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Type: Tese
Title: Efeito in vitro e in silico de derivados cumarínicos na inibição da função da bomba de efluxo MepA e NorA em Staphylococcus aureus
Title in English: In vitro and in silico effect of coumarin derivatives on the inhibition of MepA and NorA efflux pump function in Staphylococcus aureus
Authors: Martin, Ana Luiza de Aguiar Rocha
Advisor: Fonteles, Marta Maria de França
Keywords: Cumarínicos;Resistência Microbiana a Antibióticos;Staphylococcus aureus;Simulação de Acoplamento Molecular;Simulação de Dinâmica Molecular
Issue Date: 26-Jun-2023
Citation: MARTIN, Ana Luiza de Aguiar Rocha. Efeito in vitro e in silico de derivados cumarínicos na inibição da função da bomba de efluxo MepA e NorA em Staphylococcus aureus. 2023. 101 f. Tese (Doutorado em Farmacologia) – Faculdade de Medicina, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023. Disponível em: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/73175. Acesso em: 30 jun. 2023.
Abstract in Brazilian Portuguese: A ocorrência de resistência bacteriana tem aumentado e isso compromete o tratamento de diversas infecções. A alta virulência do Staphylococcus aureus permite a manutenção do processo infeccioso, sendo causador de muitas mortes e internações hospitalares. A bomba de efluxo MepA e NorA constituem proteínas transportadoras responsáveis por expulsar agentes antimicrobianos como as fluoroquinolonas da célula bacteriana. As cumarinas são compostos fenólicos e têm sido estudadas por sua diversidade de ações biológicas, inclusive contra bactérias. Foi realizada uma caracterização farmacocinética in silico dos compostos C10, C11, C13 e C14 de acordo com os princípios da regra dos cinco de Lipinsk, além da busca por similaridade no ChemBL e posterior busca por publicações no CAS SciFinder. Todos os compostos foram avaliados quanto à sua atividade antibacteriana e moduladora in vitro contra cepas padrão e multirresistente Gram positivas e Gram negativas. O efeito das cumarinas C9, C10, C11, C13 e C14 como inibidor da bomba de efluxo em cepas de Staphylococcus aureus foi avaliado através do método de microdiluição (MepA ou NorA) e fluorimetria (NorA). O comportamento das cumarinas com relação a bomba de efluxo foi determinado a partir das propriedades de interação com membrana e cumarinas-proteína usando docking molecular e simulações de dinâmica molecular. Apenas o composto cumarínico C13 isolado apresentou atividade antibacteriana contra cepas padrão de Staphylococcus aureus e Escherichia coli. No entanto, as outras cumarinas testadas apresentaram capacidade moduladora de antibacterianos fluoroquinolona e aminoglicosídeo. Os compostos C10, C13 e C14 foram eficazes na diminuição da CIM dos dois antibióticos para ambas as cepas multirresistente e a C11, potencializou o efeito da norfloxacina e gentamicina para a bactéria Gram positiva e Gram negativa e do norfloxacino apenas para Gram negativa. Apenas a cumarina C14 produziu efeitos sinérgicos quando associada à ciprofloxacina em cepas portadoras de MepA. Todas as cumarinas testadas apresentam capacidade de inibir da bomba de efluxo NorA presente no Staphylococcus aureus tanto na redução da CIM como induzindo o aumento da emissão de fluorescência do brometo de etídio na fluorimetria. As descobertas deste estudo oferecem uma perspectiva atomística sobre o potencial das cumarinas como inibidores ativos da bomba NorA, destacando seu modo de ação específico que visa principalmente a inibição da proteína. No docking molecular, observou-se que as cumarinas são capazes de interagir com diversos resíduos de aminoácidos da bomba NorA. A simulação mostrou que a cumarina C10 consegue atravessar a bicamada, no entanto, as outras cumarinas interagiram com a membrana, mas não foram capazes de atravessá-la. As cumarinas demonstraram seu papel potencializador do efeito do norfloxacino por duplo mecanismo: inibição da bomba de efluxo por interação direta com a proteína (C9, C10, C11 e C13) e maior interação com a membrana (C10 e C13). E no contexto dos estudos de predição farmacocinética, as estruturas estudas apresentam um perfil químico adequado para possivelmente serem utilizados por via oral. Sugerimos que os derivados cumarínicos podem ser uma alternativa interessante no futuro para tratamento de infecções bacterianas resistentes, com a possibilidade de efeito sinérgico com outros antibacterianos, sendo necessário mais estudos são para caracterizar seus efeitos terapêuticos e de toxicidade.
Abstract: The occurrence of bacterial resistance has been increasing, compromising the treatment of various infections. The high virulence of Staphylococcus aureus allows for the maintenance of the infectious process, causing many deaths and hospitalizations. The MepA and NorA efflux pumps are transporter proteins responsible for expelling antimicrobial agents such as fluoroquinolones from the bacterial cell. Coumarins are phenolic compounds that have been studied for their diverse biological actions, including against bacteria. A pharmacokinetic in silico characterization of compounds C10, C11, C13, and C14 was carried out according to the principles of Lipinski's Rule of Five, in addition to searching for similarity in ChemBL and subsequent search for publications in CAS SciFinder. All compounds were evaluated for their in vitro antibacterial and modulatory activity against standard and multidrug-resistant Gram-positive and Gram-negative strains. The effect of coumarins C9, C10, C11, C13, and C14 as efflux pump inhibitors in Staphylococcus aureus strains was evaluated using the microdilution method (MepA or NorA) and fluorimetry (NorA). The behavior of coumarins regarding the efflux pump was determined from their interaction properties with the membrane and coumarin-protein using molecular docking and molecular dynamics simulations. Only the isolated coumarin compound C13 showed antibacterial activity against standard strains of Staphylococcus aureus and Escherichia coli. However, the other tested coumarins showed modulatory capacity for fluoroquinolone and aminoglycoside antibacterials. Compounds C10, C13, and C14 were effective in reducing the MIC of both antibiotics for both multidrug-resistant strains, while C11 potentiated the effect of norfloxacin and gentamicin for Gram-positive and Gram-negative bacteria and only norfloxacin for Gram-negative. Only coumarin C14 produced synergistic effects when associated with ciprofloxacin in MepA-carrying strains. All tested coumarins have the ability to inhibit the NorA efflux pump present in Staphylococcus aureus, both in reducing the MIC and inducing increased ethidium bromide fluorescence emission in fluorimetry. The findings of this study offer an atomistic perspective on the potential of coumarins as active inhibitors of the NorA pump, highlighting their specific mode of action mainly targeting protein inhibition. In molecular docking, it was observed that coumarins are capable of interacting with various amino acid residues of the NorA pump. The simulation showed that coumarin C10 can cross the bilayer; however, the other coumarins interacted with the membrane but were unable to cross it. Coumarins demonstrated their potentiating role in the effect of norfloxacin through a dual mechanism: efflux pump inhibition through direct interaction with the protein (C9, C10, C11, and C13) and increased interaction with the membrane (C10 and C13). In the context of pharmacokinetic prediction studies, the studied structures have a suitable chemical profile for possible oral use. We suggest that coumarin derivatives may be an interesting alternative in the future for the treatment of resistant bacterial infections, with the possibility of a synergistic effect with other antibacterials, although further studies are needed to characterize their therapeutic effects and toxicity.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/73250
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