginosa. RSC Advances. 2019; 9 (50): 29273–92. doi: 10.1039/c9ra05059k.

27. Starkey M., Lepine F., Maura D., Bandyopadhaya A., Lesic B., He J. et al. Identification of anti-virulence compounds that disrupt quorum-sensing regulated acute and persistent pathogenicity. PLoS pathogens. 2014; 10 (8). doi: 10.1371/journal.ppat.1004321.

28. Зайцева Ю.В., Егоров Д.О., Бегунов Р.С., Хлопотинин А.И. Антибактериальная и антибиоплёночная активность полифункциональных производных бензимидазола. Acta biomedica scientifica. 2022; 7 (3): 134–141. doi: https://doi.org/10.29413/ABS.2022-7.3.14.

29. Mendogralo E.Y., Nesterova L.Y., Nasibullina E.R., Shcherbakov R.O., Myasnikov D.A., Tkachenko A.G. et al. Synthesis, antimicrobial and antibiofilm activities, and molecular docking investigations of 2-(1H-Indol3-yl)-1H-benzo[d]imidazole derivatives. Molecules. 2023; 28 (20): 7095. doi: 10.3390/molecules28207095.

30. Earl A.M., Losick R., Kolter R. Ecology and genomics of Bacillus subtilis. Trends in Microbiology. 2008; 16 (6): 269–275. doi: 10.1016/j.tim.2008. 03.004.

31. Сизенцов А.Н., Блиялкина Д.К., Галактионова Л.В., Сальникова Е.В. Оценка резистентности штаммов Bacillus subtilis в отношении антибактериальных препаратов на примере амоксициллина и цефтриаксона. Аграрная наука. 2022; 1 (7–8): 74–79. doi: https://doi.org/10.32634/0869-8155-2022-361-7-8-74-79.

32. Еникеев Р.Р., Татаринова Н.Ю., Захарчук Л.М. Механизмы устойчивости к клинически значимым антибиотикам штаммов бактерий рода Bacillus, выделенных из образцов, доставленных с международной космической станции. Вестник Московского университета. Серия 16. Биология. 2020; 75 (4): 265–272. https://vest_nik-biomsu.elpub.ru/jour/article/view/937.

33. Li D., Zhang L., Liang J., Deng W., Wei Q., Wang K. Biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa in a novel septic arthritis model. Front Cell Infect Microbiol. 2021; 11: 724113. doi: 10.3389/fcimb.2021.724113.

34. Pang Z., Raudonis R., Glick B.R., Lin T.J., Cheng Z. Antibiotic resistance in Pseudomonas aeruginosa: mechanisms and alternative therapeutic strategies. Biotechnol Adv. 2019; 37 (1): 177–192. doi: 10.1016/j.biotechadv.2018.11.013.

35. Moser C., Jensen P.Ø., Thomsen K., Kolpen M., Rybtke M., Lauland A.S., et al. Immune responses to Pseudomonas aeruginosa biofilm infections. Front Immunol. 2021; 12: 625597. doi: 10.3389/fimmu.2021.625597.

36. Rensing C. Pseudomonas: Genomics and Molecular Biology. Microbe Magazine. 2008; 3 (9): 437–438. doi: 10.1128/microbe.3.437.2.

37. Grimwood K., Kyd J.M., Owen S.J., Massa H.M., Cripps A.W. Vaccination against respiratory Pseudomonas aeruginosa infection. Hum Vaccin Immunother. 2015; 11 (1): 14–20. doi: 10.4161/hv.34296.

38. LoVullo E.D., Schweizer H.P. Pseudomonas aeruginosa mexT is an indicator of PAO1 strain integrity. J Med Microbiol. 2020; 69 (1): 139–145. doi: 10.1099/jmm.0.001128.

39. Lee S.Y. High cell-density culture of Escherichia coli. Trends Biotechnol. 1996; 14 (3): 98–105. doi: 10.1016/0167-7799 (96)80930-9.

