Review

Siderophore-Antibiotic Conjugates: Applications of the ‘Trojan horse’ Strategy in Anti-Gram-Negative Bacteria Infection

  • Chang Liu ,
  • Wengui Wang ,
  • Shoufeng Wang
Expand
  • Shandong Provincial Key Laboratory of Fluorine Chemistry and Chemical Materials, College of Chemistry and Chemical Engineering, University of Jinan, Jinan 250022

Received date: 2024-07-19

  Online published: 2024-08-26

Supported by

National Natural Science Foundation of China(31972850); Open Funding Project of State Key Laboratory of Microbial Metabolism(MMLKF21-09)

Abstract

The emergence of the "Trojan horse" strategy offers a hopeful remedy for bacterial resistance. Bacterial-derived siderophores exhibit a strong attraction to ferric ion. To create siderophore-antibiotic conjugates, antibiotics are mixed with siderophores. Antibiotics can be directly introduced into bacteria through the bacterial iron transport mechanism to exert their impact and this strategy has demonstrated efficacy in clinical trials. Conjugates of siderophores and antibiotics exhibit potent antibacterial properties against Gram-negative pathogens, which are characterized by intricate cell wall configurations and bacterial external membranes. These conjugates facilitate the movement of antibiotics across membranes linked to them via the bacterial iron transport system, circumventing the permeability hurdles and antibiotic deactivation mechanisms typical of Gram-negative bacteria, and overcoming bacterial resistance. Intriguingly, this strategy also proves successful in combating certain Gram-negative infections using antibiotics targeting infections induced by Gram-positive bacteria. The review delves into recent advancements in treating Gram-negative bacteria using siderophore-antibiotic conjugates and proposes potential future directions for the "Trojan horse" strategy.

Cite this article

Chang Liu , Wengui Wang , Shoufeng Wang . Siderophore-Antibiotic Conjugates: Applications of the ‘Trojan horse’ Strategy in Anti-Gram-Negative Bacteria Infection[J]. Acta Chimica Sinica, 2024 , 82(10) : 1086 -1108 . DOI: 10.6023/A24070222

