Многие бактериальные патогены вырабатывают токсины, которые наносят вред клеткам хозяина различными способами, включая проделывание отверстий в клеточных мембранах или повреждение ДНК.
Однако прикладные исследования показывают, что эти, казалось бы, зловещие микробные белки не так уж плохи. Ученые уже используют бактериальные токсины для укрепления здоровья человека - от лечения рака до создания вакцин. Более того, некоторые бактерии производят токсины, которые могут подавлять их собственный рост (или убивать самих себя), что может быть использовано для создания новых противомикробных препаратов против патогенов. В чем мораль? Даже у самых токсичных токсинов есть свои положительные качества.
Борьба с раком с помощью иммунотоксинов
Рак возникает, когда аномальные клетки в одной части тела выходят из-под контроля, бесконтрольно размножаются и потенциально распространяются на другие части тела. Могут ли бактериальные токсины помочь контролировать эти клетки-изгои? В виде иммунотоксинов - могут.
Иммунотоксины состоят из антитела, соединенного с белком токсина растений или бактерий, например, Corynebacterium diphtheriae (дифтерийный токсин) и Pseudomonas aeruginosa (экзотоксин А). И дифтерийный токсин, и экзотоксин А имеют схожие, хорошо изученные механизмы - они изменяют фактор элонгации 2 (eEF-2) млекопитающих, подавляя трансляцию белка, что приводит к гибели клетки. Часть антител иммунотоксинов нацелена на рецептор, высоко экспрессируемый раковыми клетками (конкретный рецептор варьируется в зависимости от иммунотоксина и типа рака). Когда антитело связывает рецептор, токсин проникает в раковую клетку и убивает ее.
Иммунотоксины добились определенных клинических успехов. Первый иммунотоксин, денилейкин дифтитокс (Ontak®), был одобрен в 1999 году Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) для лечения кожной Т-клеточной лимфомы (CTCL), редкой формы неходжкинской лимфомы. Денилейкин дифтитокс состоит из фрагмента цитокина IL-2, который нацелен на рецептор IL-2, высоко экспрессируемый на злокачественных Т-клетках, и связан с компонентами дифтерийного токсина. В конечном итоге препарат был отозван с рынка из-за проблем с производством, что позволило усовершенствовать производство. Недавно компания Citius Pharmaceuticals создала новую версию терапии (I/ONTAK®), которая обладает лучшей чистотой и биоактивностью по сравнению с оригиналом и показывает перспективность для лечения персистирующего или рецидивирующего CTCL.
Другой пример, моксетумомаб пасудотокс (Lumoxiti®), основан на цитотоксической активности экзотоксина А. Он состоит из антитела, нацеленного на CD22, белок, высоко экспрессируемый на злокачественных В-клетках, соединенный с пептидом, полученным из экзотоксина А. Клиническое исследование фазы 3 показало, что из 80 взрослых пациентов с волосатоклеточной лейкемией (HCL, В-клеточный рак) 75% ответили на лечение моксетумомабом пасудотоксом, причем 41% продемонстрировали полный ответ (т.е. отсутствие признаков HCL в костном мозге или крови к концу лечения). С тех пор этот препарат был одобрен FDA для лечения HCL.
Иммунотоксины имеют некоторые недостатки. Например, они воспринимаются иммунной системой организма как "чужеродные", что может привести к выработке нейтрализующих антител, которые снижают их эффективность. Исследователи изучают способы снижения иммуногенности иммунотоксинов, например, путем модификации доменов антител и токсинов и/или применения иммуномодулирующих препаратов в сочетании с терапией на основе токсинов.
Ботулотоксин: косметическое и медицинское чудо
Ботулотоксин (БТ) - это мощный нейротоксин, вырабатываемый бактериальным возбудителем Clostridium botulinum, передающимся с пищей. Хотя существует 7 серотипов БТ (A, B, C1, D, E, F и G), все они действуют путем блокирования высвобождения ацетилхолина, нейромедиатора, из пресинаптических двигательных нейронов, тем самым предотвращая их сокращение. Результат: паралич мышц.
Хотя употребление БТ внутрь может привести к ботулизму, опасному для жизни заболеванию, его паралитические свойства также используются в клинических целях. В этом смысле БТ широко известен благодаря своему косметическому применению; его часто называют Botox®, который является одним из нескольких продуктов, полученных из серотипов БТ A или B. Инъекции БТ для лица используются для разглаживания "морщин нахмуривания", морщин на лбу и "вороньих лапок", а также для других эстетических коррекций лица. Он также был исследован для дерматологических показаний без назначения врача, включая выпадение волос и псориаз. Эти продукты содержат чрезвычайно малое количество очищенного BT - менее 1 грамма очищенного токсина достаточно для производства мирового запаса продуктов Botox® на год.
