Природные и синтетические пептиды в антимикробной терапии

Полный текст

Введение

За последнее десятилетние отношение к инфекции изменилось. Микроорганизмы, среди которых есть как патогенные, так и непатогенные, никуда не исчезнут из нашей жизни. Организм человека по природе своей имеет множество уровней защиты и факт развития того или иного заболевания, а также степень восприимчивости организма к лекарственным препаратам, зависит от иммунного статуса. С каждым годом все больше становится пациентов с первичным иммунодефицитом, которым требуется особый подход в диагностики и лечении. На сегодняшний день поиск безопасных и эффективных препаратов для лечения хронических заболеваний остается одной из актуальных тем. При изучении врожденного иммунитета ученых заинтересовали белки, обладающие иммуномодулирующими, противомикробными и противовоспалительными свойствами [31]. С 1931 года, когда впервые Dubos R.J. выделил белок, обладающий антимикробным действием против широкого спектра грамположительных бактерий [27], а Boman H.G. c коллегами в 1981 году проанализировали и внесли ясность в принцип действия антимикробного пептида [39], интерес к данной группе не угас. В 2009 году антимикробные пептиды (АМП) впервые были применены в терапии [33]. В обзоре представлены данные об исследованиях как природных, так и синтетических пептидов, касающиеся особенностей их строения и терапевтического эффекта.

Природные антимикробные пептиды: строение, терапевтическое действие

В своей основе антимикробные пептиды содержат положительно заряженные радикалы аминокислот (суммарный заряд которых может быть от +2 до +9), т. е. являются катионными структурными единицами, общее количество аминокислотных остатков колеблется от 12 до 100 [1, 6]. В пептидной цепочке имеются гидрофобные и гидрофильные функциональные группы, разобщенные в пространстве, что обуславливает амфифильность молекул [40]. На сегодняшний день существует множество электронных баз данных о природных и синтетических антимикробных пептидах, такие как Collection of Anti-Microbial Peptides (CAMPR3) [30], Protein Data Bank, The Antimicrobial Peptide Data Base (APD) и другие. Используя электронные каталоги, возможно предсказать биологические свойства АМП по известной первичной структуре молекулы.

АМП можно классифицировать по пространственной структуре белка: α-спиральные (LL-37); β-слои, стабилизированные дисульфидными связями (протегрин-1); содержащие как α-спираль, так и β-складчатые листы (β-дефензин-2 человека), циклические (θ-дефензин-1 макаки-резус), линейные (индолицидин, пирхорицин) [6]. Кроме того АМП можно разделить на рибосомально синтезирующиеся и нерибосомально синтезирующиеся (не требуют наличия мРНК матрицы) [14].

Катионные антимикробные пептиды, которые выделяют из тканей эпителиального происхождения и нейтрофилов, характеризуются широким спектром действия. Они оказывают антигрибковое, антимикробное, антивирусное и антипротозойное действие; стимулируют пролиферацию и миграцию клеток, а также продукцию цитокинов [19]. Ученые выдвинули несколько гипотез механизма действия антимикробных пептидов, такие как модель тороидальных пор, модель молекулярной электропорации, модель ствола и другие. Повышение проницаемости мембран микроорганизмов признается как общепринятый механизм действия катионных антимикробных пептидов, которые обычно обладают мембраносвязывающей активностью. Они разрушают мембранные структуры бактерий или раковых клеток, что приводит к высвобождению содержимого клеток и в конечном итоге приводит к гибели бактерий или раковых клеток [36]. Наиболее известными и хорошо изученными являются три крупных семейства природных антимикробных пептидов: дефензины, кателицидины и гистатины.

Дефензины имеют молекулярную массу от 3,5 до 4,5 кДа, состоят из 30 аминокислотных остатков [6] и подразделяются на три основных семейства – α, β, θ. Различаются по характеру дисульфидных связей (α-дефензины образуют мосты между 1-6, 2-4, 3-5 цистеинами, β-дефензины между 1-5, 2-4, 3-6 цистеинами, θ-дефензины являются циклическими молекулами, в их сигнальной последовательности присутствует стоп-кодон, который препятствует их трансляции), они активны в отношении грамположительных и грамотрицательных бактерий, вирусов и грибов [25, 38, 42]. В условиях in vitro дефензины способны увеличивать адгезию Т-клеток через индукцию IFNγ, IL-10 и IL-6 к эпителиоцитам легочного эпителия [44]. Дефензины, полученные из тромбоцитов человека и животных, обладают цитолитичекой и иммуномодулирующей активностью. Они оказывают влияние на течение воспалительных и фагоцитарных процессов. Также отмечают, что данные соединения обладают низкой токсичностью к собственным клеткам макроорганизма [19].

