logo_synthagen

Nocna Wyprzedaż -25% do końca stycznia tylko w godzinach 19:00-11:00.

Peptydy o właściwościach przeciwdrobnoustrojowych oraz ich analogi powstałe na drodze modyfikacji.

Peptydy o właściwościach przeciwdrobnoustrojowych oraz ich analogi powstałe na drodze modyfikacji.

Streszczenie: Obserwowany wzrost antybiotykooporności jest obecnie jednym z głównych problemów medycyny współczesnej. Nieodpowiednie stosowanie oraz nadużywanie dostępnych preparatów sprawiło, że ich skuteczność uległa znacznemu osłabieniu przez pojawienie się coraz większej liczby opornych drobnoustrojów. Współcześnie prowadzone są badania mające na celu opracowanie skuteczniejszych środków terapeutycznych oddziałujących na patogenne organizmy według mechanizmów obronnych występujących w naturze (peptydy przeciwdrobnoustrojowe) oraz ich możliwych modyfikacji, otrzymując ich analogii.

Słowa kluczowe: peptydy przeciwdrobnoustrojowe; modyfikacje chemiczne; cyklizacja; koniugaty z lekami; lipidacja

Wykaz skrótów: AMP peptydy przeciwdrobnoustrojowe

Pojęcie lekooporności

Lekooporność jest pojęciem odnoszącym się do odporności, jaką posiadają patogeny i pasożyty, na działanie leków. Oznacza to, iż patogeny te mają zdolność do życia i rozmnażania się w obecności leku, który powinien powodować ich niszczenie lub zahamowanie, jednak tak się nie dzieje. Lekooporność możemy podzielić na dwa rodzaje tj. lekooporność wrodzona i nabyta. O ile pierwsza jest cechą typowo dotyczącą mikrobów o tyle odporność nabyta jest wynikiem kontaktu z lekiem, poprzez zmianę swojego materiału DNA, co powoduje powstanie odporności na lek.

Peptydy o właściwościach przeciwdrobnoustrojowych- charakterystyka

Peptydy o właściwościach przeciwdrobnoustrojowych (AMP) są grupą związków zbudowanych z od 10 do 50 reszt aminokwasowych. Wypadkowy ładunek mieszczący się w przedziale od +2 do +9 wynika z obecności reszt L-argininy, L-lizyny lub L-histydyny w łańcuchu peptydowym. Synteza AMP przebiegać może w dwojaki sposób. Pierwszy z nich odbywa się przez rybosomalną translację mRNA zachodzącą we wszystkich organizmach, natomiast drugi poprzez nierybosomalną syntezę peptydów przeprowadzaną głównie przez bakterie. Peptydy zsyntetyzowane na drodzę syntezy nierybosomalnej, do jakich należą antybiotyki na bazie polimyksyn i gramicydyny S, znajdują szerokie zastosowanie w odniesieniu do ich działania przeciwdrobnoustrojowego. Coraz częściej jednak, ze względu na swoje właściwości powodujące stymulację odpornosci wrodzonej, znajdują zastosowanie peptydy będące produktami syntezy rybosomalnej. Peptydy przeciwdrobnoustrojowe wyizolowane zostają z różnych organizmów. (Rys.1)

Peptydy właściwości przeciwdrobnoustrojowe

Rysunek 1. Organizmy, z których wyizolowano peptydy przeciwdrobnoustrojowe (AMP)

 

Defensyny jako AMP zwierzęce

Grupa peptydów przeciwdrobnoustrojowych w większości została wyizolowana z ryb, płazów i ssaków. Największą ilość zaobserwowano w fagocytach, neutrofilach, makrofagach i wydzielinach komórek nabłonkowych. Do związków z największą aktywności biobójczą należą defensyny, ze względu na ich właściwości pozwalające na modulowanie odpowiedzi immunologicznej organizmu gospodarza. Defensyny są amfipatycznymi peptydami przeciwdrobnoustrojowymi będącymi związkami bogatymi w reszty aminokwasów zasadowych oraz L-cysteiny, występującymi w organizmach zwierzęcych i roślinnych. Ich aktywność biobójcza skierowana jest względem szerokiej gamy bakterii Gram-dodatnich, Gram-ujemnych i grzybów. Wyróżniamy trzy klasy defensyn: α-, β- i θ-, które różnią się między sobą topologią mostków disulfidowych (Rys.2)

