АНТИМИКРОБНЫЕ ПЕПТИДЫ, КАК НОВЫЙ ПОДХОД В БОРЬБЕ С РЕЗИСТЕНТНОСТЬЮ К ПРОТИВОМИКРОБНЫМ ПРЕПАРАТАМ.

ANTIMICROBIAL PEPTIDES AS A NEW APPROACH IN THE FIGHT AGAINST ANTIMICROBIAL RESISTANCE

Ekaterina Yelisheva

student, Department of Infectious Diseases, S.I. Georgievsky Medical Academy,

Russia, Simferopol

Sevilya Khalilova

student, Department of Infectious Diseases, S.I. Georgievsky Medical Academy,

Russia, Simferopol

Elizaveta Chebotova

student, Department of Infectious Diseases, S.I. Georgievsky Medical Academy,

Russia, Simferopol

Anastasia Voronkina

scientific supervisor, Ass. Department of Infectious Diseases, S.I. Georgievsky Medical Academy,

Russia, Simferopol

АННОТАЦИЯ

В постковидное время актуальной проблемой современного здравоохранения является резистентность микроорганизмов к многим антимикробным препаратам, которая наблюдается во всем мире.

Из-за способности микробов обходить механизм действия лекарственных средств, существующие препараты недостаточно справляются с поставленной задачей, и поэтому альтернативная разработка антимикробных пептидов вызвала интерес в системе здравоохранения человека. Благодаря основным преимуществам антимикробных пептидов, таким как широкий спектр действия и низкий уровень индуцированной резистентности за последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс в разработке последних по сравнению с современными антибактериальными агентами. В данном обзоре кратко рассмотрены различные классы антимикробных пептидов, их физико-химические свойства и механизм действия, определяющие их повреждающее воздействие на микробную клетку, а также применение и перспектива в будущем медицины.

ABSTRACT

In the postcovid period, an urgent problem of modern healthcare is the resistance of microorganisms to many antimicrobial drugs, which is observed all over the world.  Due to the ability of microbes to bypass the mechanism of action of drugs, existing drugs do not sufficiently cope with the task, and therefore the alternative development of antimicrobial peptides has aroused interest in the human health system. Due to the main advantages of antimicrobial peptides, such as a wide spectrum of action and a low level of induced resistance, significant progress has been made over the past decade in the development of the latter compared to modern antibacterial agents. This review briefly discusses various classes of antimicrobial peptides, their physico-chemical properties and mechanism of action that determine their damaging effect on the microbial cell, as well as the application and prospects in the future of medicine.

Ключевые слова: Антимикробные пептиды, резистентность, низкомолекулярные пептиды, пептиды защиты хозяина.

Keywords: Antimicrobial peptides, resistance, low molecular weight peptides, host defense peptides.

Антимикробные пептиды (АМП) – это класс низкомолекулярных пептидов, состоящих из 5–100 аминокислот с положительным суммарным зарядом от +2 до +11 и значительной долей гидрофобных остатков [1].

На данный момент известно более 3100 природных АМП [2], которые получают из бактерий, растений, насекомых, рыб, птиц и других животных [3]. Являясь важными эффекторами врожденного иммунитета, АМП участвуют в регуляции и реализации иммунного ответа против широкого спектра инвазивных патогенов, таких как бактерии, дрожжи, грибы и вирусы, а также обладают цитотоксической активностью в отношении раковых клеток. [4].

К преимуществам АМП относятся не только сильная антимикробная активность и иммуномодуляция, но и низкая токсичность для клеток живого организма, высокая термостабильность и растворимость, низкая молекулярная масса и отсутствие резистентности. В связи с этими AMP известны как пептиды защиты хозяина (HDP) [5]. Исходя из этого, они имеют потенциальное применение в медицине [6].

Первый антимикробный пептид – грамицидин, был открыт в 1939 г. из почвенных бактерий Bacillus brevis и показал антибактериальную активность in vitro и in vivo в отношении многих грамположительных бактерий [7]. В течение этого десятилетия количество занесенных в перечень AMП значительно увеличилось.

Механизмы действия АМП разнообразны, но, как правило, направлен на прямое уничтожение патогена, однако у некоторых АМП отмечается косвенное воздействие на микробную клетку путем модулирования иммунных ответов хозяина [8]. Важным отличием противомикробных препаратов от обычных антибиотиков, является их воздействие на несколько низкоаффинных мишеней, таких как бактериальные мембраны, что, как считается, снижает развитие устойчивости к последним [9].