40. Kobayashi T., Ikeda M., Okada Y., Higurashi Y., Okugawa S., Moriya K. Clinical and microbiological characteristics of recurrent Escherichia coli bacteremia. Microbiol Spectr. 2021; 9 (3): e0139921. doi: 10.1128/Spectrum.01399-21.

41. Uslan D.Z., Crane S.J., Steckelberg J.M., Cockerill F.R. 3rd, St Sauver J.L., Wilson W.R. et al. Age- and sex-associated trends in bloodstream infection: a population-based study in Olmsted County, Minnesota. Arch Intern Med. 2007; 167 (8): 834–839. doi: 10.1001/archinte.167.8.834.

42. Skogberg K., Lyytikäinen O., Ruutu P., Ollgren J., Nuorti J.P. Increase in bloodstream infections in Finland, 1995–2002. Epidemiol Infect. 2008; 136 (1): 108–114. doi: 10.1017/S0950268807008138.

43. Köhler C.D., Dobrindt U. What defines extraintestinal pathogenic Escherichia coli? Int J Med Microbiol. 2011; 301: 642–647. doi: 10.1016/j.ijmm. 2011.09.006.

44. Sharma G., Sharma S., Sharma P., Chandola D., Dang S., Gupta S., Gabrani R. Escherichia coli biofilm: development and therapeutic strategies. J Appl Microbiol 2016; 121: 309–319. doi: 10.1111/jam.13078.

45. Poirel L., Madec J.Y., Lupo A., Schink A.K., Kieffer N., Nordmann P., Schwarz S. Antimicrobial resistance in Escherichia coli. Microbiol Spectr. doi: 10.1128/microbiolspec.ARBA0026-2017.

46. Souza R.S.S., Almeida M.C., Manoel C.V., Santos-Filho S.D., Fonseca A.S., Filho M.B. Biological effects of an aqueous extract of Salix alba on the survival of Escherichia coli AB1157 cultures submitted to the action of stannous chloride. Biol Res. 2009; 42 (2): 199–203. doi: 10.4067/s071697602009000200008.

47. Betageri R., Zhang Y., Zindell R., Kuzmich D., Kirrane T.M., Jörg Bentzien, et al. Trifluoromethyl group as a pharmacophore: Effect of replacing a CF3 group on binding and agonist activity of a glucocorticoid receptor ligand. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 2005; 15 (21): 4761–4769. doi: 10.1016/j.bmcl.2005.07.025.

48. Apraku J., Okoro C.O. Design, synthesis and anticonvulsant evaluation of fluorinated benzyl amino enaminones. Bioorg. Med. Chem. 2019; 27 (1): 161–166. doi: 10.1016/j.bmc.2018.11.033.

49. Cindrić M., Perić M., Kralj M., Martin-Kleiner I., David-Cordonnier MH., Paljetak H.Č. et al. Antibacterial and antiproliferative activity ofnovel 2-benzimidazolyl- and 2-benzothiazolyl-substituted benzo[b]thieno-2carboxamides. Mol Divers. 2018; 22 (3): 637–646. doi: 10.1007/s11030018-9822-7.

50. Kahlmeter G., Brown D. F. J., Goldstein F. W., MacGowan A. P., Mouton J. W. et al. European committee on antimicrobial susceptibility testing (EUCAST) technical notes on antimicrobial susceptibility testing. Clinical Microbiology and Infections. 2006; 12 (6): 501–503. doi: 10.1111/j.14690691.2006.01454.x.

51. Terzi H.A., Kulah C., Ciftci İ.H. The effects of active efflux pumps on antibiotic resistance in Pseudomonas aeruginosa. World J Microbiol Biotechnol. 2014; 30 (10): 2681–2687. doi: 10.1007/s11274-014-1692-2.

52. Berrazeg M., Jeannot K., Ntsogo Enguéné V.Y., Broutin I., Loeffert S., Fournier D. et al. Mutations in β-lactamase AmpC increase resistance of Pseudomonas aeruginosa isolates to antipseudomonal cephalosporins. Antimicrob Agents Chemother. 2015; 59 (10): 6248–6255. doi: 10.1128/aac.00825-15.