Péptidos con propiedades antimicrobianas y sus análogos obtenidos mediante modificaciones.

Resumen: El aumento observado de la resistencia a los antibióticos es actualmente uno de los principales problemas de la medicina moderna. El uso inadecuado y el abuso de los preparados disponibles han provocado que su eficacia se haya debilitado considerablemente debido a la aparición de un número cada vez mayor de microorganismos resistentes. Actualmente se están realizando investigaciones para desarrollar agentes terapéuticos más efectivos que actúen sobre organismos patógenos según los mecanismos defensivos presentes en la naturaleza (péptidos antimicrobianos) y sus posibles modificaciones, obteniendo sus análogos.

Palabras clave: péptidos antimicrobianos; modificaciones químicas; ciclización; conjugados con fármacos; lipidación

Lista de abreviaturas: AMP – péptidos antimicrobianos

Concepto de resistencia a los medicamentos

La resistencia a los medicamentos es un concepto que se refiere a la resistencia que poseen los patógenos y parásitos frente a la acción de los fármacos. Esto significa que estos patógenos tienen la capacidad de vivir y reproducirse en presencia del medicamento, que debería causar su destrucción o inhibición, pero no ocurre así. Podemos dividir la resistencia a los medicamentos en dos tipos: resistencia innata y adquirida. Mientras que la primera es una característica típica de los microbios, la resistencia adquirida es el resultado del contacto con el medicamento, mediante un cambio en su material genético (ADN), lo que provoca la aparición de resistencia al fármaco.

Péptidos con propiedades antimicrobianas - características

Los péptidos con propiedades antimicrobianas (AMP) son un grupo de compuestos formados por entre 10 y 50 residuos de aminoácidos. La carga neta, que oscila entre +2 y +9, se debe a la presencia de residuos de L-arginina, L-lisina o L-histidina en la cadena peptídica. La síntesis de los AMP puede realizarse de dos maneras. La primera ocurre mediante la traducción ribosomal del ARNm que tiene lugar en todos los organismos, mientras que la segunda es a través de la síntesis no ribosomal de péptidos, realizada principalmente por bacterias. Los péptidos sintetizados por la vía no ribosomal, como los antibióticos basados en polimixinas y gramicidina S, tienen un amplio uso debido a su acción antimicrobiana. Sin embargo, cada vez más, debido a sus propiedades que estimulan la inmunidad innata, se utilizan péptidos que son productos de la síntesis ribosomal. Los péptidos antimicrobianos se aíslan de diversos organismos.

Defensinas como AMP animales

La mayoría de los péptidos antimicrobianos se han aislado de peces, anfibios y mamíferos. La mayor cantidad se ha observado en fagocitos, neutrófilos, macrófagos y secreciones de células epiteliales. Entre los compuestos con mayor actividad biocida se encuentran las defensinas, debido a sus propiedades que permiten modular la respuesta inmunológica del organismo huésped. Las defensinas son péptidos antimicrobianos anfipáticos, ricos en residuos de aminoácidos básicos y L-cisteína, presentes en organismos animales y vegetales. Su actividad biocida está dirigida contra una amplia gama de bacterias Gram-positivas, Gram-negativas y hongos. Se distinguen tres clases de defensinas: α-, β- y θ-, que difieren en la topología de sus puentes disulfuro.

Las α-defensinas más conocidas son: HNP1-4, producidas principalmente en la placenta, cuello uterino y mucosa intestinal; los compuestos HD5 y HD6, presentes en las glándulas salivales, paredes del tracto digestivo, urinario y mucosa ocular; y NP5, presentes en las células de Paneth. Las β-defensinas constituyen la clase más diversa de AMP, debido a su evolución más prolongada, ya que se han detectado en el material genético de todos los vertebrados clasificados hasta ahora. Las θ-defensinas, descubiertas más recientemente, incluyen los péptidos RTD1-3. Las defensinas muestran un amplio espectro de actividad antimicrobiana y participan activamente en la defensa inmunológica de los organismos; por ejemplo, la α-defensina humana HD5 elimina eficazmente infecciones causadas por Salmonella typhimurium y Staphylococcus aureus, mientras que RTD-1 tiene acción biocida contra Escherichia coli.

Péptidos AMP vegetales

Los péptidos antimicrobianos se encuentran en todas las especies de plantas. Una característica distintiva de los AMP vegetales es la presencia de residuos de L-cisteína y varios puentes disulfuro, que contribuyen a mantener una estructura compacta, proporcionando resistencia proteolítica y química. Los AMP vegetales, entre los que destacan las tioninas, defensinas y cicloides, están formados por entre 45 y 47 residuos de aminoácidos en la cadena. Se distinguen dos subgrupos de tioninas: 8c, que poseen ocho residuos de L-cisteína en la secuencia y forman cuatro puentes disulfuro, y 6c, que tienen seis residuos y tres enlaces -S-S- correspondientes.

Péptidos con propiedades antimicrobianas - propiedades

Como método innovador para tratar la resistencia a los medicamentos, los péptidos antimicrobianos se utilizan cada vez más y con mayor éxito. Presentan alta actividad contra bacterias Gram-negativas y Gram-positivas, virus y hongos. Además, los péptidos con propiedades antimicrobianas tienen la capacidad de neutralizar toxinas bacterianas, inhibir reacciones proinflamatorias y la formación de biofilm, así como acelerar la cicatrización de heridas.

