Пептиды с противомикробным действием - Студенческий научный форум

XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Пептиды с противомикробным действием

Шуклин Г.О. 1, Шуклина А.А. 1, Япаров А.Э. 1, Бабина С.А. 1
1ФГБОУ ВО «Пермский государственный медицинский университет им. академика Е.А. Вагнера» Минздрава России
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Резюме

Противомикробные пептиды (ПМП), благодаря их большому терапевтическому потенциалу, в последние годы вызывают повышенный интерес среди различных исследователей и фармацевтических компаний. Они представляют собой низкомолекулярные белки с широким спектром антимикробных и иммуномодулирующих свойств. ПМП обладают широким спектром действия, подавляя развитие патогенных бактерий (грамположительных и грамотрицательных), вирусов и грибов. Медленное развитие резистентности микроорганизмов к большей части ПМП, делает их весьма перспективными в качестве новых противомикробных препаратов. Также ПМП демонстрируют высокую специфичность действия, и низкую токсичность. Более 60 пептидных препаратов уже появились на мировом рынке и несколько сотен новых пептидных препаратов находятся в стадии доклинической и клинической разработки.

Цель исследования – изучение и обобщение сведений о противомикробных пептидах, их источниках, механизме действия и возможности терапевтического применения.

Материалы и методы: Повествовательный обзор, основанный на поисках литературы в текстовой базе данных медицинских и биологических публикаций PubMed до апреля 2020 года без ограничений по срокам. Поиск, включал такие термины, как «противомикробные пептиды», «антимикробные пептиды», «пептиды с антимикробным действием».

Введение

Противомикробные пептиды (ПМП) – низкомолекулярные белки с иммуномодулирующей активностью и широким спектром антимикробного действия, который охватывает патогенные бактерии (Грамположительные и грамотрицательные), вирусы и грибки.

ПМП классифицируются в соответствии с их физико-химическими свойствам, такими как заряд, структурный состав и растворимость в воде.[5] Существуют как катионные, так и анионные ПMП, они содержат гидрофобную и гидрофильную боковую цепь, которая позволяет пептидным молекулам растворяться в воде. Известно, что катионные альфа-спиральные ПМП способны нарушать целостность бактериальной цитоплазматической мембраны, вызывая осмотический шок и гибель бактериальной клетки [8].

ПМП относятся к разнообразным группам белков, разделенным на множество подгрупп на основании их аминокислотного состава, структуры и свойств. Известно, что ПМП участвуют в врожденном иммунном ответе, обеспечивая быструю защиту организмов от инфекция [8].

Наиболее важными классами ПMП являются цекропин, магайнин, кателицидин человека, и их производные, обладающие антимикробным действием. Одним из важных преимуществ ПMП является низкая склонность бактерий к развитию резистентности к данным веществам, что может быть связано с его особенным действием на плазматическую мембрану. ПМП складываются в амфифильную структуру, взаимодействуют с оболочкой бактериальной клетки, нарушая ее целостность, и позже перемещаются в цитозоль. В отличие от действия ряда антибиотиков, ПMП не ингибируют синтез пептидогликана, а создают поры в мембранном комплексе [10].

Источники ПМП

Открытие ПMП датируется 1939 годом, когда Дубос получил противомикробный агент из почвенного штамма Bacillus. После этого было обнаружено множество ПMП как у прокариот так и у эукариот, только кожа лягушки является источником более 300 различных ПMП [2].

Японские исследователи изучали действие антимикробных пептидов, бомбининов H2 и H4, обнаруженных в кожных выделениях лягушек вида Bombina. Оба этих антимикробных пептида показали многообещающую способность подавлять развиие лейшманий. Сообщалось, что Лейшмании поражают почти 20 миллионов человек во всем мире и является причина примерно 30 000 смертей ежегодно. Выяснение механизма действия этих пептидов, успешно защищающих лягушку, может быть полезно в разработке антимикробных пептидов против опасных инфекций [19].

Другие обнаруженные ПMП - это дефенсин из лейкоцитов кролика, лектоферрин из коровьего молока, пептиды из лизосом человеческих лейкоцитов и низкомолекулярные антимикробные пептиды из женского репродуктивного тракта человека [21]. Было идентифицированно несколько штаммов Bacillus, продуцирующих антимикробные пептиды, которые показали многообещающую ингибирующую активность против шигелл, сальмонелл, кишечной палочки и золотистого стафилококка. В другом исследовании ПМП от Bacillus sp., выяснилась их активность против Staphylococcus aureus, Alteromonas sp. и Klebsiella pneumoni. Внеклеточный антимикробный пептид также был выделен из Propionibacterium jensenii. Противомикробные пептиды, выделенные из Pseudomonas, проявили активность против Шигелл, Сальмонелл, кишечной палочки, золотистого стафилококка [9, 16].