К значимым особенностям АМП относится то, что они хорошо поддаются мутагенезу и пептидной инженерии, что помогает получить соединений с повышенной биологической активностью и сниженной цитотоксичностью [10].

В настоящее время в медицинскую практику введены АМП – циклические антиинфекционные пептиды грамицидины и полимиксины. Кроме того, в неклинических условиях и в клинических испытаниях оцениваются дополнительный спектр АМП. Примеры антимикробных пептидов, которые прошли поздние стадии клинических исследований, включают омиганан, пексиганан и DPK-060, разработанные для лечения инфекций– все эти препараты представляют собой линейные катионные пептиды с молекулярной длиной от 12 до 37 аминокислот [11]

С помощью некоторых исследований было выявлено, что у грамположительных бактерий имеются антимикробные пептиды, образующиеся двумя путями: рибосомальным и нерибосомным синтезом. [12]. Синтезируемые рибосомами бактериальные АМП называются бактериоцинами. Бактериоцины, продуцируемые грамположительными бактериями, можно разделить на четыре класса: (I) лантибиотики, (II) нелантибиотики, (III) бактериоцины большого размера и (IV) бактериоцины уникальной структуры [13].

Класс I (лантибиотики) включает в себя небольшие пептиды (19-38 аминокислот), достаточно устойчивы к нагреванию, широкому диапазону уровней рН и протеолизу. Лантибиотики подразделяются на подклассы Ia и Ib. Подкласс Ia включает низин (первый и наиболее известный лантибиотик), эпидермин, галлидермин и Pep5 [14]. Этот подкласс состоит из положительно заряженных удлиненных пептидов, механизм их действия заключается в образовании пор в бактериальных мембранах, что приводит к оттоку небольших молекул, рассеиванию мембранного потенциала и, в конечном счете, остановке клеточного биосинтеза [15]. Подкласс Ib состоит из отрицательно заряженных, глобулярных и негибких пептидов, которые ингибируют важнейшие ферменты бактерий-мишеней, представителями являются лактицин 481, цитолизин и саливарицины [16]. Саливарицины действуют путем первого связывания с липидом II, за которым следует образование пор в цитоплазматической мембране или вмешательство в синтез клеточной стенки, что в конечном счете приводит к гибели клеток. Цитолизин воздействует на мембраны и образует поры, вызывая осмотический лизис клетки. [17].

АМП класса II представляют собой бактериоцины, не содержащие лантионин. Это небольшие (<10 кДа) термостабильные пептиды, которые действуют как порообразующие, дестабилизирующие мембрану, повышающие проницаемость бактериоцины [18].

Бактериоцины II класса могут быть дополнительно классифицированы на четыре подкласса. Подкласс IIa состоит из дисульфидсодержащих линейных пептидов которые проявляют сильную антилистериальную активность (например, лейкоцин А, ацидоцин А, педиоцин РА-1 и энтероцин Р) [19]. Все представители этого класса действуют путем увеличения проницаемости клеточной мембраны. Бактериоцины подкласса IIb состоят из двух пептидных субъединиц (α/β) в равной пропорции, которые функционируют как единое целое; и то, и другое необходимо для противомикробной активности. Представителями данного класса являются плантарицин EF и JK, NC8, термофилин 13, лактацин F и лактококкины G и Q [20]. Подкласс IIc состоит из небольших циклических пептидов, N- и C-концы которых ковалентно связаны. К ним относятся энтероцин AS-48, гассерицин A, ацидоцин B, циркулярин A, лактоциклицин Q и уберолизин. Все остальные бактериоцины в группе класса II не имеют существенного сходства с другими бактериоцинами класса II и отнесены к подклассу IId. Примерами являются лактококкины A, B и 972, энтероцин L50 и лактицин Q [21].

Бактериоцины III класса состоят из достаточно крупных термолабильных пептидов. К ним относят злоцин А, лизостафин, энтеролизин А и хелеветицин М, J и V, которые обладают эндопептидазоподобной активностью в отношении пептидогликана и вызывают разрушение клеточной стенки [22].

