Novel Derivatives of Quinoxaline-2-carboxylic Acid 1,4-Dioxides as Antimycobacterial Agents: Mechanistic Studies and Therapeutic Potential

Abstract

The World Health Organization (WHO) reports that tuberculosis (TB) is one of the top 10 leading causes of global mortality. The increasing incidence of multidrug-resistant TB highlights the urgent need for an intensified quest to discover innovative anti-TB medications In this study, we investigated four new derivatives from the quinoxaline-2-carboxylic acid 1,4-dioxide class. New 3-methylquinoxaline 1,4-dioxides with a variation in substituents at positions 2 and 6(7) were synthesized via nucleophilic aromatic substitution with amines and assessed against a Mycobacteria spp. Compound 4 showed high antimycobacterial activity (1.25 μg/mL against M. tuberculosis) and low toxicity in vivo in mice. Selection and whole-genomic sequencing of spontaneous drug-resistant M. smegmatis mutants revealed a high number of single-nucleotide polymorphisms, confirming the predicted mode of action of the quinoxaline-2-carboxylic acid 1,4-dioxide 4 as a DNA-damaging agent. Subsequent reverse genetics methods confirmed that mutations in the genes MSMEG_4646, MSMEG_5122, and MSMEG_1380 mediate resistance to these compounds. Overall, the derivatives of quinoxaline-2-carboxylic acid 1,4-dioxide present a promising scaffold for the development of innovative antimycobacterial drugs.

Studying the mechanism of action of new derivatives of quinoxalin-1,4-dioxide on the model organism Mycobacterium smegmatis

“…Для исследования перекрестной устойчивости к производным хиноксалин 1,4-диоксида нами были использованы спонтанные мутанты M. smegmatis mc2 155, устойчивые к 4-кратному МИК соединения 4 (табл. 3), полученные и частично охарактеризованные ранее [6]. С помощью сравнительного геномного анализа были выявлены мутации в четырех различных генах: MSMEG_1380, MSMEG_4646, MSMEG_4648, а также в гене и его промоторной области MSMEG_5122.…”

“…С помощью сравнительного геномного анализа были выявлены мутации в четырех различных генах: MSMEG_1380, MSMEG_4646, MSMEG_4648, а также в гене и его промоторной области MSMEG_5122. Методами обратной генетики было показано, что мутации в генах MSMEG_1380, MSMEG_4648 и MSMEG_5122 приводят к устойчивости к описанным ранее производным хиноксалина 1,4-диоксида [6].…”

“…Ранее проведенное полногеномное секвенирование показало, что мутанты M. smegmatis, qdR1, M. smegmatis, qdR4 и M. smegmatis, qdR5 имеют уникальные несинонимичные мутации [6], что подтверждает предыдущие сообщения о ДНК-повреждающих свойствах хиноксалин 1,4-диоксидов [7].…”

“…Целью данного исследования являлось изучение механизма действия перспективных кандидатов в ПТП -нового производного хиноксалин 1,4-диоксида, синтезированного нами ранее 4 [6]. Данные соединения были отобраны благодаря высокой активности в отношении микобактерий -показано, что соединения данного класса вносят одно-и двухнитевые разрывы в ДНК, приводя к гибели клеток, что делает их перспективными для дальнейшего изучения и модификации [7].…”

“…Данные соединения были отобраны благодаря высокой активности в отношении микобактерий -показано, что соединения данного класса вносят одно-и двухнитевые разрывы в ДНК, приводя к гибели клеток, что делает их перспективными для дальнейшего изучения и модификации [7]. Методами обратной генетики мы показали, что мутации в генах MSMEG_4646, MSMEG_5122 и MSMEG_1380 обеспечивают устойчивость к соединению 4 [6]. В данной работе с использованием генетических конструкций с повышенным уровнем экспрессии генов мы изучили механизмы перекрестной устойчивости к производным хиноксалин 1,4-диоксида на модельном объекте Mycobacterium smegmatis.…”