Isoniazid (INH) is one of the key molecules employed in the treatment of tuberculosis (TB), the most deadly infectious disease worldwide. However, the efficacy of this cornerstone drug has seriously decreased due to emerging INH-resistant strains of Mycobacterium tuberculosis (Mtb). In the present study, we aimed to chemically tailor INH to overcome this resistance. We obtained thirteen novel compounds by linking INH to in-house synthesized sulfonate esters via a hydrazone bridge (SIH1–SIH13). Following structural characterization by FTIR, ¹H NMR, ¹³C NMR, and HRMS, all compounds were screened for their antitubercular activity against Mtb H37Rv strain and INH-resistant clinical isolates carrying katG and inhA mutations. Additionally, the cytotoxic effects of SIH1–SIH13 were assessed on three different healthy host cell lines; HEK293, IMR-90, and BEAS-2B. Based on the obtained data, the synthesized compounds appeared as attractive antimycobacterial drug candidates with low cytotoxicity. Moreover, the stability of the hydrazone moiety in the chemical structure of the final compounds was confirmed by using UV/Vis spectroscopy in both aqueous medium and DMSO. Subsequently, the compounds were tested for their inhibitory activities against enoyl acyl carrier protein reductase (InhA), the primary target enzyme of INH. Although most of the synthesized compounds are hosted by the InhA binding pocket, SIH1–SIH13 do not primarily show their antitubercular activities by direct InhA inhibition. Finally, in silico determination of important physicochemical parameters of the molecules showed that SIH1–SIH13 adhered to Lipinski’s rule of five. Overall, our study revealed a new strategy for modifying INH to cope with the emerging drug-resistant strains of Mtb.

Isoniazid (isonicotinic acid hydrazide, INH) is a key drug used to treat tuberculosis (TB), which continues to be the world’s most lethal infectious disease. Nevertheless, the efficacy of INH has diminished because of the emergence of Mycobacterium tuberculosis (Mtb) strains that are resistant to INH. Our goal in this study was to modify INH to reduce this significant resistance chemically. We synthesized INH-based hydrazones (IP1–IP13) through the reaction of INH with in-house obtained benzaldehydes carrying a piperidine or piperazine ring in refluxing ethanol. Upon confirmation of their proposed structures by various spectral techniques, IP1–IP13 were evaluated for their antimycobacterial capacity against Mtb H37Rv strain and INH-resistant clinical isolates with katG and inhA mutations using the Microplate Alamar Blue Assay (MABA). The compounds were additionally tested for their cytotoxicity. The obtained data indicated that the compounds with moderately increased lipophilicity compared to INH (IP7–IP13) were promising antitubercular drug candidates, exhibiting drug-like properties and negligible cytotoxicity. Out of these, IP11 (N′-(4-(4-cyclohexylpiperazin-1-yl)benzylidene)isonicotinohydrazide) emerged as the most promising derivative, demonstrating the lowest MIC values against all Mtb strains tested. Subsequently, the target molecules were evaluated for their capacity to inhibit enoyl acyl carrier protein reductase (InhA), the main target enzyme of INH. Except for IP11 demonstrating 81% InhA inhibition at a concentration of 50 μM, direct InhA inhibition was shown not to be the primary mechanism responsible for the antitubercular activity of the compounds. The binding mechanism of IP11 to InhA was analyzed through molecular docking and molecular dynamics simulations. Altogether, our research identified a novel approach to modify INH to address the challenges posed by the rising prevalence of drug-resistant Mtb strains.

La tuberculose, bien que maladie très ancienne, est toujours une des causes majeures de mortalité due à un agent infectieux unique. En 2021, 10 millions de personnes ont contracté la maladie et 1.5 millions de décès étaient directement imputables à cette dernière. Malgré la disponibilité de toute une panoplie d'antibiotiques, peu d'entre eux s'avèrent efficaces contre l'agent pathogène responsable de la tuberculose, Mycobacterium tuberculosis. Cette inefficacité est principalement due au caractère imperméable de l'enveloppe cellulaire mycobactérienne, composée majoritairement d'acides mycoliques. L'isoniazide, l'antituberculeux de première ligne le plus utilisé, cible la biosynthèse de ces acides mycoliques via la protéine InhA. L'isoniazide agit comme une pro-drogue nécessitant une activation par la protéine KatG. Cependant, l'émergence de résistances lors de l'étape d'activation de l'isoniazide implique la nécessité de développer des inhibiteurs directs d'InhA. Les travaux réalisés durant cette thèse avaient pour objectif de développer de nouveaux inhibiteurs directs d'InhA. Ces derniers ont été développés autour de la structure d'un motif diaryl éther, connu pour sa capacité à inhiber l'enzyme. La chimie combinatoire dynamique combinée à la cristallographie aux rayons X a été utilisée comme méthode de criblage de fragments pour découvrir de nouveaux inhibiteurs. Trois adduits, visualisés directement à l'intérieur du site actif de la protéine, ont ainsi été caractérisés et montrent des interactions avec le portail majeur de la protéine. Dans un autre projet, une nouvelle famille de diaryl éthers comportant trois pharmacophores a été conçue afin d'occuper entièrement le site de liaison du substrat. Une des molécules synthétisées possède une activité inhibitrice inférieure au micromolaire contre InhA. La structure du complexe correspondant a été résolue par cristallographie aux rayons X, mettant en évidence une ouverture inédite d'une des régions de la protéine, appelée portail mineur. Enfin, des approches multi-cibles, ciblant à la fois InhA et le complexe déshydratase HadABC du système FAS II, ont également été développées durant cette thèse. Plusieurs molécules duales ont été produites et montrent une inhibition de l'activité d'InhA de l'ordre du nanomolaire. Ces molécules montrent également une inhibition de la croissance de différentes souches mycobactériennes.