Peptydy właściwości przeciwdrobnoustrojowe 1

Rysunek 2. Trzy podstawowe klasy występujących defensyn w środowisku

Najbardziej znanymi α-defensynami są: HNP1-4 produkowane głównie w łożysku, szyjce macicy i błonie śluzowej jelit, związki HD5 i HD6 występujące w gruczołach ślinowych, ścianie przewodu pokarmowego, moczowego i śluzówce oka oraz NP5 obecne w komórkach Panetha. β-defensyny stanowią najbardziej zróżnicowaną klasę AMP, poprzez ich najdłuższe kształtowanie w toku ewolucji z powodu ich wykrycia w materiale genetycznym wszystkich dotychczas sklasyfikowanych kręgowców. Do najpóźniej odkrytych należą θ-defensyny, do których zaliczane są peptydy RTD1-3. Defensyny wykazują szerokie spektrum aktywności przeciwdrobnoustrojowej biorąc czynny udział w obronie immunologicznej organizmów, np. ludzka α-defensyna HD5 skutecznie eliminuje zakażenia wywołane przez Salmonella typhimurium i Staphylococcus aureus a RTD-1 wykazuje działanie biobójcze względem Escherichia coli.

Roślinne peptydy AMP

Peptydy przeciwdrobnoustrojowe znajdują się we wszystkich gatunkach roślin. Cechą charakterystyczną AMP roślinnych jest obecność reszt L-cysteiny i kilku mostków disulfidowych, które przyczyniają się do zachowania zwartej struktury zapewniając odporność proteolityczną i chemiczną. Roślinne AMP, do których w szczególności należą tioniny, defensyny i cykloidy zbudowane są z od 45 do 47 reszt aminokwasowych w łańcuchu. Wyróżnia się dwie podgrupy tionin tj. 8c, które posiadają osiem reszt L-cysteiny w sekwencji i tworzących cztery mostki disulfidowe, oraz 6c posiadające takich reszt sześć i odpowiednio trzy wiązania -S-S.

 

Peptydy o właściwościach przeciwdrobnoustrojowych- właściwości

Jako innowacyjną metodę leczenia lekooporności coraz częściej i z większym powodzeniem stosuje się peptydy przeciwdrobnoustrojowe. Wykazują one wysoką aktywność w stosunku do bakterii z grupy gram ujemnych oraz dodatnich, wirusów i grzybów. Dodatkowo, peptydy o właściwościach przeciwdrobnoustrojowych, wykazują zdolność do neutralizacji toksyn bakteryjnych, hamowania reakcji prozapalnych i procesów powstawania biofilmu oraz przyspiesza gojenie ran.

Mechanizm wnikania AMP do komórki

Wnikanie AMP do wnętrza komórek bakteryjnych może przebiegać na drodze zróżnicowanych mechanizmów. W znacznej większości przypadków zachodzi dezintegracja błon komórkowych mikroorganizmów w procesie lizy, poprzez występowanie oddziaływań elektrostatycznych i hydrofobowych, pomiędzy dodatnio naładowanymi fragmentami reszt L-argininy lub L-lizyny, a obszarami błon bakteryjnych obdarzonymi ładunkiem ujemnym. Wyróżnia się trzy główne modele metody przenikania peptydów przeciwdrobnoustrojowych przez zewnętrzne otoczki drobnoustrojów: klepek beczki, dywanowy i toroidalny (Rys.3)