АМП IV класса представляют собой бактериоцины уникальной структуры, содержащие аминокислоты и липидные или углеводные компоненты, которые делают их чувствительными ко многим липолитическим и гликолитическим ферментам. К ним относят плантарицин S и лейконоцин S, лактоцин 27 и педиоцин SJ-1, которые воздействуют разрушающе на мембраны клеток [23].

АМП грамотрицательных бактерий – химические вещества, обладающие узким спектром активности в отношении грамотрицательных организмов и могут быть классифицированы на четыре класса: колицины, колициноподобные, микроцины и фагоподобные бактериоцины.  Колицины продуцируются преимущественно кишечной палочкой. Механизм их действия заключается в связывании со специфическими рецепторами клеточной поверхности перед транслокацией через наружную мембрану, периплазму и внутреннюю мембрану в цитоплазму клетки [24].

Микроцины состоят из небольших пептидов, классифицированных на два подкласса. Подкласс I содержит микроцины B17, C7, D93 и J25, которые подверглись обширной основной PTM, тогда как подкласс II включает более крупные, посттрансляционно модифицированные или немодифицированные пептиды. Примерами подкласса II являются микроцины E492, V, L и H47 [25].

Антибактериальные АМП являются наиболее тщательно изученным классом, большинство из которых являются катионными и амфипатическими. Они взаимодействуют с анионными бактериальными мембранами, вызывая нарушение липидного бислоя.  Некоторые анионные пептиды также обладают антибактериальной активностью, включая анионные пептиды, ассоциированные с поверхностно-активными веществами (SAAP), максимин-H5 лягушки и дермицидин человека [26]. Некоторые липопептиды (например, полимиксины В и Е, даптомицин) и гликопептиды (например, ванкомицин, тейкопланин, телаванцин, далбаванцин и оритаванцин) в настоящее время доступны к приобретению. Оба полимиксина обладают сходной активностью in vitro и спектром активности в отношении в первую очередь грамотрицательных патогенов, в том числе многих из них, ответственных за внутрибольничные инфекции с множественной лекарственной устойчивостью [27].  Даптомицин является 13-членным циклическим липопептидом. Он был выделен из Streptomyces roseosporus и используется для лечения резистентных грамположительных инфекций. Гликопептиды обладают широким спектром действия в отношении грамположительных бактерий. Уничтожение бактерий гликопептидами обусловлено их связыванием с предшественниками клеточной стенки, а не действием непосредственно на активный центр фермента[28].

Антибактериальные антимикробные полипептиды подразделяются на два типа в зависимости от механизма их действия: разрушающие мембрану и немембранные пептиды. Однако некоторые АМП могут действовать через оба механизма [29].

Антибактериальные AMП направлены на мембраны бактериальных клеток с помощью электростатических связей между положительно заряженными пептидными молекулами и отрицательно заряженной клеточной поверхностью, за которыми следуют гидрофобные связи между пептидным амфипатическим доменом и мембранными фосфолипидами. Механизмы действия: бочкообразный, коврообразный, тороидальная пора, агрегированный канал и кластеризация моделей анионных липидов. Пептиды, действующие по этому механизму, включают ареницин, магаинин 2 и лактицин Q [30]. Мелиттин действует через образование тороидальных пор, также были предложены бочкообразные или детергентные механизмы. АМП макулатин1.1, протегрин-1, тритрпицин и плеуроцидин действуют путем формирования ионных каналов через модель тороидальных пор, с помощью чего АМП связываются с фосфолипидами поверхности клеточной мембраны, образуют пептидно-липидные полимеры и проникают в клетку [31].

Некоторые АМП убивают бактерии, не влияя на стабильность мембраны. Эти АМП напрямую проникают в бактериальные клетки и мешают клеточной активности. АМП, направленные на нуклеиновые кислоты, включают буфорины I и II, которые проникают через клеточную мембрану E. coli без пермеабилизации, после чего связываются с ДНК и РНК. Паразин I и гиппосин из кожной слизи сома проявляют свою антимикробную активность с помощью механизма, аналогичного буфоринам. Индолицидин, богатый Trp/Pro-богатый AMП из 13 остатков, вызывает пермеабилизацию мембраны, позволяя пептидам проникать в цитоплазму, мешая синтезу ДНК [32].

