Смогут ли антимикробные пептиды заменить антибиотики?
Пока множественная устойчивость к антибиотикам уверенно распространяется среди патогенных бактерий, а прогрессивная медицинская и фармацевтическая общественность прилагает все усилия к тому, чтобы этому воспрепятствовать, мы продолжаем знакомить вас с возможными альтернативами традиционным антибактериальным средствам. В ближайшее время они вряд ли полностью заменят антибиотики, однако могут уменьшить использование последних, а также внести лепту в борьбу с супербактериями. Мы уже рассказывали о возвращении бактериофагов, а также о попытках применения наночастиц в лечении бактериальных инфекций. Теперь речь пойдет об антимикробных пептидах (АМП) — молекулах давно известных, но до недавнего времени не слишком активно изучаемых
Первая линия защиты от бактерий
АМП выделяют самые разнообразные организмы — растения, грибы, позвоночные и беспозвоночные животные, микроорганизмы. Они способны уничтожать бактерии, являются первой линией защиты организма от патогенов и принимают участие в системе врожденного иммунитета. У млекопитающих АМП выделяют преимущественно в гранулах нейтрофильных гранулоцитов (подвид лейкоцитов), а также в секретах эпителия кожи и слизистых оболочек. В многоклеточных организмах часть АМП продуцируется постоянно, хранится в виде неактивных предшественников в гранулах и высвобождается при наличии инфекции, а часть синтезируется только в ответ на появление патогена.
АМП — относительно короткие молекулы, состоящие в среднем из 30–40 аминокислот. На сегодня охарактеризовано около 2000 АМП, имеющих разнообразные структуру и функции. Помимо прямого антибактериального, они могут оказывать иммуномодулирующее действие, что позволяет считать их потенциальными терапевтическими агентами.
Образуются АМП или путем синтеза с помощью специальных ферментных комплексов, или в результате трансляции мРНК на рибосомах. Несмотря на большое разнообразие структур, молекулы АМП имеют общие черты: высокий положительный заряд и амфифильность — пространственное разделение гидрофобных и гидрофильных участков молекулы. Амфифильность позволяет АМП одновременно взаимодействовать с гидрофобным ядром липидной мембраны бактерии и ее полярным окружением.
Как АМП уничтожают бактерии?
Свое антимикробное действие АМП реализуют двумя способами: нарушают целостность плазматической мембраны бактерии (так поступают дефенсины, протегрины, цекропины, магейнины, пептид LL-37 и др.) либо проникают в цитоплазму и вмешиваются в метаболические процессы микробной клетки (например, лантибиотики — низин, эпидермин, субтилин и др.).
Лучше других охарактеризованы такие АМП, как полимиксины — группа полипептидных антибиотиков, синтезируемых аэробной спорообразующей палочкой Bacillus polymyxa. Полимиксины являются единственными АМП, которые применяют в клинической и ветеринарной практике (полимиксин В и полимиксин Е (колистин)). Они активны в отношении грамотрицательных бактерий, в том числе устойчивых к большинству противомикробных препаратов. Поскольку полимиксины более токсичны для человека, чем многие современные антибиотики, их используют как средства резерва
Оба механизма подразумевают взаимодействие АМП с мембраной бактерии. Критическую роль в этом взаимодействии играют электростатические силы, обеспечивающие притяжение между положительно заряженным АМП и мембраной, богатой фосфолипидами с отрицательно заряженной головкой (фосфатидилглицерином, фосфатидилсерином, кардиолипином). Дополнительное притяжение обеспечивают отрицательные заряды тейхоевых кислот клеточной стенки бактерий, а также липополисахариды внешней мембраны грамотрицательных бактерий. Синтетические пептиды, построенные из D-аминокислот, так же эффективно связываются с бактериальными мембранами и проявляют свое микробоцидное действие, как и их природные стереоизомеры, состоящие из L-аминокислот. Поэтому, вероятно, никакие специфические рецепторы в процесс связывания АМП с мембранами бактерий не вовлечены. Множественное неспецифическое взаимодействие АМП с мембранами расширяет спектр действия АМП и снижает риск развития у бактерий устойчивости к ним.
Цитоплазматические мембраны бактерий (прокариот) и млекопитающих (и вообще эукариот) значительно различаются составом и, соответственно, поверхностным зарядом. Это объясняет избирательное действие большинства антимикробных пептидов в отношении бактериальных клеток.
После связывания с клеткой-мишенью АМП встраиваются в мембрану, приводя к образованию пор. Через поры из клетки выходят ионы и другие компоненты, что приводит к исчезновению трансмембранного потенциала, нарушению осмоса и дыхания и, в конце концов, разрушению мембраны и лизису микробной клетки. Кроме того, через образовавшиеся поры АМП проникают внутрь бактерии, где нарушают основные клеточные процессы.