Кателицидины – катионные анфипатические пептиды по структуре могут быть α-спиральными, β-шпилькообразными, линейными и продуцируются в основном в нейтрофилах, клетках красного костного мозга и эпителиальных клетках [47]. Кателицидины являются хемоатрактантами и обладают антибактериальным, иммуномодулирующим, ранозаживляющим и противоопухолевым действием [25, 35, 42]. Человеческий кателицидин LL-37 усиливает синтез IgG и активность макрофагов [45] и увеличивает эндоцитотическую активность, регулируя экспрессию генов [26]. Помимо своих антимикробных свойств он обладает многочисленными свойствами, модулирующими иммунную систему, которые могут способствовать развитию аутоиммунных заболеваний, таких как псориаз, системная красная волчанка, ревматоидный артрит [32]. Выявили повышение уровня LL-37 в десневой жидкости у пациентов с хроническими пародонтитом при ревматоидном артрите [37]. У больных атопическим дерматитом уровень LL- 37 ниже, чем у детей без аллергических заболеваний. При наличии пищевой аллергии уровень LL-37 в слюне также снижен. Кроме того, на уровень АМП также влияет интенсивность кариеса и наличие гингивита [13].

Гистатины также являются катионными пептидами с высоким содержанием гистидина, присутствуют в секретах слюнных желез, обладают фунгицидным действием [38]. Гистатин проникает внутрь клетки за счет транслокации, где связывает ряд жизненно важных для клеток веществ [46]. Кроме фунгицидной активности, гистатины предупреждают агрегацию бактерий [22].

Синтетические антимикробные пептиды: строение, терапевтическое действие

В 1883 году был проведен первый пептидный синтез, немецким химиком-органиком Теодором Курциусом. В 1901 году другой немецкий химик Герман Эмиль Фишер получил первый свободный пептид глицил-глицин. Химический синтез пептидов позволяет оценить предполагаемую первичную структуру, изучить связь между структурой и активностью. Модификация структуры молекулы для изменения фармакологического действия экономически выгодней и дает модельный пептид для оценки антигенного действия [24]. Наиболее изучаемые на данный момент являются синтетические антимикробные пептиды, большинство из них получено методом комбинаторной химии, с помощью которой можно расширить спектр действия антимикробных пептидов, снизить токсичность к собственным клеткам [9, 23]. На основе синтетических пептидов изготавливают вакцины, антибактериальные препараты, а также средства для профилактики инфекционных заболеваний различной этиологии [10, 17].

В обзорной статье Сергеев О.В., Баринский И.Ф. провели анализ результатов лабораторных испытаний синтетических пептидов в качестве вакцин против различных инфекционных заболеваний. Оказалось, что при экспериментальном заражении многие из них обладают иммуногенными свойствами и способствуют формированию специфических антител и защите от заболеваний, но этот эффект значительно ниже, чем у классических вакцин. Вероятней всего это связано с тем, что короткие синтетические пептиды не имеют необходимой конформационной организации [18].

В 2016 году Мохаммед М.Ф., Абдельхалек А. провели оценку коротких синтетических антимикробных пептидов на лечение лекарственно-устойчивых и внутриклеточных золотистых стафилококков. Объектами исследования стали короткие синтетические пептиды WR12 и D-IK8, а именно их антибактериальная активность в отношении полирезистентных стафилококков, таких как ванкомицин-резистентный S. aureus, линезолид-резистентный S. aureus, метициллин-резистентный S. aureus, метициллин-резистентный S. epidermidis. Оба пептида на модели in vitro значительно активней разрушали биопленки S. aureus и S. epidermidis, в сравнении с традиционными антибактериальными препаратами. Синергическое взаимодействие между пептидами и антибиотиками может быть результатом действия мембранной пермеабилизации пептидов, что приводит к активному проникновению антибиотиков внутрь бактериальных клеток и усилению их киллинга [29]. Это позволит сочетать АМП и антибиотики, при лечении устойчивой инфекции, для доставки лекарственных препаратов в инфицированные или опухолевые клетки.