References

[1]
Jim, O. N. Government of the United Kingdom, https://amr-review.org/sites/default/files/160518_Final%20paper_with%20cover.pdf 2016.
[2]
Rayner, B.; Verderosa, A. D.; Ferro, V.; Blaskovich, M. A. T. RSC Med. Chem. 2023, 14 800.
[3]
Tacconelli, E.; Carrara, E.; Savoldi, A.; Harbarth, S.; Mendelson, M.; Monnet, D. L.; Pulcini, C.; Kahlmeter, G.; Kluytmans, J.; Carmeli, Y.; Ouellette, M.; Outterson, K.; Patel, J.; Cavaleri, M.; Cox, E. M.; Houchens, C. R.; Grayson, M. L.; Hansen, P.; Singh, N.; Theuretzbacher, U.; Magrini, N.; Aboderin, A. O.; Al-Abri, S. S.; Awang Jalil, N.; Benzonana, N.; Bhattacharya, S.; Brink, A. J.; Burkert, F. R.; Cars, O.; Cornaglia, G.; Dyar, O. J.; Friedrich, A. W.; Gales, A. C.; Gandra, S.; Giske, C. G.; Goff, D. A.; Goossens, H.; Gottlieb, T.; Guzman Blanco, M.; Hryniewicz, W.; Kattula, D.; Jinks, T.; Kanj, S. S.; Kerr, L.; Kieny, M.-P.; Kim, Y. S.; Kozlov, R. S.; Labarca, J.; Laxminarayan, R.; Leder, K.; Leibovici, L.; Levy-Hara, G.; Littman, J.; Malhotra-Kumar, S.; Manchanda, V.; Moja, L.; Ndoye, B.; Pan, A.; Paterson, D. L.; Paul, M.; Qiu, H.; Ramon-Pardo, P.; Rodríguez-Ba?o, J.; Sanguinetti, M.; Sengupta, S.; Sharland, M.; Si-Mehand, M.; Silver, L. L.; Song, W.; Steinbakk, M.; Thomsen, J.; Thwaites, G. E.; van der Meer, J. W. M.; Van Kinh, N.; Vega, S.; Villegas, M. V.; Wechsler-F?rd?s, A.; Wertheim, H. F. L.; Wesangula, E.; Woodford, N.; Yilmaz, F. O.; Zorzet, A. Lancet Infect. Dis. 2018, 18 318.
[4]
Mulani, M. S.; Kamble, E. E.; Kumkar, S. N.; Tawre, M. S.; Pardesi, K. R. Front. Microbiol. 2019, 10 539.
[5]
Butler, M. S.; Paterson, D. L. J. Antibiot. 2020, 73 329.
[6]
Rajagopal, M.; Walker, S. Curr. Top. Microbiol. Immunol. 2017, 404 1.
[7]
Breukink, E.; de Kruijff, B. Nat. Rev. Drug Discov. 2006, 5 321.
[8]
Zhao, X. T.; Li, T. L.; Zhang, W. X.; Wu, S. Acta Pharm. Sin. B 2021, 56 3004 (in Chinese).
[8]
(赵欣彤, 李天磊, 张文轩, 吴松, 药学学报, 2021, 56 3004.)
[9]
Soares, M. P.; Weiss, G. EMBO Rep. 2015, 16 1482.
[10]
Liu, J.; Hou, J.; Meng, Y.; Miao, Z.; Lin, J.; Chen, W. Chin. J. Org. Chem. 2020, 40 3026 (in Chinese).
[10]
(刘君, 侯劲松, 孟影, 缪志颖, 林静, 陈卫民, 有机化学, 2020, 40 3026.)
[11]
Khan, A.; Singh, P.; Srivastava, A. Microbiol. Res. 2018, 212 103.
[12]
Schalk, I. J.; Hannauer, M.; Braud, A. Environ. Microbiol. 2011, 13 2844.
[13]
Zhang, Y.; Zhang, W. L.; Chen, X. B.; Zhang, F. M. Chin. J. Health Lab. Technol. 2012, 22 2249 (in Chinese).
[13]
(张莹, 张文莉, 陈小贝, 张凤民, 中国卫生检验杂志, 2012, 22 2249.)
[14]
Braun, V.; Braun, M. FEBS Lett. 2002, 529 78.
[15]
Wolfgang, K. Res. Microbiol. 2001, 152 291.
[16]
Zhang, L.; Liu, M. F.; Cheng, A. C. Microbiol. China 2016, 43 1598 (in Chinese).
[16]
(张利, 刘马峰, 程安春, 微生物学通报, 2016, 43 1598.)