Исследователи модифицировали лактоферрин крупного рогатого скота, который продемонстрировал высокую активность против грибов рода Candida и бактерий с множественной лекарственной устойчивостью [14].

База данных антимикробных пептидов (ПМП) содержит множество пептидов из шести царств (335 пептидных антибиотика, полученных от бактерий, 4 от архей, 8 от простейших, 13 от грибов, 342 от растений и 2200 от животных, включая некоторые синтетические пептиды), всего до настоящего времени было обнаружено и синтезировано более 5000 ПМП [24].

Механизм действия ПМП

Исходя из механизма действия, ПМП подразделяются на мембранно-действующие и не действующие на мембрану пептиды. Пептиды мембранного действия в основном содержат катионные пептиды, повреждающие мембрану, тогда как немембранно-действующие пептиды способны перемещаться через мембрану, не повреждая ее. Мембранно-действующие ПМП, такие как дефенсин и мелиттин, создают трансмембранные поры, включаясь в бактериальную мембрану. Не действующие на мембрану пептиды, такие как буфорин II, дермасептин, плевроцидин, индолицидин, пирроцидин и мерсацидин перемещаются через клеточную мембрану и нарушают нормальное функционирование клеток [20].

Наружная мембрана прокариотической клетки заряжена отрицательно из-за наличия липополисахаридов или тейхоевых кислот, что отличает ее от мембраны эукариотической клетки, состоящей из фосфатидилхолина и сфингомиелинфосфолипидов. Катионные ПМП взаимодействуют с отрицательно заряженными мембранами микроорганизмов за счет селективного взаимодействия, делают клетки проницаемыми и способствует их окончательному разрушению [6]. ПМП также способны препятствовать таким процессам, как:

Синтез белка,

Синтез нуклеиновых кислот,

Ферментативная активность

Синтез клеточной стенки микробов [4].

Маланович и Лонерин использовали антимикробные пептиды против грамположительных бактерий и обнаружили, что перед нацеливанием на цитоплазматическую мембрану эти пептиды проникают через компоненты клеточной стенки, такие как липотейхоевые кислоты и пептидогликан. Большинство из этих ПМП превращаются в амфипатические конформации при взаимодействии с мембраной клетки. Некоторые ПМП проникают через липидный бислой и связываются с ДНК клетки, блокируя активность ферментов, а, следовательно, подавляя синтез белков и нуклеиновых кислот. Несмотря на все опубликованные данные, механизм действия ПМП до конца не изучен [12].

Применение ПМП

Применение в офтальмологии

В одном исследовании сообщалось об использовании кроличьего альфа-дефенсина против некоторых глазных инфекций. Аналог цекропина, гекат показал ингибирующее действие против многих видов Acanthamoeba in vitro. Среди других протестированных аналогов цекропина SHIVA-11 широко используется против различных глазных инфекций [11].

Лечение местных инфекций

Пептид опебакан представляет собой инъекционный препарат, используемый для лечения детей, перенесших операцию на открытом сердце и пациентов с тяжелыми ожогами [3].

Рекомбинантный пептид HBD-2 используется для устранения инфекций, развившихся после протезирования [22].

Пептиды полученные из кожи земноводных, например алитесерин, бревинин, аскафин, псевдин и темпорин показали свою эффективность при лечении местных инфекций, вызванных штаммами бактерий с множественной лекарственной устойчивостью, например Acinetobacter baumannii, Klebsiella pneumoniae, Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa и Candida sp [13].

P113 - еще один природный пептид встречающиеся в слюне, он проявляет высокую активность in vitro в отношении Candida albicans и часто встречающихся грамположительных и грамотрицательных возбудителей, данный пептид также используется в виде жидкости для полоскания рта при лечении таких заболеваний полости рта как кандидоз у ВИЧ-инфицированных пациентов [23].

Пексиганан первый антимикробный пептид, используемый в виде мази для местного применения, используемый при язвах диабетической стопы. Пептиды на основе индолицидина, используются при лечении инфекций, связанных с использованием катетеров, а также при лечении угрей. Другой пептид MBI-853NL используется для лечения инфекции, устойчивой к метициллину (MRSA) [7].