Peptydy właściwości przeciwdrobnoustrojowe 2

Rysunek 3. Schemat mechanizmów dezintegracji błon komórkowych przez AMP: a) model typu klepek beczki b) model dywanowy c) model toroidalny

a) Model klepek beczki opiera się na oddziaływaniu amfipatycznych peptydów o strukturze α-helikalnej z błoną bakteryjną, z utworzeniem kanałów transbłonowych lub porów z hydrofilowymi fragmentami skierowanymi do ich wnętrza. Powoduje to wbudowanie się AMP w szkielet lipidowy membrany w pozycji wertykalnej oraz zakłócenie potencjału transbłonowego i gradientu jonów. W wyniku tych zjawisk zostaje zahamowana synteza ATP oraz wzrasta przepuszczalność błony prowadząc do obrzęku komórek i osmozy;

b) Model dywanowy polega na związaniu peptydu z błoną i utworzeniu na jej powierzchni „dywanu”. Łańcuchy peptydowe układają się na zewnątrz membrany w taki sposób, aby ich regiony hydrofilowe były zwrócone w stronę hydrofilowych fragmentów fosfolipidów, a hydrofobowe w stronę rdzenia błony. W wyniku obecności oddziaływań elektrostatycznych dodatnio naładowane fragmenty łańcucha peptydowego AMP łączą się z fosfolipidami wykazującymi ładunek ujemny, dochodzi do ograniczenia przepuszczalności błony przez strukturę peptydowego dywanu, a następnie membrana ulega zniszczeniu tworząc ostatecznie struktury micelarne;

c) Model toroidalnych porów opiera się na tym, iż AMP agregują na powierzchni dwuwarstwy lipidowej powodując jej zaginanie do wewnątrz. Hydrofilowe regiony łańcucha peptydowego wiążą się z polarnymi głowami lipidów membranowych prowadząc do dezintegracji błony i utworzenia porów o większych rozmiarach niż w modelu klepek beczki.

 

Przykłady chemicznych modyfikacji AMP

Peptydy przeciwdrobnoustrojowe pomimo swoich licznych zalet posiadają również wiele ograniczeń związanych z ich zastosowaniem w konsekwencji czego dochodzi do projektowania syntetycznych analogów zawierających sekwencję kluczową dla działania przeciwdrobnoustrojowego lub bazujących na natywnych AMP. Poniżej przedstawimy przykłady, niektórych z nich:

1. Cyklizacja

Znane są cztery rodzaje cyklizacji łańcucha peptydowego naturalnych AMP: pomiędzy N- i C-końcowym fragmentem łańcucha, N- lub C-końcem łańcucha peptydowego, a grupą funkcyjną zlokalizowaną w łańcuchu bocznym jednego z aminokwasów obecnych w sekwencji oraz w obrębie samych łańcuchów bocznych (Rys.4) Efektem tych procesów jest poprawa stabilności peptydu, co przekłada się na większą odporność na degradację w wyniku działania enzymów proteolitycznych. Analogi AMP powstałe w wyniku modyfikacji jaką jest cyklizacja wykazywały właściwości takie jak: zwiększenie aktywności przeciwdrobnoustrojowej względem szczepów Escherichia coli i Bacillus subtilis, działanie biobójcze względem bakterii gram-dodatnich (różne szczepy Staphylococcus aureusi Enterococcus faecalis, Micrococcus luteus, Bacillus sub-tilis, Bacillus cereus, Corynebacterium bovis) i gram-ujemnych (Escherichia coli, Shigella dysenteriae, Salmonella enteritidis, Proteus vulgaris, Proteus mirabilis, Serratia marcescens, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae) czy wykorzystanie działania tego analogu AMP przy oparzeniach skórnych, pielęgnacji ran pooperacyjnych i zapobieganiu infekcji.

Peptydy właściwości przeciwdrobnoustrojowe 3

Rysunek 4. Przykład modyfikacji AMP jaką jest cyklizacja

 

2.Koniugaty z lekami

Kolejnym typem chemicznej modyfikacji AMP jest kowalencyjne związanie z antybiotykami, co poprawia ich działanie przeciwdrobnoustrojowe oraz zmniejsza terapeutyczną dawkę leku, eliminując tym samym wystąpienie efektów niepożądanych. Analogi AMP powstałe w wyniku modyfikacji jaką są koniugaty z lekami wykazywały właściwości takie jak: zwiększenie aktywności przeciwdrobnoustrojowej względem szczepów Escherichia coli i Bacillus subtilis, działanie biobójcze względem bakterii gram-dodatnich, brak toksyczności dla komórek nabłonkowych oraz ludzkich erytrocytów, działanie biobójcze na szczepy gronkowców oraz wykorzystanie analogu w leczeniu pozaszpitalnego zapalenia płuc, ostrego bakteryjnego zapalenia zatok i odmiedniczkowego zapalenia nerek.