Mecanismo de penetración de los AMP en la célula

La entrada de los AMP en el interior de las células bacterianas puede ocurrir mediante diversos mecanismos. En la mayoría de los casos, se produce la desintegración de las membranas celulares de los microorganismos en un proceso de lisis, a través de interacciones electrostáticas e hidrofóbicas entre los fragmentos cargados positivamente de residuos de L-arginina o L-lisina y las áreas de las membranas bacterianas con carga negativa. Se distinguen tres modelos principales del modo de penetración de los péptidos antimicrobianos a través de las envolturas externas de los microorganismos: modelo de tapones de barril, modelo de alfombra y modelo de poros toroides.

a) El modelo de tapones de barril se basa en la interacción de péptidos anfipáticos con estructura α-helicoidal con la membrana bacteriana, formando canales transmembrana o poros con fragmentos hidrofílicos orientados hacia el interior. Esto provoca la inserción vertical de los AMP en la estructura lipídica de la membrana y altera el potencial transmembrana y el gradiente iónico. Como resultado, se inhibe la síntesis de ATP y aumenta la permeabilidad de la membrana, lo que conduce a la hinchazón celular y a la ósmosis;

b) El modelo de alfombra consiste en la unión del péptido a la membrana y la formación de una "alfombra" en su superficie. Las cadenas peptídicas se disponen en el exterior de la membrana de modo que sus regiones hidrofílicas se orientan hacia los fragmentos hidrofílicos de los fosfolípidos, y las hidrofóbicas hacia el núcleo de la membrana. Debido a las interacciones electrostáticas, los fragmentos cargados positivamente de la cadena peptídica AMP se unen a los fosfolípidos con carga negativa, limitando la permeabilidad de la membrana mediante la estructura de la alfombra peptídica, y posteriormente la membrana se destruye formando estructuras micelares;

c) El modelo de poros toroides se basa en que los AMP se agregan en la superficie de la bicapa lipídica, provocando su curvatura hacia el interior. Las regiones hidrofílicas de la cadena peptídica se unen a las cabezas polares de los lípidos de la membrana, lo que conduce a la desintegración de la membrana y a la formación de poros de mayor tamaño que en el modelo de tapones de barril.

Ejemplos de modificaciones químicas de los AMP

A pesar de sus numerosas ventajas, los péptidos antimicrobianos también presentan muchas limitaciones en su uso, lo que ha llevado al diseño de análogos sintéticos que contienen la secuencia clave para la acción antimicrobiana o que se basan en AMP nativos. A continuación, presentamos algunos ejemplos:

1. Ciclización

Se conocen cuatro tipos de ciclización de la cadena peptídica de los AMP naturales: entre los extremos N y C de la cadena, entre el extremo N o C y un grupo funcional localizado en la cadena lateral de uno de los aminoácidos presentes en la secuencia, y dentro de las propias cadenas laterales (Fig. 4). El resultado de estos procesos es la mejora de la estabilidad del péptido, lo que se traduce en una mayor resistencia a la degradación por enzimas proteolíticas. Los análogos de AMP obtenidos mediante ciclización mostraron propiedades como: aumento de la actividad antimicrobiana frente a cepas de Escherichia coli y Bacillus subtilis, acción biocida contra bacterias Gram-positivas (diferentes cepas de Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis, Micrococcus luteus, Bacillus subtilis, Bacillus cereus, Corynebacterium bovis) y Gram-negativas (Escherichia coli, Shigella dysenteriae, Salmonella enteritidis, Proteus vulgaris, Proteus mirabilis, Serratia marcescens, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae), así como su uso en quemaduras cutáneas, cuidado de heridas postoperatorias y prevención de infecciones.

2. Conjugados con fármacos

Otro tipo de modificación química de los AMP es la unión covalente con antibióticos, lo que mejora su acción antimicrobiana y reduce la dosis terapéutica del medicamento, eliminando así la aparición de efectos secundarios. Los análogos de AMP obtenidos mediante conjugados con fármacos mostraron propiedades como: aumento de la actividad antimicrobiana frente a cepas de Escherichia coli y Bacillus subtilis, acción biocida contra bacterias Gram-positivas, ausencia de toxicidad para células epiteliales y eritrocitos humanos, acción biocida contra cepas de estafilococos y uso del análogo en el tratamiento de neumonía extrahospitalaria, sinusitis bacteriana aguda y pielonefritis.

3. Lipidación

Una de las modificaciones postraduccionales más importantes es la lipidación, que además de regular las funciones de péptidos y proteínas, aumenta su afinidad por las membranas celulares. La aplicación de análogos diseñados depende de la cantidad y tipo de ácidos grasos unidos, así como de la longitud de las cadenas de carbono. La incorporación de grupos lipídicos en las cadenas peptídicas permite, entre otras cosas, modificar la solubilidad en agua de los compuestos recién sintetizados, su capacidad de autoorganización y su estabilidad térmica. Los análogos de AMP obtenidos mediante lipidación mostraron propiedades como: aumento de la actividad antimicrobiana frente a bacterias Gram-positivas (Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Bacillus subtilis, Enterococcus faecalis), Gram-negativas (Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Proteus vulgaris, Pseudomonas aeruginosa) y hongos (Candida albicans, Candida tropicalis y Aspergillus brasiliensis).

Conclusión

Uno de los problemas importantes de la medicina moderna es el uso frecuente de antibióticos, lo que resulta en la formación de nuevas especies de microorganismos resistentes a ellos. Una forma de eliminar este problema creciente puede ser el uso de péptidos antimicrobianos, que forman parte del sistema inmunológico innato del organismo. El término AMP se utiliza comúnmente para referirse a compuestos con carga positiva y estructura anfipática, responsable de modular sus propiedades antimicrobianas frente a una amplia gama de bacterias, virus y hongos. Los altos costos de producción y la biodisponibilidad limitada de los AMP naturales han obligado a buscar nuevos compuestos modelo, cuya acción se basa en los mecanismos conocidos hasta ahora.

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