ПМП в клинических исследованиях

Благодаря ряду преимуществ ПМП, таких как высокая эффективность, селективность, широкий спектр действия, потенциально низкая токсичность, в настоящее время проводится множество соответствующих клинических исследований по их применению. Более 60 пептидных препаратов вышли на рынок и несколько сотен новых пептидных препаратов находятся в стадии доклинической и клинической разработки Новые пептидные технологии, в том числе синтез многофункциональных пептидов расширяют область их применения в качестве терапевтических средств [17].

Самый продвинутый пептид MBI-226, используемый для предотвращения катетер-ассоциированных инфекций кровотока вступил в III фазу клинических испытаний. Доклинические исследования на животных моделях показали, что MBI-226 успешно уменьшал колонизацию кожи различными бактериями, вызывающими катетер-ассоциированные инфекции, а также продемонстрировал хорошую противогрибковую активность против Candida albicans в коже морской свинки.Рандомизированное двойное слепое клиническое исследование I фазы с участием 18 здоровых добровольцев продемонстрировало, что MBI-226 безопасен, хорошо переносится и устраняет 99,9% кожных бактерий с длительным сохранением эффекта. Кроме того, пептидный препарат полностью предотвратил краткосрочную колонизацию центрального венозного катетера (ЦВК), которая является частой причиной серьезных угрожающих жизни инфекций у госпитализированных пациентов, вызывая до 90% инфекций кровотока [15, 18].

Заключение

Всем живым организмам постоянно угрожает большое количество микроорганизмов, чтобы справиться с микробной угрозой, большинство клеток производят естественные молекулы, которые непосредственно уничтожают или подавляют рост чужеродных микроорганизмов. Необходимость получить новые противомикробные препараты, стимулирует исследования ПМП, которыерассматриваются как многообещающие противомикробные средства для производства противомикробных препаратов нового поколения.

В целом, использование ПMП показало успехи в лечение различных инфекций, новые антимикробные пептиды уже вышли на мировой рынок. Бесспорная потребность в новых способах борьбы с инфекциями и важная роль пептидов во врожденном иммунитете делает противомикробные пептиды весьма перспективными для их дальнейшего исследования и клинического применения.

Списокиспользуемойлитературы

Belmadani, A.; Semlali, A.; Rouabhia, M. DermaseptinS1 decreases Candida albicans growth, biofilm formation and the expression of hyphal wall protein 1 and aspartic protease genes. J. App. Microbial., 2018, 125(1), 72-83. [https://doi.org/10.1111/jam.13745] [PMID: 29476689]

Conlon, B.P.; Nakayasu, E.S.; Fleck, L.E.; LaFleur, M.D.; Isabella, V.M.; Coleman, K.; Leonard, S.N.; Smith, R.D.; Adkins, J.N.; Lewis, K. Activated ClpP kills persisters and eradicates a chronic biofilm infection. Nature, 2013, 503(7476), 365-370. [http://dx.doi.org/10.1038/nature12790] [PMID: 24226776]

Conlon, J.M.; Sonnevend, A. Clinical applications of amphibian antimicrobial peptides. J. Med. Sci., 2011, 4(2), 62-72. [http://dx.doi.org/10.2174/1996327001104020062]

Cudic, M.; Otvos, L.Jr. Intracellular targets of antibacterial peptides. Curr. Drug Targets, 2002, 3(2), 101-106. [http://dx.doi.org/10.2174/1389450024605445] [PMID: 11958294]

Elias, P.M.; Choi, E.H. Interactions among stratum corneum defensive functions. Exp. Dermatol., 2005, 14(10), 719-726. [http://dx.doi.org/10.1111/j.1600-0625.2005.00363.x] [PMID:16176279]

Falanga, A.; Galdiero, S. Emerging therapeutic agents on the basis of naturally occurring antimicrobial peptides. In: Amino Acids, Peptides Proteins. Ryadnov, M.; Hudecz, F.; Royal Society of Chemistry: London, UK, 2017; Vol. 42, pp. 190-227. [https://doi.org/10.1039/9781788010627]

Greber, K.E.; Dawgul, M. Antimicrobial peptides under clinical trials. Curr. Top. Med. Chem., 2017, 17(5), 620-628. [http://dx.doi.org/10.2174/1568026616666160713143331] [PMID: 27411322]

Harris, F.; Dennison, S.R.; Phoenix, D.A. Anionic antimicrobial peptides from eukaryotic organisms. Curr. Protein Pept. Sci., 2009, 10(6), 585-606. [http://dx.doi.org/10.2174/138920309789630589] [PMID: 19751192]

Holo, H.; Faye, T.; Brede, D.A.; Nilsen, T.; Ødegård, I.; Langsrud, T. Bacteriocins of propionic acid bacteria. Lait, 2002, 82(1), 59-68. [http://dx.doi.org/10.1051/lait:2001005]

