Peptide mit antimikrobiellen Eigenschaften und ihre durch Modifikation entstandenen Analoga.

Zusammenfassung: Der beobachtete Anstieg der Antibiotikaresistenz ist heute eines der Hauptprobleme der modernen Medizin. Die unsachgemäße Anwendung und der Missbrauch der verfügbaren Präparate haben dazu geführt, dass ihre Wirksamkeit durch das Auftreten einer immer größeren Zahl resistenter Mikroorganismen erheblich geschwächt wurde. Derzeit werden Forschungen durchgeführt, die darauf abzielen, wirksamere therapeutische Mittel zu entwickeln, die auf pathogene Organismen nach den in der Natur vorkommenden Abwehrmechanismen (antimikrobielle Peptide) wirken, sowie deren mögliche Modifikationen, um deren Analoga zu erhalten.

Schlüsselwörter: antimikrobielle Peptide; chemische Modifikationen; Zyklisierung; Konjugate mit Arzneimitteln; Lipidierung

Abkürzungsverzeichnis: AMP – antimikrobielle Peptide

Begriff der Arzneimittelresistenz

Arzneimittelresistenz bezeichnet die Widerstandsfähigkeit, die Krankheitserreger und Parasiten gegenüber der Wirkung von Arzneimitteln besitzen. Das bedeutet, dass diese Erreger in der Lage sind, in Anwesenheit eines Medikaments zu leben und sich zu vermehren, das eigentlich ihre Zerstörung oder Hemmung bewirken sollte, was jedoch nicht geschieht. Man unterscheidet zwei Arten von Arzneimittelresistenz: angeborene und erworbene Resistenz. Während die erste typisch für Mikroben ist, entsteht die erworbene Resistenz durch Kontakt mit dem Medikament, wobei sich das Erbgut (DNA) verändert, was zur Entstehung der Resistenz führt.

Antimikrobielle Peptide – Eigenschaften

Antimikrobielle Peptide (AMP) sind eine Gruppe von Verbindungen, die aus 10 bis 50 Aminosäureresten bestehen. Die resultierende Ladung im Bereich von +2 bis +9 ergibt sich aus dem Vorhandensein von L-Arginin-, L-Lysin- oder L-Histidinresten in der Peptidkette. Die Synthese von AMP kann auf zwei Wegen erfolgen. Der erste erfolgt durch ribosomale Translation von mRNA, die in allen Organismen stattfindet, der zweite durch nicht-ribosomale Peptidsynthese, die hauptsächlich von Bakterien durchgeführt wird. Peptide, die durch nicht-ribosomale Synthese hergestellt werden, wie Antibiotika auf Basis von Polymyxinen und Gramicidin S, finden breite Anwendung aufgrund ihrer antimikrobiellen Wirkung. Aufgrund ihrer Fähigkeit, die angeborene Immunität zu stimulieren, werden jedoch zunehmend Peptide verwendet, die Produkte der ribosomalen Synthese sind. Antimikrobielle Peptide werden aus verschiedenen Organismen isoliert.

Defensine als tierische AMP

Die Gruppe der antimikrobiellen Peptide wurde größtenteils aus Fischen, Amphibien und Säugetieren isoliert. Die größte Menge wurde in Phagozyten, Neutrophilen, Makrophagen und Sekreten von Epithelzellen gefunden. Zu den Verbindungen mit der stärksten abtötenden Aktivität gehören Defensine, aufgrund ihrer Fähigkeit, die Immunantwort des Wirtsorganismus zu modulieren. Defensine sind amphipathische antimikrobielle Peptide, die reich an basischen Aminosäureresten und L-Cystein sind und in tierischen und pflanzlichen Organismen vorkommen. Ihre abtötende Aktivität richtet sich gegen ein breites Spektrum grampositiver, gramnegativer Bakterien und Pilze. Man unterscheidet drei Klassen von Defensinen: α-, β- und θ-Defensine, die sich in der Topologie der Disulfidbrücken unterscheiden.

