Сам по себе синтетический антимикробный пептид также может убивать бактерии, которые стали устойчивыми к антибиотикам.
По данным Всемирной организации здравоохранения, ежегодно около 700000 человек во всем мире умирают от болезней, устойчивых к антибиотикам.
В отсутствие новых терапевтических средств инфекции, вызванные устойчивыми супербактериями, могут ежегодно к 2050 году убивать дополнительно 10 миллионов человек во всем мире, что превосходит рак. Устойчивость к антибиотикам возникает у бактерий, когда они могут распознать и предотвратить прохождение лекарств, которые в противном случае убили бы их, через их клеточную стенку.
Эта угроза усугубляется развивающейся пандемией COVID-19, когда пациенты, поступающие в больницы, часто получают антибиотики для контроля вторичных бактериальных инфекций, что увеличивает возможность появления и распространения устойчивых патогенов.
Команда NTU Singapore, возглавляемая доцентом Кимберли Клайн и профессором Мэри Чан, разработала противомикробный пептид, известный как CSM5-K5, содержащий повторяющиеся единицы хитозана, сахара, обнаруженного в панцирях ракообразных, который имеет структурное сходство со стенкой бактериальной клетки, и повторяющиеся единицы. аминокислоты лизина.
Ученые считают, что структурное сходство хитозана со стенкой бактериальной клетки помогает пептиду взаимодействовать с ней и внедряться в нее, вызывая дефекты в стенке и мембране, которые в конечном итоге убивают бактерии.
Команда проверила пептид на биопленках, которые представляют собой слизистую оболочку бактерий, которые могут цепляться за поверхности, такие как живые ткани или медицинские устройства в больницах, и через которые традиционные антибиотики трудно проникнуть.
Как в предварительно сформированных биопленках в лаборатории, так и в биопленках, сформированных на ранах у мышей, пептид, разработанный NTU, убил не менее 90 процентов штаммов бактерий за четыре-пять часов.
В отдельных экспериментах, когда CSM5-K5 использовался с антибиотиками, к которым бактерии в остальном устойчивы, было уничтожено больше бактерий по сравнению с тем, когда CSM5-K5 использовался отдельно, что позволяет предположить, что пептид сделал бактерии восприимчивыми к антибиотикам. Количество антибиотиков, используемых в этой комбинированной терапии, также было ниже, чем обычно назначают.
Результаты были опубликованы в научном журнале ACS Infectious Diseases в мае.
Доцент Кимберли Клайн, главный исследователь Сингапурского центра инженерных наук об окружающей среде (SCELSE) в NTU, сказала: «Наши результаты показывают, что наш антимикробный пептид эффективен независимо от того, используется ли он отдельно или в сочетании с обычными антибиотиками для борьбы с бактериями с множественной лекарственной устойчивостью. Его эффективность увеличивается при использовании с антибиотиками, снова восстанавливая чувствительность бактерий к лекарствам.
Что еще более важно, мы обнаружили, что протестированные нами бактерии практически не проявляли устойчивости к нашему пептиду, что делает его эффективным и возможным дополнением к антибиотикам в качестве жизнеспособной стратегии комбинированного лечения, поскольку мир борется с растущей устойчивостью к антибиотикам."
Профессор Мэри Чан, директор Центра антимикробной биоинженерии NTU, сказала: «Хотя усилия сосредоточены на борьбе с пандемией COVID-19, мы также должны помнить, что устойчивость к антибиотикам продолжает оставаться растущей проблемой, когда у пациентов развиваются вторичные бактериальные инфекции. может усложнить ситуацию, создавая угрозу для медицинских учреждений.
Например, вирусные респираторные инфекции могут позволить бактериям легче проникать в легкие, что приводит к бактериальной пневмонии, которая обычно связана с COVID-19."
Как работает противомикробный пептид
Противомикробные пептиды, которые несут положительный электрический заряд, обычно работают, связываясь с отрицательно заряженными бактериальными мембранами, разрушая мембрану и вызывая в конечном итоге гибель бактерий.
Чем более положительно заряжен пептид, тем эффективнее он связывается с бактериями и, таким образом, убивает их.
Однако токсичность пептида для хозяина также увеличивается в соответствии с положительным зарядом пептида – он повреждает клетки организма-хозяина, убивая бактерии. В результате созданные противомикробные пептиды на сегодняшний день имеют ограниченный успех, сказал доцент Клайн, который также является из Школы биологических наук NTU.
Пептид, разработанный командой NTU, названный CSM5-K5, способен объединяться в кластеры с образованием наночастиц при нанесении на биопленки бактерий.
Эта кластеризация приводит к более концентрированному разрушающему воздействию на стенку бактериальной клетки по сравнению с активностью отдельных цепей пептидов, что означает, что она обладает высокой антибактериальной активностью, но не вызывает чрезмерного повреждения здоровых клеток.
Чтобы самостоятельно изучить эффективность CSM5-K5, ученые NTU разработали отдельные биопленки, содержащие метициллин-устойчивый золотистый стафилококк, широко известный как супербактерия MRSA; высоковирулентный штамм Escherichia coli с множественной лекарственной устойчивостью (MDR E. Coli); и устойчивый к ванкомицину Enterococcus faecalis (VRE). MRSA и VRE классифицируются Центрами по контролю и профилактике заболеваний США как серьезные угрозы.
В лабораторных экспериментах CSM5-K5 убил более 99 процентов бактерий биопленки после четырех часов лечения.
В инфицированных ранах мышей антимикробный пептид, разработанный NTU, убил более 90 процентов бактерий.
Когда CSM5-K5 использовался с обычными антибиотиками, команда NTU обнаружила, что комбинированный подход привел к дальнейшему снижению количества бактерий как в лабораторных биопленках, так и в инфицированных ранах у мышей по сравнению с тем, когда использовался только CSM5-K5, что позволяет предположить, что антимикробный пептид сделал бактерии чувствительными к лекарствам, к которым они в противном случае были бы устойчивы.
Что еще более важно, команда NTU обнаружила, что три изученных штамма бактерий (MRSA, VRE и MDR E. coli) практически не развилась устойчивость к CSM5-K5. В то время как MRSA развил низкий уровень устойчивости к CSM5-K5, это сделало MRSA более чувствительным к препарату, к которому он в остальном устойчивым.
Профессор Чан сказал: «Одной разработки новых лекарств уже недостаточно для борьбы с трудноизлечимыми бактериальными инфекциями, поскольку бактерии продолжают развиваться и перехитрить антибиотики. с устойчивостью к антибиотикам и биопленками, такими как борьба с защитными механизмами бактерий.
Более эффективный и экономичный метод борьбы с бактериями – это подход комбинированной терапии, подобный нашему."
Следующим шагом для команды является изучение того, как такой подход комбинированной терапии может быть использован для лечения редких заболеваний или для перевязки ран.
Исследование противомикробного пептида CSM5-K5 финансировалось NTU, Национальным исследовательским фондом, Министерством образования и Министерством здравоохранения.