Помимо косметического применения, БТ-терапия была одобрена для целого ряда медицинских показаний. Способность токсина расслаблять мышцы делает его полезным при состояниях, характеризующихся мышечной гиперактивностью, включая различные формы дистонии (непроизвольные сокращения мышц) и недержание мочи. При введении в ткани экзокринных желез БТ может помочь контролировать гипергидроз (чрезмерное потоотделение) и сиалорею (чрезмерное выделение слюны). Регулярные инъекции (например, каждые 3 месяца) БТ в различные области головы и шеи также могут приглушить боль при мигрени, вероятно, путем блокирования высвобождения соединений (например, нейропептидов и воспалительных пептидов), участвующих в развитии хронической мигрени. Недавние исследования показывают, что инъекции БТ в кожу лица также могут быть эффективны для лечения депрессии.
Токсоидные вакцины
Хотя в некоторых случаях (например, в контексте иммунотоксинотерапии) выработка антител, опосредованная токсинами, нежелательна, ученые воспользовались этой особенностью для создания вакцин против бактериальных патогенов Clostridium tetani (вызывает столбняк) и C. diphtheriae (вызывает дифтерию). Как уже упоминалось, дифтерийный токсин ингибирует синтез белка. C. tetani производит тетаноспазмин, токсин, который препятствует высвобождению тормозящих нейротрансмиттеров из нейронов в центральной нервной системе, что приводит к гиперактивности нейронов и сокращению мышц.
Вакцины против дифтерии и столбняка содержат инактивированные версии токсинов C. diphtheriae и C. tetani (т.е. токсоиды). Токсоиды вместе с антигенами Bordatella pertussis (бактерии, вызывающей коклюш) составляют вакцину DTaP, которую вводят детям, начиная с двухмесячного возраста. Другой вариант вакцины, TdaP, вводится подросткам и взрослым в возрасте 10 лет и старше, а ревакцинация рекомендуется каждые 10 лет. Когда иммунные клетки сталкиваются с токсоидами, они вырабатывают антитела, которые могут распознать и нейтрализовать настоящие токсины во время инфекции.
С этой целью вакцины против дифтерии и столбняка сыграли важную роль в борьбе с этими некогда распространенными заболеваниями. Например, в 1920-х годах в США было 100 000-200 000 случаев дифтерии до широкомасштабной вакцинации. В 2021 году в США был зарегистрирован всего 1 случай дифтерии. Аналогичным образом сократились случаи столбняка.
Бактериальные токсин-антитоксиновые системы: новые антимикробные мишени?
Бактерии производят не только токсины, которые вредят клеткам хозяина, но и свои собственные. Эти токсины являются частью токсин-антитоксиновых (ТА) систем, присутствующих у многих бактерий, причем ТА-системы типа II являются наиболее хорошо изученными (они есть у таких патогенов, как Mycobacterium tuberculosis, Staphylococcus aureus и Neisseria gonorrhoeae). В этих системах внутриклеточные токсины связываются с белковыми антитоксинами, образуя комплекс. При определенных условиях антитоксин разрушается протеазами, высвобождая токсин, который останавливает критические клеточные процессы (например, ингибирует активность ДНК-гиразы, расщепляет РНК и т.д.). Почему? Существует несколько гипотез. Например, системы TA могут быть частью стрессовой реакции, чтобы остановить рост бактерий в стрессовых условиях (например, при недостатке питательных веществ), а затем снова запустить его при улучшении условий.
Независимо от их назначения, ученые изучают, как системы ТА типа II могут служить мишенями для антимикробных препаратов - другими словами, можно ли использовать токсины против бактерий, которые их производят? Было исследовано несколько стратегий, включая создание пептидов, которые нарушают или предотвращают образование белковых комплексов TA, или предотвращают трансляцию антитоксина, тем самым не позволяя антитоксину нейтрализовать токсин. Например, ученые разработали пептиды, ингибирующие трансляцию антитоксина для ТА-систем mazEF и hipBA (которые расщепляют мРНК и предотвращают синтез тРНК, соответственно) в Escherichia coli, что приводит к остановке роста.
Поскольку системы TA повсеместно распространены в бактериальном мире, исследователи также изучают способы специфического воздействия на системы TA патогенов, оставляя при этом безвредные/полезные микробы в организме невредимыми, что позволяет применять препараты узкого спектра действия. Однако большинство исследований относятся к области in vitro и доклинических экспериментов. Необходимо провести дополнительную работу, чтобы понять применимость и осуществимость антимикробных препаратов, нацеленных на ТА.
Бактериальные токсины, конечно, токсичны. Однако исследователи могут модифицировать и стратегически использовать их в полезных целях - токсины могут быть как нашими друзьями, так и врагами. Учитывая это, ученые изучали и будут изучать возможности использования бактериальных токсинов для укрепления здоровья и профилактики заболеваний.