Die bekanntesten α-Defensine sind: HNP1-4, die hauptsächlich in der Plazenta, dem Gebärmutterhals und der Darmschleimhaut produziert werden, die Verbindungen HD5 und HD6, die in Speicheldrüsen, der Wand des Verdauungs- und Harntrakts sowie der Augenbindehaut vorkommen, sowie NP5, die in Paneth-Zellen vorhanden sind. β-Defensine stellen die vielfältigste AMP-Klasse dar, da sie im Laufe der Evolution am längsten geformt wurden und in allen bisher klassifizierten Wirbeltieren im Erbgut nachgewiesen wurden. Zu den zuletzt entdeckten gehören θ-Defensine, zu denen die Peptide RTD1-3 zählen. Defensine zeigen ein breites Spektrum antimikrobieller Aktivität und sind aktiv an der Immunabwehr beteiligt, z. B. eliminiert die menschliche α-Defensin HD5 wirksam Infektionen durch Salmonella typhimurium und Staphylococcus aureus, während RTD-1 eine abtötende Wirkung gegen Escherichia coli zeigt.

Pflanzliche AMP

Antimikrobielle Peptide kommen in allen Pflanzenarten vor. Charakteristisch für pflanzliche AMP ist das Vorhandensein von L-Cysteinresten und mehreren Disulfidbrücken, die zur Erhaltung der kompakten Struktur beitragen und proteolytische sowie chemische Widerstandsfähigkeit gewährleisten. Zu den pflanzlichen AMP, insbesondere den Thioninen, Defensinen und Cyclotiden, gehören Peptide, die aus 45 bis 47 Aminosäureresten bestehen. Man unterscheidet zwei Untergruppen von Thioninen: 8c, die acht L-Cysteinreste in der Sequenz besitzen und vier Disulfidbrücken bilden, sowie 6c, die sechs solcher Reste und entsprechend drei -S-S-Bindungen aufweisen.

Antimikrobielle Peptide – Eigenschaften

Als innovative Methode zur Behandlung von Arzneimittelresistenzen werden antimikrobielle Peptide zunehmend und mit größerem Erfolg eingesetzt. Sie zeigen eine hohe Aktivität gegenüber gramnegativen und grampositiven Bakterien, Viren und Pilzen. Zusätzlich besitzen antimikrobielle Peptide die Fähigkeit, bakterielle Toxine zu neutralisieren, proinflammatorische Reaktionen und die Bildung von Biofilmen zu hemmen sowie die Wundheilung zu beschleunigen.

Mechanismus des Eindringens von AMP in die Zelle

Das Eindringen von AMP in bakterielle Zellen kann durch verschiedene Mechanismen erfolgen. In den meisten Fällen kommt es zur Desintegration der Zellmembranen der Mikroorganismen durch Lyse, ausgelöst durch elektrostatische und hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den positiv geladenen L-Arginin- oder L-Lysinresten und den negativ geladenen Bereichen der bakteriellen Membranen. Man unterscheidet drei Hauptmodelle des Eindringens antimikrobieller Peptide durch die äußeren Hüllen der Mikroorganismen: das Fäßchenklappen-, Teppich- und toroidale Modell.

a) Das Fäßchenklappenmodell beruht auf der Wechselwirkung amphipathischer Peptide mit α-helikaler Struktur mit der bakteriellen Membran, wobei transmembranale Kanäle oder Poren mit hydrophilen Fragmenten nach innen gebildet werden. Dies führt zur vertikalen Einbettung der AMP in das Lipidskelett der Membran und zur Störung des Transmembranpotenzials sowie des Ionen-Gradienten. Infolge dieser Vorgänge wird die ATP-Synthese gehemmt und die Membranpermeabilität erhöht, was zu Zellschwellung und Osmose führt;

b) Das Teppichmodell besteht darin, dass das Peptid an die Membran bindet und auf deren Oberfläche einen „Teppich“ bildet. Die Peptidketten ordnen sich so an, dass ihre hydrophilen Bereiche zu den hydrophilen Phospholipidfragmenten und die hydrophoben Bereiche zum Membraninneren zeigen. Durch elektrostatische Wechselwirkungen verbinden sich die positiv geladenen Peptidfragmente mit den negativ geladenen Phospholipiden, was die Membranpermeabilität durch die Peptidteppichstruktur einschränkt und schließlich zur Zerstörung der Membran und Bildung von Mizellstrukturen führt;

c) Das Modell der toroidalen Poren beruht darauf, dass AMP sich an der Oberfläche der Lipiddoppelschicht aggregieren und diese nach innen biegen. Die hydrophilen Bereiche der Peptidkette binden an die polaren Köpfe der Membranlipide, was zur Desintegration der Membran und zur Bildung von Poren führt, die größer sind als im Fäßchenklappenmodell.