Среди наиболее резистентных микроорганизмов была выделена группа патогенов ESKAPE (E. faecium, S. aureus, K. pneumoniae, A. baumannii, P. aeruginosa, Enterobacter spp.), требующих неотложного эффективного лечения[33]. За счет множественных механизмов лекарственной устойчивости эта группа возбудителей «избегают» бактерицидного действия многих антибактериальных препаратов, что приводит к высокой резистентности к последним. Поэтому, интерес к АМП в качестве альтернативной терапии инфекций, вызванных такими резистентными микроорганизмами, возрос за последние десятилетия [34]. Уникальная особенность АМП заключается в том, что они имеют множество биологических целей, что не характерно для традиционных антибиотиков. Примером этого является LL-37, который действует на бактериальную клеточную мембрану, проявляет прямую микробицидную и иммуномодулирующую активность [35].  Но не несмотря на то, что обнаружено более тысячи антимикробных пептидов, одобрены из них только гликопептиды (ванкомицин, оритаванцин, далбаванцин и телаванцин) и даптомицин обладающие активностью против грамположительных бактерий, полимиксины (полимиксин B и колистин [полимиксин Е]) против грамотрицательных бактерий и грамицидин активный как в отношение грамположительной, так и грамотрицательной флоры [35].

Консервативные структуры, специфическая направленная активность, простота синтеза и небольшой размер делают АМП перспективными терапевтическими агентами. Синтетическая и химическая биология имеет большой потенциал для разработки АМП с повышенной антимикробной активностью и пониженной токсичностью.

Список литературы:

1. Bin Hafeez A, Jiang X, Bergen PJ, Zhu Y. Antimicrobial Peptides: An Update on Classifications and Databases. Int J Mol Sci. 2021.
2. Lazzaro BP, Zasloff M, Rolff J. Antimicrobial peptides: Application informed by evolution. Science. 2020.
3. Bhopale GM. Antimicrobial Peptides: A Promising Avenue for Human Healthcare. Curr Pharm Biotechnol. 2020.
4. Chung, P.Y.; Khanum, R. Antimicrobial peptides as potential anti-biofilm agents against multidrug-resistant bacteria. J. Microbiol. Immunol. Infect 2017, 50, 405–410.
5. Li T, Liu Q, Wang D, Li J. Characterization and antimicrobial mechanism of CF-14, a new antimicrobial peptide from the epidermal mucus of catfish. Fish Shellfish Immunol. 2019.
6. Koo, H.B.; Seo, J. Antimicrobial peptides under clinical investigation. Pept. Sci. 2019.
7. Savini, F.; Loffredo, M.R.; Troiano, C.; Bobone, S.; Malanovic, N.; Eichmann, T.O.; Caprio, L.; Canale, V.C.; Park, Y.; Mangoni, M.L.; et al. Binding of an antimicrobial peptide to bacterial cells: Interaction with different species, strains and cellular components. Biochim. Biophys. Acta Biomembr. 2020.
8. Nawrot, R.; Barylski, J.; Nowicki, G.; Broniarczyk, J.; Buchwald, W.; Goździcka-Józefiak, A. Plant antimicrobial peptides. Folia Microbiol. 2014, 59, 181–196.
9. Mahlapuu M, Björn C, [Ekblom J. Antimicrobial peptides as therapeutic agents: opportunities and challenges. Crit Rev Biotechnol. 2020.
10. Zasloff, M. Antimicrobial peptides of multicellular organisms. Nature 2002, 415, 389–395.
11. Tajbakhsh M., Karimi A., Fallah F., Akhavan M.M. Overview of ribosomal and non-ribosomal antimicrobial peptides produced by Gram positive bacteria. Cell. Mol. Biol. 2017.
12. Simons A., Alhanout K., Duval R.E. Bacteriocins, antimicrobial peptides from bacterial origin: Overview of their biology and their impact against multidrug-resistant bacteria. Microorganisms. 2020.
13. Bierbaum G., Sahl H.-G. Lantibiotics: Mode of Action, Biosynthesis and Bioengineering. Curr. Pharm. Biotechnol. 2009.
14. Yeaman M.R., Yount N.Y. Mechanisms of antimicrobial peptide action and resistance. Pharmacol. Rev. 2003.
15. Geng M., Austin F., Shin R., Smith L. Covalent structure and bioactivity of the type All lantibiotic salivaricin A2. Appl. Environ. Microbiol. 2018.
16. Fimland G., Johnsen L., Dalhus B., Nissen-Meyer J. Pediocin-like antimicrobial peptides (class IIa bacteriocins) and their immunity proteins: Biosynthesis, structure, and mode of action. J. Pept. Sci. 2005.
17. Devi S.M., Halami P.M. Detection and characterization of pediocin PA-1/AcH like bacteriocin producing lactic acid bacteria. Curr. Microbiol. 2011.
18. Nissen-Meyer J., Oppegård C., Rogne P., Haugen H.S., Kristiansen P.E. Structure and mode-of-action of the two-peptide (class-IIb) bacteriocins. Probiotics Antimicrob. Proteins. 2010.
19. Nissen-Meyer J., Rogne P., Oppegard C., Haugen H., Kristiansen P. Structure-Function Relationships of the Non-Lanthionine-Containing Peptide (class II) Bacteriocins Produced by Gram-Positive Bacteria. Curr. Pharm. Biotechnol. 2009.
20. Kumariya R., Garsa A.K., Rajput Y.S., Sood S.K., Akhtar N., Patel S. Bacteriocins: Classification, synthesis, mechanism of action and resistance development in food spoilage causing bacteria. Microb. Pathog. 2019.
21. Da Silva Sabo S., Vitolo M., González J.M.D., de Souza Oliveira R.P. Overview of Lactobacillus plantarum as a promising bacteriocin producer among lactic acid bacteria. Food Res. Int. 2014.
22. Gillor O., Kirkup B.C., Riley M.A. Colicins and microcins: The next generation antimicrobials. Adv. Appl. Microbiol. 2004.
23. Pons A.M., Lanneluc I., Cottenceau G., Sable S. New developments in non-post translationally modified microcins. Biochimie. 2002.
24. Lai R., Liu H., Hui Lee W., Zhang Y. An anionic antimicrobial peptide from toad Bombina maxima. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2002.
25. Brogden K.A., Ackermann M., Huttner K.M. Small, anionic, and charge-neutralizing propeptide fragments of zymogens are antimicrobial. Antimicrob. Agents Chemother. 1997.
26. Kahne D., Leimkuhler C., Lu W., Walsh C. Glycopeptide and lipoglycopeptide antibiotics. Chem. Rev. 2005.
27. Cooper M.A., Williams D.H. Binding of glycopeptide antibiotics to a model of a vancomycin-resistant bacterium. Chem. Biol. 1999.
28. Yoneyama F, Imura Y, Ohno K, Zendo T, Nakayama J, Matsuzaki K, Sonomoto K. Peptide-lipid huge toroidal pore, a new antimicrobial mechanism mediated by a lactococcal bacteriocin, lacticin Q. Antimicrob Agents Chemother. 2009.
29. Marchand C, Krajewski K, Lee HF, Antony S, Johnson AA, Amin R, Roller P, Kvaratskhelia M, Pommier Y. Covalent binding of the natural antimicrobial peptide indolicidin to DNA abasic sites. Nucleic Acids Res. 2006.
30. Vizán JL, Hernández-Chico C, del Castillo I, Moreno F. The peptide antibiotic microcin B17 induces double-strand cleavage of DNA mediated by E. coli DNA gyrase. EMBO J. 1991.
31. Chileveru HR, Lim SA, Chairatana P, Wommack AJ, Chiang IL, Nolan EM. Visualizing attack of Escherichia coli by the antimicrobial peptide human defensin 5. Biochemistry. 2015.
32. Shi G, Kang X, Dong F, Liu Y, Zhu N, Hu Y, Xu H, Lao X, Zheng H. DRAMP 3.0: an enhanced comprehensive data repository of antimicrobial peptides. Nucleic Acids Res. 2022.
33. De Oliveira DMP, Forde BM, Kidd TJ, Harris PNA, Schembri MA, Beatson SA, Paterson DL, Walker MJ. Antimicrobial Resistance in ESKAPE Pathogens. Clin Microbiol Rev. 2020.
34. Zasloff M. Antimicrobial Peptides of Multicellular Organisms: My Perspective. Adv Exp Med Biol. 2019.
35. Agier J, Efenberger M, Brzezińska-Błaszczyk E. Cathelicidin impact on inflammatory cells. Cent Eur J Immunol. 2015.