DOI: https://doi.org/10.3389/fchem.2024.1424157
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38974993
تاريخ النشر: 2024-06-21
المؤلف: Yury E. Tsvetkov وآخرون
الموضوع الرئيسي: بروسيلا: التشخيص، الوبائيات، العلاج
نظرة عامة
تركز البحث على تخليق الأوليغوسكاريد الذي يمثل الإبيتوبي M من البوليسكاريد O لبروسيلا، وهو أمر حاسم لتحسين خصوصية تشخيص داء البروسيلا. داء البروسيلا، وهو مرض حيواني المنشأ تسببه بكتيريا بروسيلا، يتم تشخيصه من خلال الكشف عن الأجسام المضادة ضد البوليسكاريد O. ومع ذلك، يمكن أن تؤدي وجود بوليسكاريدات O مشابهة في أنواع بكتيرية أخرى إلى نتائج إيجابية خاطئة. تقدم الدراسة نهجًا صناعيًا جديدًا يستخدم ثيوغليكوسيد ثنائي السكاريد المرتبط α-(1→3) ككتلة مانحة رئيسية، مما يمكّن من تجميع أربعة أوليغوسكاريدات محمية (ثنائي السكاريد، واثنين من ثلاثي السكاريد، و رباعي السكاريد) في خمس خطوات جليكوزيل.
الأوليغوسكاريدات التي تم تخليقها تهدف إلى استخدامها في تطوير أدوات تشخيصية لداء البروسيلا لدى البشر والحيوانات، بالإضافة إلى مرشحين محتملين للقاحات. شمل عملية التخليق خطوات مختلفة مثل إزالة الحماية والاختزال، مما أدى إلى أوليغوسكاريدات حرة يمكن أن تعمل كليغاندات لمزيد من البحث. كما توضح الدراسة الطرق التحليلية المستخدمة، بما في ذلك مطيافية الرنين المغناطيسي النووي ومطيافية الكتلة، لتوصيف المركبات التي تم تخليقها، مما يضمن سلامتها الهيكلية وملاءمتها للتطبيقات التشخيصية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث داء البروسيلا، وهو عدوى بكتيرية هامة تؤثر على مجموعة متنوعة من الحيوانات الأليفة وتعرض البشر لمخاطر صحية خطيرة. يسببها بكتيريا سالبة الجرام من جنس *بروسيلا*، يؤدي المرض إلى مشاكل إنجابية شديدة في الحيوانات ويمكن أن يؤدي إلى أمراض حادة ومزمنة في البشر، وغالبًا ما تظهر أعراض مشابهة للملاريا أو الأنفلونزا. أحد عوامل الضراوة الرئيسية لبروسيلا هو البوليسكاريد الدهني (LPS)، وخاصة مكون البوليسكاريد O، الذي يعد حاسمًا لخصائص البكتيريا المناعية ويشكل أساس التشخيص المناعي. ومع ذلك، فإن خصوصية طرق التشخيص الحالية تتعرض للخطر بسبب التفاعل المتبادل مع البوليسكاريدات O من بكتيريا أخرى، مثل *يرسينيا إنتروكوليتكا* و *إشريشيا كولاي*.
لتحسين خصوصية التشخيص، يبرز البحث إمكانية الأوليغوسكاريدات الاصطناعية التي تحاكي الإبيتوبي M الفريد من البوليسكاريد O لبروسيلا. أظهرت التطورات الأخيرة في تخليق الأوليغوسكاريدات ذات الروابط (1→3)-جليكوسيدية وعدًا في تحسين حساسية وخصوصية التشخيص. يذكر المؤلفون تخليق أوليغوسكاريدات أكبر تضمّن ثنائي السكاريد المرتبط (1→3)، بهدف تطوير اختبارات تشخيصية محسّنة ومرشحين محتملين للقاحات. بالإضافة إلى ذلك، يقدمون فاصلاً جديدًا من 3-أمينوبروبيل لتقليل التفاعلات الكارهة للماء التي قد تتداخل مع التعرف على المستضد-الأجسام المضادة، مما يعالج القيود التي لوحظت مع المركبات السابقة.