[17]
Abouelhassan, Y.; Garrison, A. T.; Yang, H.; Chávez-Riveros, A.; Burch, G. M.; Huigens, R. W. J. Med. Chem. 2019, 62 7618.
[18]
Yamano, Y. Clin. Infect. Dis. 2019, 69, S544.
[19]
Lin, Z.; Xu, X.; Zhao, S.; Yang, X.; Guo, J.; Zhang, Q.; Jing, C.; Chen, S.; He, Y. Nat. Commun. 2018, 9 3445.
[20]
Lin, Y. M.; Ghosh, M.; Miller, P. A.; Mollmann, U.; Miller, M. J. Biometals 2019, 32 425.
[21]
Braun, V.; Pramanik, A.; Gwinner, T.; Koberle, M.; Bohn, E. Biometals 2009, 22 3.
[22]
Z?hner, H.; Diddens, H.; Keller-Schierlein, W.; N?geli, H. U. Jpn. J. Antibiot. 1977, 30 201.
[23]
Rivault, F.; Liébert, C.; Burger, A.; Hoegy, F.; Abdallah, M. A.; Schalk, I. J.; Mislin, G. L. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2007, 17 640.
[24]
Yoganathan, S.; Sit, C. S.; Vederas, J. C. Org. Biomol. Chem. 2011, 9 2133.
[25]
Zheng, T.; Nolan, E. M. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136 9677.
[26]
Ji, C.; Miller, M. J. Bioorg. Med. Chem. 2012, 20 3828.
[27]
Ji, C.; Miller, M. J. Biometals 2015, 28 541.
[28]
Neumann, W.; Nolan, E. M. J. Biol. Inorg. Chem. 2018, 23 1025.
[29]
Liu, R.; Miller, P. A.; Vakulenko, S. B.; Stewart, N. K.; Boggess, W. C.; Miller, M. J. J. Med. Chem. 2018, 61 3845.
[30]
Zhao, S.; Wang, Z. P.; Lin, Z.; Wei, G.; Wen, X.; Li, S.; Yang, X.; Zhang, Q.; Jing, C.; Dai, Y.; Guo, J.; He, Y. Angew. Chem.-Int. Ed. 2022, 61, e202204139.
[31]
Ma, X. H.; Liu, N. N. World Notes Antibiot. 2020, 41 335 (in Chinese).
[31]
(马兴换, 刘楠楠, 国外医药抗生素分册, 2020, 41 335.)
[32]
Aoki, T.; Yoshizawa, H.; Yamawaki, K.; Yokoo, K.; Sato, J.; Hisakawa, S.; Hasegawa, Y.; Kusano, H.; Sano, M.; Sugimoto, H.; Nishitani, Y.; Sato, T.; Tsuji, M.; Nakamura, R.; Nishikawa, T.; Yamano, Y. Eur. J. Med. Chem. 2018, 155 847.
[33]
Liu, F.; Kou, Q.; Li, H.; Cao, Y.; Chen, M.; Meng, X.; Zhang, Y.; Wang, T.; Wang, H.; Zhang, D.; Yang, Y. J. Med. Chem. 2024, 67 6705.
[34]
Wu, W. Q.; Li, J. Y.; Tian, S.; Wu, X. W.; Ren, J. A. Chin. J. Antibiot. 2024, 49 772 (in Chinese).
[34]
(吴文琦, 李家扬, 田赛, 吴秀文, 任建安, 中国抗生素杂志, 2024, 49 772.)
[35]
Yamamoto, S.; Okujo, N.; Sakakibara, Y. Arch. Microbiol. 1994, 162 249.
[36]
Takeuchi, Y.; Ozaki, S.; Satoh, M.; Mimura, K.; Hara, S.; Abe, H.; Nishioka, H.; Harayama, T. Chem. Pharm. Bull. 2010, 58 1552.
[37]
Proschak, A.; Lubuta, P.; Grün, P.; L?hr, F.; Wilharm, G.; De Berardinis, V.; Bode, H. B. ChemBioChem 2013, 14 633.
[38]
Penwell, W. F.; DeGrace, N.; Tentarelli, S.; Gauthier, L.; Gilbert, C. M.; Arivett, B. A.; Miller, A. A.; Durand‐Reville, T. F.; Joubran, C.; Actis, L. A. ChemBioChem 2015, 16 1896.
[39]
Wencewicz, T. A.; Miller, M. J. J. Med. Chem. 2013, 56 4044.
[40]
