Ученые Наньянгского технологического университета, Сингапур (NTU Singapore), разработали синтетический пептид, который может сделать мультирезистентные бактерии снова чувствительными к антибиотикам при использовании вместе с традиционными антибиотиками, давая надежду на перспективу комбинированной стратегии лечения для борьбы с определенными инфекциями, устойчивыми к антибиотикам.
Синтетический противомикробный пептид также может убить устойчивые к антибиотикам бактерии.
По данным ВОЗ, ежегодно во всем мире от болезней, устойчивых к антибиотикам, умирают около 700 000 человек. При отсутствии новых терапевтических средств инфекции, вызванные резистентными супербактериями, могут убить еще 10 миллионов человек ежегодно во всем мире к 2050 году, опередив рак.
Ускорение этой угрозы связано с развитием пандемии КОВИД-19, когда пациенты, госпитализированные в больницы, часто получают антибиотики для сдерживания вторичных бактериальных инфекций, что расширяет возможности появления и распространения резистентных патогенных микроорганизмов.
Сингапурские исследователи под руководством доцента Кимберли Клайн и профессора Мэри Чан разработали антимикробный пептид, известный как CSM5-K5, состоящий из единиц хитозана, сахара, обнаруженного в раковинах ракообразных, который имеет структурное сходство с бактериальной клеточной стенкой, и аминокислоты лизина.
Ученые считают, что структурное сходство хитозана с бактериальной клеточной стенкой помогает пептиду взаимодействовать с ней и встраиваться в нее, вызывая дефекты в стенке и мембране, которые в конечном итоге убивают бактерии.
Группа протестировала пептид на биопленках, способных образовываться на таких поверхностях, как живые ткани или медицинские приборы в больницах, и в которые трудно проникают традиционные антибиотики.
Как в заранее подготовленных биопленках в лаборатории, так и в биопленках, сформированных на ранах у мышей, пептид, разработанный NTU, убивает не менее 90 процентов штаммов бактерий в течение четырех-пяти часов.
В отдельных экспериментах, когда CSM5-K5 использовался с антибиотиками, к которым бактерии были резистентны, погибло больше бактерий, чем при использовании только CSM5-K5, что указывает на то, что пептид делал бактерию восприимчивой к антибиотикам. Количество антибиотиков, используемых в этой комбинированной терапии было в более низкой концентрации, чем обычно.
Результаты были опубликованы в научном журнале ACS Infectious Diseases в мае.
Кимберли Клайн говорит: "Наши результаты показывают, что наш противомикробный пептид эффективен как в одиночку, так и в комбинации с обычными антибиотиками для борьбы с мультирезистентными бактериями. Его потенция увеличивается при использовании с антибиотиками, восстанавливая чувствительность бактерий к лекарствам снова". Что еще более важно, мы обнаружили, что бактерии, которые мы протестировали, были слабо или не устойчивы к нашему пептиду, что делает его эффективным и приемлемым дополнением к антибиотикам в качестве жизнеспособной стратегии комбинированной терапии".
Профессор Мэри Чан (Mary Chan), директор Центра антимикробной биоинженерии НТУ, сказала: "Хотя усилия сосредоточены на борьбе с пандемией КОВИД-19, мы также должны помнить, что устойчивость к антибиотикам продолжает оставаться растущей проблемой, когда вторичные бактериальные инфекции, которые развиваются у пациентов, могут усложнить ситуацию, представляя угрозу в медицинских учреждениях". Например, вирусные респираторные инфекции могут позволить бактериям легче попасть в легкие, что приведет к бактериальной пневмонии, которая обычно ассоциируется с COVID-19".
Противомикробные пептиды, которые несут положительный электрический заряд, как правило, работают путем связывания с отрицательно заряженными бактериальными мембранами, нарушая мембрану и вызывая гибель бактерий. Чем больше положительный заряд пептида, тем эффективнее он связывается с бактериями,тем самым убивая их.
Однако токсичность пептида для хозяина также увеличивается в соответствии с положительным зарядом пептида - он повреждает клетки организма хозяина, убивая бактерии. В результате, разработанные на сегодняшний день противомикробные пептиды имели ограниченное применение.
Пептид, разработанный командой НТУ, называемый CSM5-K5, способен агрегировать и образовывать наночастицы при нанесении на биопленки бактерий. Такая агрегация приводит к более концентрированному разрушительному эффекту на клеточной стенке бактерии по сравнению с активностью отдельных цепочек пептидов, что означает высокую антибактериальную активность, но без нанесения ненужного вреда здоровым клеткам.
Для самостоятельного изучения эффективности CSM5-K5 ученые НТУ разработали отдельные биопленки, состоящие из метициллин-устойчивого стафилококка Staphylococcus aureus (MRSA); высоко вирулентного штамма с множественной лекарственной устойчивостью Escherichia coli (MDR E. Coli); и ванкомицин-устойчивого энтерококка Enterococcus faecalis (VRE). MRSA и VRE классифицируются CDC как серьезные угрозы.
В лабораторных экспериментах CSM5-K5 убил более 99 процентов бактерий биопленок после четырех часов применения. В инфицированных ранах мышей он уничтожил более 90% бактерий.
При использовании CSM5-K5 с обычными антибиотиками команда НТУ обнаружила, что комбинированный подход привел к дальнейшему уменьшению количества бактерий как в лабораторных биопленках, так и в инфицированных ранах у мышей по сравнению с тем, когда использовался только CSM5-K5, что указывает на то, что антимикробный пептид делал бактерии чувствительными к препаратам, к которым они в противном случае были бы устойчивы.
Что еще более важно, команда НТУ обнаружила, что три изученных штамма бактерий (MRSA, VRE и MDR E. coli) практически не обладают устойчивостью к CSM5-K5. В то время как MRSA развил низкую устойчивость к CSM5-K5, это одновременно сделало MRSA более чувствительным к антибиотику, к которому он обладает резистентностью.
Профессор Чань сказал: "Одной разработки новых лекарственных средств уже недостаточно для борьбы с трудно поддающимися лечению бактериальными инфекциями, так как бактерии продолжают вырабатывать резистентность к антибиотикам. Важно искать инновационные способы борьбы с трудно поддающимися лечению бактериальными инфекциями, связанными с антибиотикоустойчивостью, такие как борьба с защитными механизмами бактерий". Более эффективным и экономичным методом борьбы с бактериями является комбинированный терапевтический подход, подобный нашему".
