Около десяти лет назад ученые из лаборатории профессора химии Университета Санта-Барбары Гильермо Базана начали замечать повторяющуюся проблему в своих исследованиях.
Некоторые из соединений, которые они разрабатывали для получения энергии из бактерий, вместо этого убивали микробы. Это было не очень эффективно, если целью проекта было использование метаболизма живых бактерий для производства электричества. "Нам нужно было, чтобы бактерии были живыми", - рассказывает сотрудник лаборатории Базана Алекс Мореланд. "Пока мы разрабатывали новые молекулы для этих целей, мы обнаружили, что некоторые из них не работают, потому что убивают бактерии".
Однако вместо того, чтобы отмахнуться от этого как от довольно раздражающего лабораторного курьеза, в ходе последующих исследований ученые исследовали очевидные антимикробные свойства этих соединений, названных сопряженными олигоэлектролитами (СОЭ). Теперь у них есть основания для создания нового класса антибиотиков, которые не только демонстрируют перспективность в борьбе с широким спектром бактериальных инфекций, но и способны противостоять резистентности, которая делает неэффективным нынешнее поколение антибиотиков первой линии. "Мы поняли, что молекулярные структуры, над которыми мы работали в течение длительного времени, при правильном проектировании могут дать новый класс антибиотиков, что редко встречается и имеет огромное значение для современной медицины", - говорит Базан.
СОЭ, по-видимому, поражают множество целей, "ремоделируя" бактериальные мембраны, демонстрирует международная группа исследователей в журнале Science Translational Medicine. Авторы использовали разработанные соединения против особенно трудно поддающегося лечению микроба, Mycobacterium abscessus (Mab), инфекции которого распространены среди пациентов с основными заболеваниями легких, такими как муковисцидоз. Mab не только обладают необычайно толстой и непроницаемой клеточной оболочкой, которая не пропускает антибиотики, но и способны прятаться внутри фагоцитов.
В случае с Mab фагоциты неэффективно убивают бактерии и могут непреднамеренно укрывать их от антибиотиков. Существующие методы лечения часто оказываются безуспешными, несмотря на длительный прием трех-четырех комбинаций антибиотиков в течение 12-18 месяцев - более половины пациентов не излечиваются, а более 70% пациентов страдают от заметных побочных эффектов. Препарат на основе СОЭ в данном исследовании оказался эффективнее амикацина и имипенема в уничтожении Mab как в экспериментах in vitro, так и in vivo.
Исследователи связывают эту эффективность с тем, что соединение нацелено на физическую и функциональную целостность клеточной стенки бактерии. "Если разрушить мембрану, клетка разорвется, что, конечно, приведет к гибели бактерии, но это, как правило, не является селективным механизмом", - объясняет соавтор статьи Кайси Чжан. "Однако в мембране происходит множество важных функций, которые могут быть прерваны более тонким воздействием на мембрану. Наша гипотеза заключается в том, что наши соединения, вызывая ремоделирование мембраны, ингибируют одновременно несколько важнейших функций". Она добавила, что такое разрушение оказывает множественное воздействие на бактерии, в результате чего им в 10-1000 раз сложнее выработать резистентность по сравнению с обычными антибиотиками.
Уникальный механизм действия СОЭ также играет важную роль в другом аспекте резистентности к антибиотикам - создании биопленки. В журнале Journal of Medicinal Chemistry группа под руководством Джаккарина Лимвонгюта продемонстрировала эффективность другого соединения СОЭ против Pseudomonas aeruginosa - биопленкообразующей лекарственно-устойчивой бактерии.
"Некоторые антибиотики не могут проникнуть в биопленку, но когда бактерии образуют биопленку, их метаболизм меняется, поскольку они имеют меньше доступа к питательным веществам", - говорит Лимвонгют, объясняя, что замедленный метаболизм может сделать действие антибиотика более терпимым для патогенов и, следовательно, менее эффективным. "Рецидивирующие и повторяющиеся инфекции, будь то ИМП, пневмония, эндокардит или язвенная болезнь диабетической стопы, часто связаны с биопленками", - отметил он. Авторы доказали, что их соединение СОЭ способно убивать бактерии в уже сформировавшихся биопленках и одновременно препятствовать их образованию. Это редкая комбинация двух ударных компонентов.
"Есть несколько антибиотиков, которые действительно обладают антибиопленочной активностью, но они либо не используются системно, либо используются, но не всегда", - говорит Мореланд, ссылаясь на высокую токсичность некоторых антибиотиков. Например, полимиксины в местной форме эффективны против биопленок, но токсичны для почек в дозах, используемых системно (внутривенное введение). Полимиксины накапливаются в почках пациентов, вызывая повреждение клеток и тканей, а в тяжелых случаях приводя к трансплантации почек.
В лаборатории Базана, напротив, разработали СОЭ, обладающие высокой избирательностью в отношении бактерий. В статье в журнале Chemical Communications Мореланд и его коллеги исследовали, как структурные особенности этих молекул могут определять их сродство к бактериальным мембранам и антибиотическую активность без "детергентных" эффектов. Действие детергентов основано на неизбирательном разрушении клеточных мембран.
"Клетки кожи хорошо переносят мыло и детергенты, но другие клетки организма, особенно эритроциты, очень чувствительны", - говорит он, поэтому такие соединения используются только наружно или для обеззараживания поверхностей, а не в качестве терапевтических средств. Как выяснилось, проницаемость мембран и действие антибиотиков не связаны между собой, что позволяет предположить новый механизм действия СОЭ, и, что очень важно, механизм, который может быть весьма избирательным для бактериальных мембран, а не для мембран млекопитающих. Фактически, молекулы в эксперименте Mab смогли проникнуть внутрь фагоцитов и убить бактерии, не повредив клетки млекопитающих.
"Мы еще не знаем точных механизмов, но мы можем точно показать, что СОЭ убивают бактерии и не убивают клетки млекопитающих", - считает Мореланд. Он добавил: "Это не обязательно было так с исходными молекулами, которые мы открыли в самом начале, но с помощью большого количества химии и таких методов, как машинное обучение, мы смогли определить, какие молекулярные структуры обеспечивают баланс между эффективностью против бактерий и безопасностью для млекопитающих". В различных моделях инфекций мыши также легко переносили лечение при помощи СОЭ.
Исследовательская группа Базана еще только начинает изучать механизмы действия, искать дополнительные новые свойства, разрабатывать и совершенствовать свои молекулы. В идеале антибиотики на основе СОЭ должны когда-нибудь стать безопасными и эффективными средствами лечения, действующими даже на самые стойкие бактериальные инфекции. Тем не менее, путь к клиническим испытаниям предстоит долгий, хотя к этому проекту проявляют интерес и оказывают поддержку различные институты и исследовательские коллаборации по всему миру.
"Пока все идет хорошо. В экспериментах, которые мы проводили до сих пор, СОЭ работали отлично", - говорит Мореланд, добавляя, что молекулы, участвующие в исследованиях, нуждаются в дальнейшей доработке, прежде чем переходить к клиническим испытаниям. "Очевидно, что потребуется много доработок, но мы готовы к этому".