Beispiele chemischer Modifikationen von AMP

Trotz ihrer zahlreichen Vorteile haben antimikrobielle Peptide auch viele Einschränkungen in ihrer Anwendung, weshalb synthetische Analoga entworfen werden, die die für die antimikrobielle Wirkung entscheidende Sequenz enthalten oder auf nativen AMP basieren. Nachfolgend werden einige Beispiele vorgestellt:

1. Zyklisierung

Es sind vier Arten der Zyklisierung der Peptidkette natürlicher AMP bekannt: zwischen dem N- und C-terminalen Ende der Kette, zwischen dem N- oder C-terminalen Ende der Peptidkette und einer funktionellen Gruppe, die in der Seitenkette einer der Aminosäuren in der Sequenz lokalisiert ist, sowie innerhalb der Seitenketten selbst (Abb. 4). Das Ergebnis dieser Prozesse ist eine verbesserte Stabilität des Peptids, was zu einer höheren Resistenz gegen den Abbau durch proteolytische Enzyme führt. AMP-Analoga, die durch Zyklisierung modifiziert wurden, zeigten Eigenschaften wie: erhöhte antimikrobielle Aktivität gegenüber Stämmen von Escherichia coli und Bacillus subtilis, abtötende Wirkung gegen grampositive Bakterien (verschiedene Stämme von Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis, Micrococcus luteus, Bacillus subtilis, Bacillus cereus, Corynebacterium bovis) und gramnegative (Escherichia coli, Shigella dysenteriae, Salmonella enteritidis, Proteus vulgaris, Proteus mirabilis, Serratia marcescens, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae) sowie Anwendung bei Hautverbrennungen, Wundpflege nach Operationen und Infektionsvorbeugung.

2. Konjugate mit Arzneimitteln

Eine weitere Art der chemischen Modifikation von AMP ist die kovalente Bindung an Antibiotika, was deren antimikrobielle Wirkung verbessert und die therapeutische Dosis des Medikaments verringert, wodurch unerwünschte Nebenwirkungen vermieden werden. AMP-Analoga, die durch Konjugate mit Arzneimitteln modifiziert wurden, zeigten Eigenschaften wie: erhöhte antimikrobielle Aktivität gegenüber Stämmen von Escherichia coli und Bacillus subtilis, abtötende Wirkung gegen grampositive Bakterien, keine Toxizität für Epithelzellen und menschliche Erythrozyten, abtötende Wirkung gegen Staphylokokken-Stämme sowie Anwendung bei der Behandlung von ambulant erworbener Lungenentzündung, akuter bakterieller Nasennebenhöhlenentzündung und Nierenbeckenentzündung.

3. Lipidierung

Eine der wichtigsten posttranslationalen Modifikationen ist die Lipidierung, die neben der Regulierung der Funktionen von Peptiden und Proteinen auch deren Affinität zu Zellmembranen erhöht. Die Anwendung der entworfenen Analoga hängt von der Menge und Art der angehängten Fettsäuren sowie der Länge der Kohlenstoffketten ab. Die Einbindung von Lipidgruppen in die Peptidketten ermöglicht unter anderem die Veränderung der Wasserlöslichkeit der neu synthetisierten Verbindungen, deren Fähigkeit zur Selbstorganisation und thermische Stabilität. AMP-Analoga, die durch Lipidierung modifiziert wurden, zeigten Eigenschaften wie: erhöhte antimikrobielle Aktivität gegenüber grampositiven Bakterien (Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Bacillus subtilis, Enterococcus faecalis), gramnegativen (Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Proteus vulgaris, Pseudomonas aeruginosa) und Pilzen (Candida albicans, Candida tropicalis und Aspergillus brasiliensis).

Zusammenfassung

Ein wesentliches Problem der modernen Medizin ist der häufige Einsatz von Antibiotika, was zur Entstehung neuer, gegen diese resistenter Mikroorganismenarten führt. Eine Möglichkeit, dieses wachsende Problem zu lösen, könnte der Einsatz antimikrobieller Peptide sein, die Teil des angeborenen Immunsystems des Organismus sind. Unter dem Begriff AMP versteht man meist Verbindungen mit positiver Ladung und amphipathischer Struktur, die für die Modulation ihrer antimikrobiellen Eigenschaften gegenüber einem breiten Spektrum von Bakterien, Viren und Pilzen verantwortlich sind. Die hohen Produktionskosten und die begrenzte Bioverfügbarkeit natürlicher AMP zwangen zur Suche nach neuen Modellverbindungen, deren Wirkung auf bisher bekannten Mechanismen beruht.

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