Умнякова Е.С., Кудрявцев И.В., Грудинина Н.А. с соавторами изучили способность антимикробного пептида аципенсина-1 проникать в опухолевые клетки человека in vitro. В ходе исследования было установлено, что аципенсин-1 может проникать в эукариотические клетки без их повреждения [21]. Аципенсин-1 (Ас1) – относится к группе проникающих в клетки пептидов (Cell Penetrating Peptides – CPP), был выделен из лейкоцитов русского осетра Acipenser gueldenstaedtii, является производным гистона Н2А, имеет молекулярную массу 5336 kDa, включает 51 аминокислотный остаток, в том числе 13 положительно заряженных остатков аргинина и лизина (при отсутствии отрицательно заряженных), а также 10 остатков гидрофобных аминокислот (валина, лейцина, тирозина, фенилаланина) [43].

Иммуномодулирующий пептид глутоксим (NOV-002) – это трипептидное производное окисленного глутатиона. Глутоксим в настоящее время назначается в России как дополнительный препарат к традиционным методам лечения у пациентов с легочным и диссеминированным течением инфекции, вызванной Mycobacterium tuberculosis. В добавок к стандартной противотуберкулезной терапии глутоксим позволяет уменьшить время, необходимое для элиминации бактерий, положительно влияет на время разрешения легочного инфильтрата. По данному препарату были проведены доклинические исследования на нейтрофилах человека и цельной крови, в ходе которых был изучен иммуномодулирующий механизм действия. В настоящее время глутоксим находится на III фазе клинических исследований в США как адъювантный препарат при химиотерапии немелкоклеточного рака легких. Первые результаты представляются многообещающими и говорят о снижении миелосупрессии и модулировании подгрупп лимфоцитов после химиотерапии, что позволяет предположить, что глутоксим может играть роль и иммуномодулятора при лечении онкологических заболеваний [28].

Даптомицин является одним из циклических липопептидов, обладает выраженным бактерицидным действием в отношении широкого спектра грамположительных возбудителей (MRSA, S. aureus с промежуточной чувствительностью к ванкомицину, ванкомицинорезистентный S. aureus и ванкомицинорезистентные энтерококки). В клинических испытаниях даптомицин демонстрировал высокую активностью в отношении бактерий как в стадии роста, так и в стационарной фазе. Возможность возникновения устойчивости к этому пептиду среди бактерий достаточно низкая, это связано с уникальным механизмом действия препарата. Даптомицин применялся в клинической практике в США с 2003 г., и в настоящее время одобрен для лечения осложнённых инфекций кожи и мягких тканей [41].

Синтезированный пептид ZP2 активного центра Гранулоцитарно-макрофагального колониестимулирующего фактора (ГМ-КСФ), помимо основного эффекта, стимуляция костномозгового кроветворения, обладает иммуномодулирующей, антибактериальной и репарационной активностью [8]. Последние исследования подтвердили его выраженное противовирусное действие за счет блокировки размножения ДНК- и РНК-содержащих вирусов [3]. На основе пептида ZP2 было создано косметические средство в форме спрея, которое показало выраженный терапевтический эффект при лечении хронического генерализованного парадонтита по сравнению с традиционной антибиотикотерапией [15, 16]. Несмотря на то, что на сегодняшний день данный препарат имеет статус косметического средства, была доказана его антибактериальная активность в отношении грамотрицательных бактерий K. pneumoniae, P. aeruginosa и A. baumannii [4, 34]. Коллективом авторов проведена оценка эффективности комплексной этиопатогенетической терапии инфекции, вызванной вирусом Эпштейна–Барр, с использованием косметического средства на основе ZP2-ГМ-КСФ. Пациенты получали комплексную терапию (циклы терапии составляли – валацикловир («Валтрекс») в дозе 500 мкг 2 раза в день в течение 10 дней, глюкозаминилмурамилдипептид («Ликопид») в дозе 10 мг 2 раза в день в течение 10 дней – перорально, пептид активного центра гранулоцитарно-макрофагального колониестимулирующего фактора (в форме спрея) 3 раза в день орошение слизистых в течение 10 дней – местно. Затем методом ПЦР определили эффективность разработанной схемы лечения и у 78,6% хронических больных показало полную элиминацию вируса Эпштейна–Барр из основного эпитопа [7].

Тимические иммунорегуляторные пептиды – бестим, гепон, тимоген и имунофан (аналоги гормонов тимуса), имиквимод (производное имидазола). Пептиды тимического происхождения являются индукторами выработки эндогенного интерферона, преимущественно α- и β-фракций. «Цитовир-3» – комплексный препарат, включающий в свой состав тимоген, в экспериментах на мышах показал повышение уровня противовирусной резистентности. Также введение тимогена стимулирует дифференцировку Т-лимфоцитов, опосредующих гиперчувствительность замедленного типа. При введении данного пептида крысам наблюдается торможение развития злокачественной опухоли (аденокарциномы молочной железы). Кроме того, показана его противовоспалительная активность [5].