Lee, H.; Song, W. Y.; Kim, M.; Lee, M. W.; Kim, S.; Park, Y. S.; Kwak, K.; Oh, M. H.; Kim, H. J. Org. Lett. 2018, 20 6476.
[41]
Kim, S.; Lee, H.; Song, W. Y.; Kim, H. J. Org. Lett. 2020, 22 2806.
[42]
Kim, D. Y.; Kim, H. J. Org. Lett. 2021, 23 5256.
[43]
Decuyper, L.; Jukic, M.; Sosic, I.; Zula, A.; D’hooghe, M. D.; Gobec, S. Med. Res. Rev. 2018, 38 426.
[44]
Page, M. G. P.; Dantier, C.; Desarbre, E. Antimicrob. Agents Chemother. 2010, 54 2291.
[45]
Carosso, S.; Liu, R.; Miller, P. A.; Hecker, S. J.; Glinka, T.; Miller, M. J. J. Med. Chem. 2017, 60 8933.
[46]
Liu, R.; Miller, P. A.; Miller, M. J. ACS Infect. Dis. 2021, 7 2979.
[47]
Pogliano, J.; Pogliano, N.; Silverman, J. A. J. Bacteriol. 2012, 194 4494.
[48]
Ghosh, M.; Miller, P. A.; M?llmann, U.; Claypool, W. D.; Schroeder, V. A.; Wolter, W. R.; Suckow, M.; Yu, H.; Li, S.; Huang, W.; Zajicek, J.; Miller, M. J. J. Med. Chem. 2017, 60 4577.
[49]
Ghosh, M.; Lin, Y.-M.; Miller, P. A.; M?llmann, U.; Boggess, W. C.; Miller, M. J. ACS Infect. Dis. 2018, 4 1529.
[50]
Peukert, C.; Gasser, V.; Orth, T.; Fritsch, S.; Normant, V.; Cunrath, O.; Schalk, I. J.; Br?nstrup, M. J. Med. Chem. 2022, 66 553.
[51]
Ghosh, M.; Miller, P. A.; Miller, M. J. J. Antibiot. 2019, 73 152.
[52]
Raymond, K. N.; Dertz, E. A.; Kim, S. S. PNAS 2003, 100 3584.
[53]
Miethke, M.; Hou, J.; Marahiel, M. A. Biochemistry 2011, 50 10951.
[54]
Fritsch, S.; Gasser, V.; Peukert, C.; Pinkert, L.; Kuhn, L.; Perraud, Q.; Normant, V.; Br?nstrup, M.; Schalk, I. J. ACS Infect. Dis. 2022, 8 1134.
[55]
Zheng, T.; Bullock, J. L.; Nolan, E. M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134 18388.
[56]
Chairatana, P.; Zheng, T.; Nolan, E. M. Chem. Sci. 2015, 6 4458.
[57]
Sanderson, T. J.; Black, C. M.; Southwell, J. W.; Wilde, E. J.; Pandey, A.; Herman, R.; Thomas, G. H.; Boros, E.; Duhme-Klair, A.-K.; Routledge, A. ACS Infect. Dis. 2020, 6 2532.
[58]
Guo, C.; Nolan, E. M. Acc. Chem. Res. 2024, 57 1046.
[59]
Boyce, J. H.; Dang, B.; Ary, B.; Edmondson, Q.; Craik, C. S.; DeGrado, W. F.; Seiple, I. B. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142 21310.
[60]
Khazaal, M. T.; Faraag, A. H. I.; El-Hendawy, H. H. BMC Microbiol. 2024, 24 95.
[61]
Zheng, T.; Nolan, E. M. Bioorg. Med. Chem. 2015, 25 4987.
[62]
Rohrbacher, C.; Zscherp, R.; Weck, S. C.; Klahn, P.; Ducho, C. Chem.-Eur. J. 2022, 29, e202202408.
[63]
Neumann, W.; Sassone-Corsi, M.; Raffatellu, M.; Nolan, E. M. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140 5193.
[64]
Pinkert, L.; Lai, Y.-H.; Peukert, C.; Hotop, S.-K.; Karge, B.; Schulze, L. M.; Grunenberg, J.; Br?nstrup, M. J. Med. Chem. 2021, 64 15440.
[65]
Schneider, I.; Fetz, V.; Prochnow, H. P.; Br?nstrup, M. Isr. J. Chem. 2023, 63, e202300057.