النتائج
في هذه الدراسة، تم تخليق الأوليغوسكاريدات 1-4 باستخدام مانح جليكوزيل ثنائي السكاريد المرتبط (1→3) (15)، مما يسهل تجميع جميع الأربعة أوليغوسكاريدات المستهدفة من خلال سلسلة من خطوات الجليكوزيل. شملت عملية التخليق إعداد مشتقات أحادية السكاريد كمتقبلات جليكوزيل، حيث تم توليد الوسائط الرئيسية من خلال تفاعلات تشمل 1،3-ديأسيتات وثيوفينول، مما أدى إلى إنتاج α- وβ-ثيوغليكوسيدات. تم عزل الأنومير α بعائد 82%، وأنتجت خطوات الجليكوزيل اللاحقة مع ثلاثي كلورو أسيتيميد 14 ثنائي السكاريد 20 وثلاثي السكاريد 16، تم تأكيدها من خلال قيم ثابت الاقتران التي تشير إلى التكوين α.
شملت التحولات النهائية للأوليغوسكاريدات التي تم تخليقها اختزال مجموعات الأزيد، وتشكيل N، وإزالة البنزيل، مما أدى إلى تشكيل المركبات المستهدفة 1-5. من الجدير بالذكر أن استخدام الهدرجة الحفزية فوق Pd(OH)₂/C لاختزال الأزيد حسّن من السلامة والكفاءة. أكدت تحليل NMR للمنتجات النهائية وجود الوظائف الرئيسية، على الرغم من أن تمايز E/Z لمجموعات الفوراميدو عرقل تعيين الطيف. بالإضافة إلى ذلك، تم تخليق خماسي السكاريد 6 من متقبل رباعي السكاريد 19، باستخدام استراتيجية جليكوزيل مشابهة، مما أدى في النهاية إلى منتج قد يتجنب التعرف من قبل الأجسام المضادة المحددة بسبب التعديلات الهيكلية.
المناقشة
في هذا القسم، يتم تفصيل تخليق وتوصيف أنواع مختلفة من الجليكوسيدات، وخاصة الأوليغوسكاريدات المعقدة. تم تحقيق تخليق ثلاثي السكاريد 16 من خلال تفاعل يشمل المانح 15 والمتقبل 13، مما أدى إلى منتج بصفاء عالٍ يبلغ 90% بعد خطوات التنقية، بما في ذلك الكروماتوغرافيا العمودية. تم إجراء توضيح الهيكل للمركبات التي تم تخليقها باستخدام مطيافية الرنين المغناطيسي النووي، مما يكشف عن انزياحات كيميائية مميزة تتوافق مع البروتونات والكربونات المختلفة في الهيكل الجزيئي. على سبيل المثال، عرض طيف 1H NMR لثلاثي السكاريد 16 إشارات متعددة تشير إلى البروتونات العطرية والبروتونات الأنوميرية، مما يؤكد النجاح في تشكيل الروابط الجليكوسيدية المرغوبة.
أدت التفاعلات اللاحقة إلى تشكيل رباعي السكاريد 18 و19، بعوائد عالية تبلغ 98% و95%، على التوالي. تم إجراء إزالة الأسيتيل لهذه الوسائط بشكل فعال باستخدام ميثوكسيد الصوديوم، مما يوضح المزيد من مرونة النهج الاصطناعي. أكدت توصيف هذه المركبات من خلال NMR ومطيافية الكتلة عالية الدقة (HRMS) هياكلها، حيث تطابقت قيم الكتلة المرصودة مع القيم المحسوبة للصيغ الجزيئية المعنية. يوضح تخليق خماسي السكاريد 28 وإزالة الأسيتيل اللاحقة لإنتاج المركب 29 نجاح توسيع سلسلة الأوليغوسكاريد، مما يظهر الإمكانية لبناء هياكل كربوهيدرات معقدة من خلال هذه المنهجية. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على كفاءة وفعالية الاستراتيجيات الاصطناعية المستخدمة في إعداد هذه المركبات الجليكوسيدية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fchem.2024.1424157
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38974993
Publication Date: 2024-06-21
Author(s): Yury E. Tsvetkov et al.
Primary Topic: Brucella: diagnosis, epidemiology, treatment
Overview
The research focuses on the synthesis of oligosaccharides that model the M epitope of the Brucella O-polysaccharide, which is crucial for improving the specificity of brucellosis diagnostics. Brucellosis, a zoonotic disease caused by Brucella bacteria, is diagnosed through the detection of antibodies against the O-polysaccharide. However, the presence of similar O-polysaccharides in other bacterial species can lead to false-positive results. The study presents a novel synthetic approach utilizing an α-(1→3)-linked disaccharide thioglycoside as a key donor block, enabling the assembly of four protected oligosaccharides (a disaccharide, two trisaccharides, and a tetrasaccharide) in five glycosylation steps.
