Отсутствие в последние десятилетия новых клинически одобренных антибиотиков и чрезмерное/неправильное использование известных антибиотиков ускорило развитие лекарственной резистентности у бактерий.
В частности, инфекции, вызванные грамотрицательными бактериями, особенно распространены и трудно поддаются лечению из-за их сложного строения по сравнению с грамположительными бактериями и наличия у них высокоактивных систем эффлюксных насосов, которые препятствуют обогащению антибиотиками бактериальных клеток. Например, P. aeruginosa, один из патогенов ESKAPE, в настоящее время представляет собой серьезную угрозу для ожоговых больных и пациентов с ослабленным иммунитетом. Высокий уровень резистентности P. aeruginosa к известным антибиотикам частично обусловлен проницаемостью их внешней мембраны и экспрессией эффлюксных насосов, которые могут препятствовать накоплению антибиотиков в бактериальных мишенях. Поэтому существует настоятельная необходимость либо в разработке новых типов антибиотиков, либо в повышении эффективности клинически используемых антибиотиков с помощью альтернативных стратегий.
Одной из стратегий повышения антибактериальной активности известных антибиотиков является стратегия "троянского коня", при которой лекарственные препараты могут быть доставлены в бактериальные клетки через пути поглощения питательных веществ, минуя мембранный барьер. В этой стратегии часто используются сидерофоры, которые вырабатываются микроорганизмами для активного поглощения железа (Fe3+) из окружающей среды хозяина.
Конъюгаты сидерофор-препарат, названные сидеромицинами, представляют собой группу антибиотиков, способных проникать в бактериальные клетки через активные транспортные пути. Интересно, что сидеромицины впервые были обнаружены как антибиотики природного происхождения. Например, альбомицины впервые были получены из штаммов Streptomycetes, охарактеризованы Benz et al. в 1982 году и успешно использовались для лечения людей еще в конце 1940-х годов против бактерий, резистентных к пенициллину. Альбомицины состоят из тригидроксаматного феррихромоподобного сидерофора, который может распознаваться и утилизироваться как феррихром через транспортеры TonB. После интернализации тиорибозилпиримидиновое основание в виде серилового ингибитора т-РНК высвобождается путем пептидизации и ингибирует синтез белка.
Так, альбомицины показали в 100 раз более низкие минимальные ингибирующие концентрации, чем антибиотики, проникающие в клетки путем пассивной диффузии, и проявили антимикробную активность in vivo в модели мышиной инфекции. На основе этих природных сидеромицинов были разработаны полу- и полностью синтезированные сидеромицины с различными сидерофорами, вспомогательными веществами и линкерами для борьбы с AMR в качестве антибиотиков узкого или широкого спектра действия.
Несмотря на многочисленные попытки, до сих пор только один сидеромицин, а именно цефидерокол, состоящий из парентерального цефалоспорина цефтазидима и хлоркатехолового звена, имитирующего природные бис-катехоловые компоненты природного сидерофора в третьем положении боковой цепи, был одобрен для медицинского применения в 2019 г. в США для лечения осложненных инфекций мочевыводящих путей. Впоследствии показания к применению были расширены до внутрибольничной бактериальной пневмонии и вентилятор-ассоциированной бактериальной пневмонии. Однако в последнее время сообщается о появлении резистентных к цефидероколу штаммов P. aeruginosa и других грамотрицательных бактерий, что обусловлено различными механизмами, включая мутации сидерофорных рецепторов и усиление экспрессии эффлюксных насосов. Поэтому срочно требуются альтернативные стратегии для продления срока действия этого типа антибиотиков.
Соединения металлов исторически использовались в качестве антимикробных агентов. Благодаря их многоцелевому действию соединения металлов привлекают все большее внимание к решению проблемы антимикробной резистентности и фактически признаются перспективным источником антибиотиков. В частности, было показано, что соединения висмута(III) и галлия(III) могут выступать либо в качестве антимикробных агентов, либо в качестве прерывателей резистентности для борьбы с устойчивостью к антимикробным препаратам. Ранее было установлено, что Bi3+ конкурирует с Fe3+ за его поглощение клетками, а Ga3+, как известно, также имитирует Fe3+ в биологических системах, нарушая функции Fe3+. Таким образом, мы предположили, что одновременная доставка сидеромицинов и металлов, таких как Bi3+/Ga3+, с помощью стратегии "двойного троянского коня" - металлосидеромицинов, может синергетически уничтожать бактерии, а также замедлять развитие резистентности высокого уровня у бактерий.
Для проверки этой стратегии мы выбрали цефидерокол (в дальнейшем называемый CEF) и провели скрининг ряда металлосоединений против различных штаммов бактерий. Мы обнаружили сильную синергию между соединениями Bi3+/Ga3+ и CEF против Pseudomonas, включая клинически выделенные штаммы, резистентные к CEF, и штаммы Burkholderia. Примечательно, что металлосидеромицин обладает относительно высокой резистентностью по сравнению с сидеромицином как таковым, что позволяет продлить срок действия CEF. Важно отметить, что эффективность in vitro комбинации клинически используемого препарата коллоидным цитратом висмута (CBS) и CEF может быть хорошо перенесена в in vivo. Кроме того, мы показали, что наблюдаемые явления, вероятно, обусловлены снижением поглощения Fe3+ вследствие конкуренции с Bi3+ через связывание с CEF и усилением поглощения Bi3+. В данной статье мы обсуждаем роль металлосидеромицинов в борьбе с AMR.
Для повышения эффективности и продления срока действия сидеромицинов мы продемонстрировали сильный синергизм между цефидероколом и металлопрепаратами (например, CBS) против Pseudomonas aeruginosa и Burkholderia cepacia. Кроме того, CBS повышает эффективность цефидерокола против образования биопленок, подавляет развитие резистентности у P. aeruginosa и ресенсибилизирует клинически выделенные резистентные P. aeruginosa к цефидероколу. Примечательно, что совместная терапия CBS и цефидероколом значительно увеличивает выживаемость мышей и снижает бактериальную нагрузку в легких в модели острой пневмонии у мышей. Наблюдаемые явления частично объясняются конкурентным связыванием Bi3+ с цефидероколом по отношению к Fe3+, что приводит к усилению поглощения Bi3+ и снижению уровня Fe3+ в клетках. Полученные нами результаты дают представление об антимикробном потенциале металлосидеромицинов.