[66]
Kim, D. Y.; Yeom, S.; Park, J.; Lee, H.; Kim, H. J. ACS Infect. Dis. 2023, 9 554.
[67]
Herbert, B. Curr. Top. Med. Chem. 2001, 1 72.
[68]
Dumas, Z.; Ross-Gillespie, A.; Kümmerli, R. Proc. R. Soc. B. 2013, 280 20131055.
[69]
Rivault, F.; Schons, V.; Liébert, C.; Burger, A.; Sakr, E.; Abdallah, M. A.; Schalk, I. J.; Mislin, G. L. A. Tetrahedron 2006, 62 2247.
[70]
Noel, S.; Laurent, G.; Schalk, I. J.; Mislin, G. L. A. Org. Lett. 2011, 13 844.
[71]
Paulen, A.; Hoegy, F.; Roche, B.; Schalk, I. J.; Mislin, G. L. A. Bioorg. Med. Chem. 2017, 27 4867.
[72]
Olaf, K.; Robert, T.; G.;, I.; Herbert, B. J. Antibiot. 1998, 51 499.
[73]
Hennard, C.; Truong, Q. C.; Desnottes, J. F.; Paris, J. M.; Moreau, N. J.; Abdallah, M. A. J. Med. Chem. 2001, 44 2139.
[74]
Flanagan, M. E.; Brickner, S. J.; Lall, M.; Casavant, J.; Deschenes, L.; Finegan, S. M.; George, D. M.; Granskog, K.; Hardink, J. R.; Huband, M. D.; Hoang, T.; Lamb, L.; Marra, A.; Mitton-Fry, M.; Mueller, J. P.; Mullins, L. M.; Noe, M. C.; O'Donnell, J. P.; Pattavina, D.; Penzien, J. B.; Schuff, B. P.; Sun, J.; Whipple, D. A.; Young, J.; Gootz, T. D. ACS Med. Chem. Lett. 2011, 2 385.
[75]
Murphy-Benenato, K. E.; Bhagunde, P. R.; Chen, A.; Davis, H. E.; Durand-Réville, T. F.; Ehmann, D. E.; Galullo, V.; Harris, J. J.; Hatoum-Mokdad, H.; Jahi?, H.; Kim, A.; Manjunatha, M. R.; Manyak, E. L.; Mueller, J.; Patey, S.; Quiroga, O.; Rooney, M.; Sha, L.; Shapiro, A. B.; Sylvester, M.; Tan, B.; Tsai, A. S.; Uria-Nickelsen, M.; Wu, Y.; Zambrowski, M.; Zhao, S. X. J. Med. Chem. 2015, 58 2195.
[76]
Paulen, A.; Gasser, V.; Hoegy, F.; Perraud, Q.; Pesset, B.; Schalk, I. J.; Mislin, G. L. A. Org. Biomol. Chem. 2015, 13 11567.
[77]
Goldberg, J. A.; Nguyen, H.; Kumar, V.; Spencer, E. J.; Hoyer, D.; Marshall, E. K.; Cmolik, A.; O’Shea, M.; Marshall, S. H.; Hujer, A. M.; Hujer, K. M.; Rudin, S. D.; Domitrovic, T. N.; Bethel, C. R.; Papp-Wallace, K. M.; Logan, L. K.; Perez, F.; Jacobs, M. R.; van Duin, D.; Kreiswirth, B. M.; Bonomo, R. A.; Plummer, M. S.; van den Akker, F. J. Med. Chem. 2020, 63 5990.
[78]
Goldberg, J. A.; Kumar, V.; Spencer, E. J.; Hoyer, D.; Marshall, S. H.; Hujer, A. M.; Hujer, K. M.; Bethel, C. R.; Papp-Wallace, K. M.; Perez, F.; Jacobs, M. R.; van Duin, D.; Kreiswirth, B. N.; van den Akker, F.; Plummer, M. S.; Bonomo, R. A. Eur. J. Med. Chem. 2021, 220 113436.
[79]
Gandhi, K.; Dhiman, S.; Arora, R.; Ramirez, D. M.; Ramirez, D.; Arthur, G.; Schweizer, F. Antibiotics-Basel 2023, 12 1261.
[80]
Bakulina, O.; Bannykh, A.; Levashova, E.; Krasavin, M. Molecules 2022, 27 3910.
[81]