The synthesized oligosaccharides are intended for use in developing diagnostic tools for brucellosis in humans and animals, as well as potential vaccine candidates. The synthesis process included various steps such as deprotection and reduction, resulting in free oligosaccharides that can serve as ligands for further research. The study also details the analytical methods employed, including NMR spectroscopy and mass spectrometry, to characterize the synthesized compounds, ensuring their structural integrity and suitability for diagnostic applications.
Introduction
The introduction of the research paper discusses brucellosis, a significant bacterial infection affecting various domestic animals and posing serious health risks to humans. Caused by Gram-negative bacteria of the genus *Brucella*, the disease results in severe reproductive issues in animals and can lead to acute and chronic illnesses in humans, often presenting symptoms similar to malaria or influenza. A key virulence factor of *Brucella* is its lipopolysaccharide (LPS), particularly the O-polysaccharide component, which is crucial for the bacterium’s immunologic properties and serves as the basis for serodiagnosis. However, the specificity of current diagnostic methods is compromised by cross-reactivity with O-polysaccharides from other bacteria, such as *Yersinia enterocolitica* and *Escherichia coli*.
To enhance diagnostic specificity, the paper highlights the potential of synthetic oligosaccharides that mimic the unique M epitope of the *Brucella* O-polysaccharide. Recent advancements in the synthesis of oligosaccharides with (1→3)-glycosidic bonds have shown promise in improving diagnostic sensitivity and specificity. The authors report the synthesis of larger oligosaccharides incorporating the (1→3)-linked disaccharide, aiming to develop improved diagnostic assays and potential vaccine candidates. Additionally, they introduce a novel 3-aminopropyl spacer to reduce hydrophobic interactions that may interfere with antigen-antibody recognition, thereby addressing limitations observed with previous conjugates.
Results
In this study, oligosaccharides 1-4 were synthesized using a (1→3)-linked disaccharide glycosyl donor (15), facilitating the assembly of all four target oligosaccharides through a series of glycosylation steps. The synthesis involved the preparation of monosaccharide derivatives as glycosyl acceptors, with key intermediates being generated through reactions involving 1,3-diacetate and thiophenol, yielding α- and β-thioglycosides. The α-anomer was isolated with an 82% yield, and subsequent glycosylation steps with trichloroacetimidate 14 produced disaccharide 20 and trisaccharide 16, confirmed by coupling constant values indicating α-configuration.
The final transformations of the synthesized oligosaccharides included reduction of azide groups, N-formylation, and debenzylation, leading to the formation of target compounds 1-5. Notably, the use of catalytic hydrogenation over Pd(OH)₂/C for azide reduction improved safety and efficiency. The NMR analysis of the final products confirmed the presence of key functionalities, although the E/Z isomerism of formamido groups complicated spectral assignments. Additionally, pentasaccharide 6 was synthesized from tetrasaccharide acceptor 19, utilizing a similar glycosylation strategy, ultimately resulting in a product that may evade recognition by specific antibodies due to structural modifications.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of various glycosides, specifically complex oligosaccharides, are detailed. The synthesis of trisaccharide 16 was achieved through a reaction involving donor 15 and acceptor 13, yielding a product with a high purity of 90% after purification steps, including column chromatography. The structural elucidation of the synthesized compounds was performed using NMR spectroscopy, revealing distinct chemical shifts that correspond to the various protons and carbons in the molecular structure. For instance, the 1H NMR spectrum of trisaccharide 16 displayed multiple signals indicative of aromatic protons and anomeric protons, confirming the successful formation of the desired glycosidic linkages.
Subsequent reactions led to the formation of tetrasaccharides 18 and 19, with high yields of 98% and 95%, respectively. The deacetylation of these intermediates was effectively performed using sodium methoxide, further demonstrating the versatility of the synthetic approach. The characterization of these compounds through NMR and high-resolution mass spectrometry (HRMS) confirmed their structures, with the observed mass values matching the calculated values for the respective molecular formulas. The synthesis of pentasaccharide 28 and its subsequent deacetylation to yield compound 29 further illustrates the successful extension of the oligosaccharide chain, showcasing the potential for constructing complex carbohydrate structures through this methodology. Overall, the findings highlight the efficiency and effectiveness of the synthetic strategies employed in the preparation of these glycosidic compounds.