Помимо непосредственного разрушения бактериальных клеток АМП проявляют иммуномодулирующую активность — усиливают иммунный ответ хозяина на патогенную инфекцию, а также стимулируют продукцию цитокинов, заживление ран и модулируют активность дендритных клеток.
Что мешает внедрению АМП в практическую медицину?
Почему так много АМП заявлены в патентах как потенциальные ЛС, но так мало АМП доходит до II фазы клинических исследований? Это можно объяснить некоторыми техническими, регуляторными и коммерческими причинами. Вот некоторые из них.
Одна из технических проблем, возникающая при использовании АМП, — чувствительность к условиям, в которых им приходится действовать. С одной стороны, они часто высокоэффективны в экспериментах in vivo, но беспомощны в стандартных тестах in vitro, что, по-видимому, связано с особенностями состава микросреды в организме млекопитающего, а также с иммуномодулирующими свойствами АМП, проявляющими себя только в родном организме. С другой стороны, АМП, активные в лабораторных тестах, могут быть неэффектины в опытах in vivo вследствие того, что легко разрушаются протеолитическими ферментами в тканях животного.
Низкая биодоступность — еще одна проблема АМП. При пероральном приеме протеазы пищеварительного тракта быстро разрушают введенный пептид, но если он уцелеет, то плохо всасывается в кишечнике. При внутривенном введении протеазы тоже резко укорачивает период полувыведения АМП из организма. В связи с этим АМП включают в средства для местного применения — кремы, растворы для обработки кожи и слизистых оболочек, назальные спреи и т.п. Разрушение протеазами грозит пептидам и в этом случае, поэтому АМП пытаются защитить путем различных химических модификаций — их циклизуют, используют для синтеза D-изомеры аминокислот, «прикрывают» концы пептидной цепи.
Важным препятствием для широкого применения АМП в медицине является высокая цена химического синтеза. Удешевить производство АМП могут генно-инженерные продуценты (дрожжи, бактерии и т.д.), в ДНК которых введены гены, необходимые для синтеза конкретного АМП. Но стадия разработки самих продуцентов, как правило, требует больших научных и финансовых ресурсов и, кроме того, в таких системах сложно создать химические модификации пептида.
Следует отметить, что безопасность АМП недостаточно изучена. Единственным АМП, хорошо описанным с точки зрения безопасности использования у человека, является полимиксин, который обладает высокой нефро- и нейротксичностью. При этом преимуществом АМП является то, что они быстро разрушаются в организме до обычных кислот и не накапливаются в тканях. Терапевтические пептиды менее иммуногенные, чем рекомбинантные белки и антитела, то есть риск развития иммунного ответа на них невысок.
Как усовершенствовать АМП?
Защитить АМП от разрушения протеазами и аггрегации могут наноносители. В качестве материала для последних испытывают амфифильные липиды (фосфолипиды, триглицериды и др.) и полимеры (целлюлозу, хитозан, гиалуроновую кислоту, поли-лакто-ко-гликолевую кислоту и др.). Носители должны обеспечить не только стабильность АМП, но и его доставку в нужные ткани и медленное высвобождение в них.
Недавно были испытаны АМП LLKKK18 (аналог LL-37) в капсулах из геля на основе гиалуроновой кислоты: в опытах как in vitro, так и in vivo защищенный пептид уничтожал микобактерии туберкулеза эффективнее, чем незащищенный. В опытах in vitro наночастицы поли-лакто-ко-гликолевой кислоты проявили свой потенциал в доставке АМП при лечении инфекции, обусловленной Pseudomonas aeruginosa, формирующей биопленки при муковисцидозе.
Несмотря на то, что для АМП характерны высокие действующие концентрации и низкая селективность, они обладают рядом преимуществ: способны быстро уничтожать бактерии, имеют широкий спектр действия, обладают иммуномодулирующей активностью, активны в отношении штаммов, резистентных к другим антибиотикам. Особую ценность представляет то, что к АМП у бактерий редко развивается устойчивость.
Некоторые АМП в III фазе клинических испытаний:
• пексиганан — синтетический аналог АМП, выделенного из кожи африканской лягушки Xenopus laevis; проявляет высокую активность в отношении 3109 штаммов бактерий. Топический крем с пексигананом проходит клинические испытания как средство для лечения больных с диабетической стопой;
• изеганан проходит испытания как антимикробное средство в форме раствора для полоскания рта у пациентов, которым проводят стоматотоксичную химиотерапию;
• рамопланин — циклический пептидный антибиотик, продукт нерибосомального синтеза в грибах рода Actinomycetes, который испытывают в качестве средства для лечения пациентов с инфекциями дыхательных путей. Ингаляции из смеси, содержащей рамопланин, могут быть эффективны в терапии больных туберкулезом
Подготовила Татьяна Ткаченко, канд. биол. наук
Список литературы находится в редакции
“Фармацевт Практик” #3′ 2017