Loupias, P.; Laumaillé, P.; Morandat, S.; Mondange, L.; Guillier, S.; El Kirat, K.; Da Nascimento, S.; Biot, F.; Taudon, N.; Dassonville-Klimpt, A.; Sonnet, P. Eur. J. Med. Chem. 2023, 245 114921.
[82]
Ji, C.; Miller, P. A.; Miller, M. J. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134 9898.
[83]
Sargun, A.; Sassone-Corsi, M.; Zheng, T.; Raffatellu, M.; Nolan, E. M. ACS Infect. Dis. 2021, 7 1248.
[84]
Motz, R. N.; Guo, C.; Sargun, A.; Walker, G. T.; Sassone-Corsi, M.; Raffatellu, M.; Nolan, E. M. J. Am. Chem. Soc. 2024, 146 7708.
[85]
Halasohoris, S. A.; Scarff, J. M.; Pysz, L. M.; Lembirik, S.; Lemmon, M. M.; Biek, D.; Hannah, B.; Zumbrun, S. D.; Panchal, R. G. J. Antibiot. 2021, 74 884.
[86]
Oh, S. H.; Kim, Y. R.; Park, H. S.; Oh, K. M.; Cho, Y. L.; Kwak, J. H. Antibiotics-Basel 2021, 10 1185.
[87]
Pals, M. J.; Wijnberg, L.; Yildiz, ?.; Velema, W. A. Angew. Chem.-Int. Ed. 2024, 63, e202402405.
[88]
Peukert, C.; Popat Gholap, S.; Green, O.; Pinkert, L.; van den Heuvel, J.; van Ham, M.; Shabat, D.; Br?nstrup, M. Angew. Chem.-Int. Ed. 2022, 61, e202201423.
[89]
Peukert, C.; Rox, K.; Karge, B.; Hotop, S.-K.; Br?nstrup, M. ACS Infect. Dis. 2023, 9 330.
[90]
Huang, Y. J.; Yang, M. H.; Lin, L. Y.; Liu, J.; Zang, Y. P.; Lin, J.; Chen, W. M. ACS Infect. Dis. 2024, 10 2303.
[91]
Southwell, J. W.; Herman, R.; Raines, D. J.; Clarke, J. E.; B?swald, I.; Dreher, T.; Gutenthaler, S. M.; Schubert, N.; Seefeldt, J.; Metzler‐ Nolte, N.; Thomas, G. H.; Wilson, K. S.; Duhme‐Klair, A. K. Chem. Eur. J. 2022, 29, e202202536.
[92]
Gokarn, K.; Pal, R. B. Infect. Drug Resistance 2018, 11 61.
[93]
Miller, M. J.; Walz, A. J.; Zhu, H.; Wu, C.; Moraski, G.; M?llmann, U.; Tristani, E. M.; Crumbliss, A. L.; Ferdig, M. T.; Checkley, L.; Edwards, R. L.; Boshoff, H. I. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133 2076.
[94]
Wencewicz, T. A.; Long, T. E.; M?llmann, U.; Miller, M. J. Bioconjugate Chem. 2013, 24 473.
[95]
Tarapdar, A.; Norris, J. K. S.; Sampson, O.; Mukamolova, G.; Hodgkinson, J. T. Beilstein J. Org. Chem. 2018, 14 2646.
[96]
Pandey, A.; ?mi?owicz, D.; Boros, E. Chem. Sci. 2021, 12 14546.
[97]
Zhu, F.; Wang, W.; Qu, X.; Wang, S. Acta Chim. Sinica 2022, 80 1448 (in Chinese).
[97]
(朱凤巧, 王文贵, 瞿旭东, 王守锋, 化学学报, 2022, 80 1448.)
[98]
Wang, S.; Zheng, Q.; Duan, P.; Liu, W. Chin. J. Org. Chem. 2017, 37 1653 (in Chinese).
[98]
(王守锋, 郑庆飞, 段盼盼, 刘文, 有机化学, 2017, 37 1653.)
[99]
Zhang, E.; Chen, D.; Wang, S.; Liu, W. Chin. J. Org. Chem. 2020, 40 3120 (in Chinese).
[99]
(张鄂, 陈单丹, 王守锋, 刘文, 有机化学, 2020, 40 3120.)
[100]
Fan, Y.; Zhang, E.; Guo, H.; Mu, N.; Chen, D.; Wang, W.; Wang, S.; Liu, W. Chin. J. Org. Chem. 2020, 40 3828 (in Chinese).
[100]
(范亚飞, 张鄂, 郭恒, 牟柠, 陈单丹, 王文贵, 王守锋, 刘文, 有机化学, 2020, 40 3828.)
Outlines

/