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Advisor(s)
Abstract(s)
While the ‘war’ on infectious diseases has been considered won, antibiotic-resistant
bacteria are currently responsible for 25,000 death’s yearly in Europe, bearing a predicted cost
of €1.5 billion. Incidence of health-care associated infections in the United States of America is
estimated at 1.7 million per year. No new broad-spectrum antibiotic has been introduced since
the 1960s and as of 2011 only 2 agents are in Phase III clinical trials. As the antibiotic pipeline
is clearly exhausted, new antibiotics are urgently needed.
The present work evaluates Fourier Transform InfraRed Spectroscopy (FTIRS) as the
basis of a novel Antibiotic Drug Discovery (ADD) platform. Initially the historical development
of antibiotics was presented to contextualize the reader with the state-of-the-art. Resistance was
discussed to bridge its upsurge and exhausted ADD platforms. Followed an objective review of
infrared spectroscopy’s core concepts, its equipment developments alongside various
applications for microbiological studies, the pharmaceutical and food industries besides
diagnosis of several diseases.
A high-throughput macro-cultivation protocol was adapted to determine minimum
inhibitory concentrations of 14 antibiotics on an Escherichia coli model organism, while
simultaneously building a spectral library. In order to comprehensively analyze such library a
graphic user interface was constructed and used throughout this research. This allowed fair
comparison of different pre-processing strategies on two alternative multivariate analysis
algorithms, from which an optimal model was created for each proposed objective, in the
context of an ADD platform.
While some models were short of their objective, overall results were rather positive
and suggest, alongside reviewed literature, that FTIRS could, and should, potentiate a new
generation of antibacterial drug discovery platform that outperforms current alternatives.
Apesar de a ‘guerra’ contra as Doenças Infecciosas já ter sido considerada ganha, bactérias resistentes a antibióticos continuam a causar 25,000 mortes por ano na Europa, com um custo estimado em €1.5 mil milhões. Nos Estados Unidos da América a incidência de infecções nosocomiais foi de 1.7 milhões por ano. A taxa de descoberta de antibióticos é quase nula, o último antibiótico de largo espectro descoberto foi em 1960 e desde 2011 apenas 2 compostos estão na fase III de ensaios clínicos, por isso são urgentemente necessários novos antibióticos. O presente trabalho avalia a espectroscopia de infravermelhos com transformada de Fourier (FTIRS) como base de uma nova plataforma de descoberta de antibióticos (ADD). Apresentou-se o desenvolvimento histórico dos antibióticos para contextualizar o leitor da evolução alcançada. Seguidamente discutiu-se o fenómeno da resistência, relacionando o seu aumento com plataformas de ADD exaustas. Uma revisão objectiva dos principais conceitos da espectroscopia de infravermelhos, o desenvolvimento do respectivo equipamento, as aplicações desta tecnologia em estudos microbiológicos, na indústria farmacêutica e alimentar, e no diagnóstico de diversas doenças. Foi adaptado um protocolo de macro-cultivação de alto-débito (HT) a partir do qual foram determinadas as concentrações minimias inibitórias de 14 antibióticos, num organismo modelo de Escherichia coli, enquanto simultaneamente construiu-se um biblioteca espectral. Por forma a analisar de forma compreensiva essa mesma biblioteca foi montada uma interface gráfica (GUI). Isto permitiu comparar o impacte de diferentes estratégias de pré-processamento em dois algoritmos de análise, a partir dos qual foi determinado um modelo óptimo para cada objectivo proposto, num contexto de ADD. Enquanto que alguns modelos ficaram aquém dos objectivos, os resultados são no geral positivos e sugerem, como a literatura revista, que a FTIRS pode, e deve, potenciar uma nova geração de plataformas de ADD que competem com as alternativas actuais.
Apesar de a ‘guerra’ contra as Doenças Infecciosas já ter sido considerada ganha, bactérias resistentes a antibióticos continuam a causar 25,000 mortes por ano na Europa, com um custo estimado em €1.5 mil milhões. Nos Estados Unidos da América a incidência de infecções nosocomiais foi de 1.7 milhões por ano. A taxa de descoberta de antibióticos é quase nula, o último antibiótico de largo espectro descoberto foi em 1960 e desde 2011 apenas 2 compostos estão na fase III de ensaios clínicos, por isso são urgentemente necessários novos antibióticos. O presente trabalho avalia a espectroscopia de infravermelhos com transformada de Fourier (FTIRS) como base de uma nova plataforma de descoberta de antibióticos (ADD). Apresentou-se o desenvolvimento histórico dos antibióticos para contextualizar o leitor da evolução alcançada. Seguidamente discutiu-se o fenómeno da resistência, relacionando o seu aumento com plataformas de ADD exaustas. Uma revisão objectiva dos principais conceitos da espectroscopia de infravermelhos, o desenvolvimento do respectivo equipamento, as aplicações desta tecnologia em estudos microbiológicos, na indústria farmacêutica e alimentar, e no diagnóstico de diversas doenças. Foi adaptado um protocolo de macro-cultivação de alto-débito (HT) a partir do qual foram determinadas as concentrações minimias inibitórias de 14 antibióticos, num organismo modelo de Escherichia coli, enquanto simultaneamente construiu-se um biblioteca espectral. Por forma a analisar de forma compreensiva essa mesma biblioteca foi montada uma interface gráfica (GUI). Isto permitiu comparar o impacte de diferentes estratégias de pré-processamento em dois algoritmos de análise, a partir dos qual foi determinado um modelo óptimo para cada objectivo proposto, num contexto de ADD. Enquanto que alguns modelos ficaram aquém dos objectivos, os resultados são no geral positivos e sugerem, como a literatura revista, que a FTIRS pode, e deve, potenciar uma nova geração de plataformas de ADD que competem com as alternativas actuais.
Description
Keywords
Fourier transform Infrared spectroscopy Antibacterial discovery Antibiotic resistance High throughput screening Platform Espectroscopia de infravermelhos Transformada de fourier infravermelho Plataforma Screening de alto débito Descoberta de antibacterianos Resistência a antibióticos