Разработка новых антибиотиков в век антимикробной резистентности (аннотация)Разработка новых антибиотиков в век антимикробной резистентности (аннотация)
Пандемия КОВИД-19 вновь привлекла внимание к глобальной уязвимости нашего общества перед инфекционными заболеваниями (Brüssow, 2020 г.).
Среди них антимикробная резистентность (AMR) в настоящее время является одной из основных глобальных проблем в области здравоохранения, при этом текущие прогнозы указывают на то, что к 2050 г. она будет ежегодно вызывать 10 млн. смертей, а глобальные расходы составят 100 трлн. долл.
Появление AMR коррелирует со злоупотреблением антибиотиками, и его рост не только ограничивается патогенными микроорганизмами животных и человека, но и затрагивает экономически значимые фитопатогены (Davies и Davies, 2010; Robbins et al., 2017; Sundin and Wang, 2018).
Механизмы AMR, как правило, связаны с:
(i) приобретением генов устойчивости посредством горизонтального переноса генов,
(ii) мутацией клеточных мишеней,
(iii) образованием альтернативных антимикробно-нечувствительных мишеней и
(iv) ферментативной инактивацией антимикробных препаратов (Davies и Davies, 2010; Robbins et al., 2017; Sundin and Wang, 2018).
Следовательно, существует острая необходимость в разработке новых антибиотиков, которые не только демонстрируют низкие темпы развития резистентности, но и обладают новыми механизмами действия, позволяющими избежать перекрестной резистентности с используемыми в настоящее время препаратами.
Фактически, более 70% глобальных проектов в рамках доклинических испытаний новых антибактериальных препаратов сосредоточены на поиске антибиотиков с новыми мишенями воздействия (Theuretzbacher и др., 2020 г.).
Актинобактерии продолжают оставаться основным источником клинически используемых противомикробных препаратов (van Bergeijk и др., 2020), но стратегии секвенирования геномов раскрывают огромный генетический потенциал альтернативных микробных таксонов для открытия новых антибиотиков (Blin и др., 2019; Sharrar и др., 2020).
Примером этого является недавнее исследование в области микробной биотехнологии, где сочетание секвенирования генома и филогенетики основных поликетидных синтазных доменов привело к открытию нехарактерного 35 кб биосинтетического генного кластера (BGC) в грибковом эндофите, выделенном из растения традиционной китайской медицины.
Важно отметить, что последующая масс-спектрометрия высокого разрешения и ЯМР-спектроскопия связали этот BGC с производством нового антикандидозного поликетида - Лиджикинона (Cain et al., 2020).
К сожалению, большинство BGC, участвующих в синтезе природных продуктов, не работают в стандартных лабораторных условиях, и на настоящий момент нет понимания регулирующих механизмов и экологических механизмов, активирующих криптические BGC (van Bergeijk и др., 2020).
В результате, в современном процессе антимикробных открытий, основанных на геномике, для активации экспрессии криптических BGC используются различные экспериментальные подходы.
Например, последние достижения сосредоточены на совместном культивировании микробов, высокопроизводительном скрининге элициторов, стратегиях синтетической биологии, разработке новых микроорганизмов для гетерологической экспрессии или парной метатранскриптомики и метаболомики аборигенных микробных сообществ (Rutledge and Challis, 2015; Matilla et al., 2018; Zhang et al., 2019; van Bergeijk et al., 2020).
В недавнем докладе, опубликованном в журнале "Microbial Biotechnology ", для эффективного обмена естественными промоторами семи криптических поликетидных синтаз/нерибосомальных пептидных синтетаз BGC, присутствующих в геноме антимикробного производителя и бактерии, способствующей росту растений, Paraburkholderia megapolitana DSM 23488 (Zheng et al., 2020), была использована новая рекомбинатная система бактериофагов Redαβ7029. Эта элегантная стратегия редактирования генома привела к успешной активации двух "молчащих" BGC, BGC5 и BGC9. Последующее сочетание масс-спектрометрии высокого разрешения и ЯМР-спектроскопии позволило определить химическую структуру продуктов BGC9, которые получили названия гееромегаполитанина А и В. Эти молекулы относятся к новому классу липопептидов и, основываясь на доменной организации ядра биосинтетических белков, закодированных в BGC9, авторы предложили модель для биосинтеза обоих гееромегаполитанинов. Несмотря на то, что идентифицированные гееромегаполитанины не проявляли антимикробных свойств по отношению к испытываемым бактериям и грибам, реальное влияние исследования заключается в огромном потенциале основанном на Redαβ7029 стратегии экспрессии для эффективного манипулирования штаммами Burkholderiales (Zheng et al., 2020).
Burkholderiales проявляют себя как богатые источники продуктов природного происхождения (Blin и др., 2019). Однако большинство BGC, присутствующих в их геномах еще не расшифрованы (Zheng et al., 2020) и отсутствие эффективных генетических инструментов для манипулирования аборигенными штаммами Burkholderiales в настоящее время мешает идентификации биологически активных природных продуктов, имеющих потенциальное медицинское и сельскохозяйственное значение.