Le, C.F.; Fang, C.M.; Sekaran, S.D. Intracellular targeting mechanisms by antimicrobial peptides. Antimicrob. Agents Chemother., 2017, 61(4), e02340-e16. [http://dx.doi.org/10.1128/AAC.02340-16] [PMID: 28167546]

Levy, O. Antimicrobial proteins and peptides: anti-infective molecules of mammalian leukocytes. J. Leukoc. Biol., 2004, 76(5), 909-925. [http://dx.doi.org/10.1189/jlb.0604320] [PMID: 15292276]

Malanovic, N.; Lohner, K. Antimicrobial peptides targeting gram-positive bacteria. Pharmaceuticals (Basel), 2016, 9(3), 59. [http://dx.doi.org/10.3390/ph9030059] [PMID: 27657092]

Migoń, D.; Neubauer, D.; Kamysz, W. Hydrocarbon stapled antimicrobial peptides. Protein J., 2018, 37(1), 2-12. [http://dx.doi.org/10.1007/s10930-018-9755-0] [PMID: 29330644]

Mishra, S.K.; Acharya, J.; Kattel, H.P.; Koirala, J.; Rijal, B.P.; Pokhrel, B.M. Metallo-beta-lactamase producing gram-negative bacterial isolates. J. Nepal Health Res. Counc., 2012, 10(22), 208-213. [PMID: 23281453]

Mohamed, M.F.K. Targeting multi-drug resistant pathogens with novel antimicrobial peptides. Doctoral dissertation, Purdue University: USA, 2016.

Mora, C.; Tittensor, D.P.; Adl, S.; Simpson, A.G.; Worm, B. How many species are there on Earth and in the ocean? PLoS Biol., 2011, 9(8), e1001127. [http://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.1001127] [PMID: 21886479]

Raucher, D.; Ryu, J.S. Cell-penetrating peptides: strategies for anticancer treatment. Trends Mol. Med., 2015, 21(9), 560-570. [http://dx.doi.org/10.1016/j.molmed.2015.06.005] [PMID: 26186888]

Riool, M.; de Breij, A.; Drijfhout, J.W.; Nibbering, P.H.; Zaat, S.A.J. Antimicrobial peptides in biomedical device manufacturing. Front Chem., 2017, 5, 63. [http://dx.doi.org/10.3389/fchem.2017.00063] [PMID: 28971093]

Sekiya, Y.; Shimizu, K.; Kitahashi, Y.; Ohyama, A.; Kawamura, I.; Kawano, R. Electrophysiological analysis of membrane disruption by bombinin and its isomer using lipid bilayer system. ACS Applied Bio Mater., 2019, 2(4), 1542-1548. [http://dx.doi.org/10.1021/acsabm.8b00835]

Shafee, T.M.; Lay, F.T.; Phan, T.K.; Anderson, M.A.; Hulett, M.D. Convergent evolution of defensin sequence, structure and function. Cell Mol. Life Sci., 2017, 74(4), 663-682.

Sharma, S.; Sethi, S.; Prasad, R.; Samanta, P.; Rajwanshi, A.; Malhotra, S. Characterization of low molecular weight antimicrobial peptide from human female reproductive tract. Indian J. Med. Res., 2011, 134(5), 679-687. [https://doi.org/10.4103/0971-5916.90996] [PMID: 22199108]

Shin, S.H.; Lee, Y.S.; Shin, Y.P.; Kim, B.; Kim, M.H.; Chang, H.R.; Jang, W.S.; Lee, I.H. Therapeutic efficacy of halocidin-derived peptide HG1 in a mouse model of Candida albicans oral infection. J. Antimicrob. Chemother., 2013, 68(5), 1152-1160. [http://dx.doi.org/10.1093/jac/dks513] [PMID: 23302580]

Yu, K.; Lo, J.C.; Yan, M.; Yang, X.; Brooks, D.E.; Hancock, R.E.; Lange, D.; Kizhakkedathu, J.N. Anti-adhesive antimicrobial peptide coating prevents catheter associated infection in a mouse urinary infection model. Biomaterials, 2017, 116, 69-81. [http://dx.doi.org/10.1016/j.biomaterials.2016.11.047] [PMID: 27914268]

Zhu, M.; Liu, P.; Niu, Z.W. A perspective on general direction and challenges facing antimicrobial peptides. Chin. Chem. Lett., 2017, 28(4), 703-708. [http://dx.doi.org/10.1016/j.cclet.2016.10.001]

Просмотров работы: 105