3. Lipidacja

Jedną z ważniejszych modyfikacji potranslacyjnych jest lipidacja, która poza regulowaniem funkcji peptydów i białek, powoduje także zwiększenie ich powinowactwa do błon komórkowych. Zastosowanie zaprojektowanych analogów warunkowane jest przez ilość i rodzaj przyłączonych kwasów tłuszczowych oraz długość łańcuchów węglowych. Włączenie grup lipidowych do łańcuchów peptydowych pozwala m.in. na zmianę rozpuszczalności w wodzie nowo zsyntezowanych związków, ich zdolności do samoorganizacji czy stabilności termicznej. Analogi AMP powstałe w wyniku modyfikacji jaką jest lipidacja wykazywały właściwości takie jak: zwiększenie aktywności przeciwdrobnoustrojowej wobec bakterii gram-dodatnich (Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Bacillus subtilis, Enterococcus Faecalis), gram-ujemnych (Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Proteus vulgaris, Pseudomonas aeruginosa) i grzybów (Candida albicans, Candida tropicalis i Aspergillus brasiliensis).

Podsumowanie

Jednym z istotnych problemów współczesnej medycyny jest częste stosowanie antybiotyków, co skutkuje kształtowaniem nowych, opornych względem nich gatunków mikroorganizmów. Sposobem wyeliminowania narastającego problemu, może być zastosowanie peptydów przeciwdrobnoustrojowych będących elementem układu odporności wrodzonej organizmu. Mianem AMP najczęściej określa się związki obdarzone dodatnim ładunkiem oraz o amfipatycznenej budowie, która odpowiedzialna jest za modulowanie ich właściwości przeciwdrobnoustrojowych wobec szerokiej gamy bakterii, wirusów i grzybów. Wysokie koszty produkcji i ograniczona biodostępność naturalnych AMP wymusiły konieczność poszukiwania nowych związków modelowych, których działanie opiera się na dotychczas poznanych mechanizmach.

 

Bibliografia

1. Veltri D, Kamath U, Shehu A, Deep learning improves antimi-crobial peptide recognition. 2018; Bioinformatics 34: 2740–2747;

2. Manzini MC, Perez KR, Riske KA, Bozelli JC Jr, Santos TL, da Silva MA, Saraiva GK, Politi MJ, Valente AP, Almeida FC, Chaimovich H, Rodrigues, Peptide : lipid ratio and membrane surface charge determine the mechanism of action of the antimicrobial peptide BP100. 2014; Conformational and functional studies. Biochim Biophys Acta 1838: 1985–1999

3. Agrawal P, Raghava GPS, Prediction of antimicrobial potential of a chemically modified peptide from its tertiary structure. 2018, Front Microbiol 9: 2551; doi: 10.3389/fmicb.2018.02551

4. Usmani SS, Bedi G, Samuel JS, Singh S, Kalra S, Kumar P, et al, THPdb: database of FDA-approved peptide and protein therapeu-tics. 2017; doi: 10.1371/journal.pone.0181748

5. Xiao Y, Hughes AL, Ando J, Matsuda Y, Cheng JF, Skinner-Noble D, Zhang, A genome-wide screen identifies a single β-defensin gene cluster in the chicken: implications for the orgin and evolution for mammalian defensins. 2014; BMC Genomics 5: 56; doi: 10.1186/1471-2164-5-56

Wybierz swoją walutę
0
    0
    Twój koszyk
    Twój koszyk jest pustyWróć do sklepu
      Calculate Shipping
      Zastosuj kupon