Имунофан является синтетическим производным гормона тимопоэтина. Он активирует пролиферацию и дифференцировку Т-клеток благодаря усилению продукции IL-2 лимфоцитами. Также наблюдается иммуномодулирующий эффект на синтез фактора некроза опухоли-α (TNFα) макрофагами. Таким образом, происходит повышение пониженного и понижение повышенного образования [20]. Данный пептид применяют в лечении хронических респираторных инфекций. Исследование проводили на 28 больных. Назначали по 1 мл 0,005%-ного раствора внутримышечно по 10 инъекций на курс. Эффект действия препарата наблюдался в исчезновении гнойной мокроты и улучшении самочувствия. После прохождения курса лечения у 70% больных увеличилась продукция интерверона-а и митогенстимулированная продукция интерферона-γ. Кроме того, препарат показывает высокую противовоспалительную активность (быстрая нормализация симптомов респираторных оппортунистических инфекций) [11]. Благодаря выраженной клинической эффективности при бактериальных и вирусных инфекциях, имунофан применяют в лечении послеоперационных осложнений, что позволяет сократить летальность [20].

Действие препаратов, в состав которых включен бестим, более эффективно для лечения вторичных иммунодефицитов, развивающихся, например, у больных с хирургической инфекцией и онкологических больных. Под влиянием препарата наблюдается усиление продукции интерлейкина-2 лимфоцитами и увеличение содержания CD3 и CD4-лимфоцитов. Кроме того, отмечается, что данный препарат не токсичен при превышении терапевтической дозы [12].

Гепон – синтетический тетрадекапептид, обладает противовирусной активностью, противовоспалительными свойствами и способностью к активации местного иммунитета, а также способствует повышению устойчивости слизистой оболочки к инфекциям. Используют данный пептид в лечении вирусных гепатитов, респираторных инфекций, оппортунистических инфекций, синдроме крупа и инфекций передающихся половым путем. Кроме того, гепон способен подавлять в клетках человека in vitro репликацию вируса гепатита С. Проведенные исследования по лечению рецидивов генитального герпеса показали (участвовали 71 человек), что монотерапия гепоном позволяет снизить интенсивность симптоматики и в короткие сроки купировать клинические проявления герпетической инфекции у 94,37% пациентов [2].

Заключение

На сегодняшний день пептиды уже заняли свое место среди лекарственных средств, применяемых для лечения широкого спектра заболеваний. Они позволяют уменьшить число осложнений и рецидивов, улучшить результаты лечения. Препараты показывают выраженное действие на течение инфекционного процесса. Большое число заболеваний сопровождаются нарушением гуморального и клеточного звеньев иммунитета. Именно поэтому изучение иммуностимулирующих свойств пептидов особенно интересно. Однако весь потенциал все еще остается не раскрытым. Проведение новых исследований и испытаний позволит включить пептиды в лечение еще большего количества заболеваний.

Об авторах

Карина Алексеевна Хлыстова

ФГБУН «Институт иммунологии и физиологии» Уральского отделения Российской академии наук

Email: krn2003@bk.ru

аспирант ФГБУН «Институт иммунологии и физиологии» Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург, Россия

Россия, г. Екатеринбург

Нарине Гришаевна Саркисян

ФГБУН «Институт иммунологии и физиологии» Уральского отделения Российской академии наук; ФГБОУ ВО «Уральский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения РФ

Email: narine_25@mail.ru

д.м.н., профессор отдела аспирантуры ФГБУН «Институт иммунологии и физиологии» Уральского отделения Российской академии наук; доцент кафедры терапевтической стоматологии и пропедевтики стоматологических заболеваний ФГБОУ ВО «Уральский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения РФ, г. Екатеринбург, Россия

Россия, г. Екатеринбург; г. Екатеринбург

Наталья Николаевна Катаева

ФГБОУ ВО «Уральский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения РФ

Автор, ответственный за переписку.
Email: kataeva.nn@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2847-8810

к.х.н., доцент кафедры общей химии ФГБОУ ВО «Уральский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения РФ, г. Екатеринбург, Россия

Россия, г. Екатеринбург

Список литературы

Дополнительные файлы