С другой стороны, было показано, что высокопроизводительные скрининги (HTS) химических библиотек представляют собой эффективные подходы к выявлению синергетических комбинаций противомикробных препаратов (т.е. совокупная эффективность двух противомикробных препаратов превышает сумму их индивидуальных эффектов (Wambaugh et al., 2020).
Примечательно, что, учитывая низкие темпы открытия новых противомикробных препаратов в настоящее время, синергетическая комбинированная терапия не только дает возможность оживить использование существующих антибиотиков, но и увеличивает спектр действия лечения, минимизирует токсичность и снижает частоту появления AMR, так как синергетические препараты, как правило, действуют против различных клеточных мишеней (Tyers and Wright, 2019).
Действительно, синергетическая терапия доказала свою эффективность в борьбе с AMR бактериями (Song et al., 2020a). В этом контексте было показано, что гипокреллин хинонов A, B и C сильно ингибирует образование мицелия, формирование биопленки и вирулентность различных видов Candida и штаммов C. albicans (Song et al., 2020b). Важно, что авторы показали, что гипокреллины обладают синергетическим эффектом с антигрибковым нистатином в отношении AMR изолятов C. albicans. Кроме того, было показано, что синергетический эффект гипокреллинов с дополнительными противогрибковыми соединениями (например флуконазолом, амфотерицином В и вориконазолом) также снижает минимальные значения ингибирующей концентрации (МИК) этих антимикробных препаратов в 16 раз. Авторы предполагают, что наблюдаемый синергетический эффект может быть следствием влияния гипокреллинов на формирование биопленки, а также в процессе морфологического изменения C. albicans и ключевых этапов в процессе инфицирования C. albicans (Song et al., 2020b).
Высокопроизводительные скрининги также успешно используются для открытия антимикробных препаратов с новыми механизмами действия (Kitamura et al., 2018).
Так, скрининг библиотеки из 33 000 молекул привел к идентификации SCH-79797 как мощного антибактериального средства против важных грамотрицательных и грамположительных патогенов, включая Acinetobacter baumannii, Staphylococcus aureus, Neisseria gonorrhoeae или Enterococcus faecalis с необнаруживаемым развитием AMR (Мартин и др., 2020 г.).
Примечательно, что эффективность SCH-79797 была продемонстрирована в отношении нескольких AMR изолятов, в то время как невозможность выделения устойчивых к SCH-79797 мутантов препятствовала выяснению механизма действия этого антибактериального препарата. Для преодоления этой трудности в недавно опубликованной в журнале "Cell " статье авторы объединили количественную визуализацию, термальное профилирование протеомов, интерференционную чувствительность CRISPR, метаболомику, энзимологию и количественную проточную цитометрию, чтобы показать, что SCH-79797 нацелен как на целостность мембраны, так и на фолатный метаболизм (Martin и др., 2020).
Последующие исследования показали, что эта молекула, благодаря своей двойной антибактериальной активности, превосходит эффекты некоторых различных комбинаций антибиотиков при лечении AMR бактерий. Проанализирована химическая основа уникального двойного механизма действия SCH-79797, что является ключевым фактором для разработки химических производных с повышенной антибактериальной активностью. Одно из этих производных, Иррезистин-16 (IRS-16), обладал повышенной антибактериальной активностью по сравнению с SCH-79797 и был эффективен для лечения N. gonorrhoeae в модели вагинальной инфекции у мышей с низкой токсичностью для хозяина. Авторы подчеркнули, что объединение нескольких механизмов действия может быть эффективным подходом в лечении инфекций, вызванных патогенными AMR микроорганизмами ( Martin и др., 2020 г.).
Несмотря на то, что AMR представляет собой растущую угрозу, недавние усилия, направленные на обнаружение и разработку новых антимикробных препаратов в государственном и частном секторах, незначительно продвинулись вперед, и за последние два десятилетия было одобрено только 12 новых антибиотиков (или их комбинаций) (Kaufmann et al., 2018).
Однако быстрый прогресс в развитии интегративных платформ, основанных на комбинации геномики, метагеномики, метаболомики и биоинформатики, облегчает анализ тысяч микроорганизмов с целью выявления антимикробного биосинтетического потенциала конкретных таксономических групп и экосистем (Sharrar и др., 2020; van der Hooft и др., 2020).
Кроме того, последние алгоритмические достижения в моделировании нейронных сетей начали оказывать влияние на парадигму открытия новых препаратов (Stokes и др., 2020). Так, глубокое изучение химических библиотек показало, что сочетание предсказаний in silico и эмпирических методологий может привести к открытию антибиотиков с новыми возможностями, эффективными против клинически значимых бактериальных патогенов, в том числе AMR бактерий и персистирующих микроорганизмов ( Stokes и др., 2020).
В целом, будущие исследования в области антимикробных открытий только выиграют от (мета)геномики и метаболомики, а также от современных подходов к машинному обучению. Быстрый прогресс в этих методологиях потенциально повысит вероятность успешного открытия противомикробных препаратов и снизит общие расходы на разработку антибиотиков, которые в настоящее время оцениваются в 200 миллионов долларов США на одну биологически активную молекулу (Ribeiro da Cunha и др., 2019).
Оригинальная статья: https://sfamjournals.onlinelib...
