Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско борются с устойчивостью к антибиотикам, используя другой подход: модифицируют существующие молекулы антибиотиков, чтобы избежать механизмов устойчивости бактерий. Разработав набор молекулярных деталей LEGO, которые можно изменять и соединять вместе, чтобы образовать более крупные молекулы, исследователи создали то, что, как они надеются, является первым из многих «перестроек» лекарств, которые были отложены из-за устойчивости к антибиотикам. Исследование было опубликовано 23 сентября 2020 года в журнале Nature.
«Цель состоит в том, чтобы возродить классы лекарств, которые не смогли полностью раскрыть свой потенциал, особенно те, которые уже доказали свою безопасность для людей», – сказал Ян Сипл, доктор философии, доцент кафедры фармацевтики фармацевтической школы UCSF. Институт химии и сердечно-сосудистых исследований (CVRI) и ведущий автор статьи. "Если мы сможем это сделать, это избавит от необходимости постоянно придумывать новые классы лекарств, которые могут превзойти резистентные бактерии. Переработка существующих лекарств может стать жизненно важным инструментом в этих усилиях."
В работе, описанной в новой статье Nature, Сипл и его соавтор Джеймс Фрейзер, доктор философии.D. профессор кафедры биоинженерии и терапевтических наук фармацевтической школы фармацевтической школы UCSF продемонстрировал этот подход с помощью класса антибиотиков, называемых стрептограминами.
До недавнего времени стрептограмины были очень эффективны против S. aureus, пока бактерии не выработали умный механизм устойчивости.
Стрептограмины уничтожают бактерии, склеивая компоненты бактериальной рибосомы, делая невозможным производство белков бактериями.
Но бактерии, устойчивые к стрептограминам, производят белки, называемые ацетилтрансферазами виргиниамицина (Vats), которые распознают эти антибиотики, когда они попадают в бактериальную клетку. Чаны захватывают лекарство и химически дезактивируют его, прежде чем он сможет связываться с рибосомой, что делает его бесполезным.
Стрептограмины, как и большинство других антибиотиков, получают из природных соединений антибиотиков, вырабатываемых другими организмами (обычно бактериями), которые затем настраиваются для оптимизации их действия в организме человека. Сипл полагал, что должен быть способ внести в молекулу лекарства дальнейшие изменения, которые позволили бы ей избежать захвата белками Vat.
Seiple намеревался создать новые стрептограмины с нуля, вместо того, чтобы изменять существующие структуры. Чтобы упростить процесс создания, Ци Ли, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Зейпла и соавтор статьи, создал семь молекулярных модулей, которые можно настраивать по мере необходимости для создания набора вариаций молекулы стрептограмина.
«Эта система позволяет нам манипулировать строительными блоками способами, которые были бы невозможны в природе», – сказал Сипл. "Это дает нам эффективный способ реинжиниринга этих молекул с нуля, и у нас есть гораздо больше свободы для творчества в том, как мы модифицируем структуры."
Когда у Сипла и Ли были свои строительные блоки, следующим шагом было получить представление о химии на молекулярном уровне, чтобы лучше понять, как модифицировать и собирать воедино эти молекулярные LEGO.
Для этого Сипл объединился с Фрейзером, который специализируется на создании визуальных моделей биологических молекул.
«Вклад моей лаборатории состоял в том, чтобы сказать: ‘Теперь, когда у вас есть семь частей, какую из них мы должны изменить и каким образом?” – сказал Фрейзер, чья работа над проектом была поддержана первой премией Sanghvi-Agarwal Innovation Award.
Чтобы получить ответы на этот вопрос, Дженна Пеллегрино, аспирантка Fraser Group и соавтор статьи, использовала два взаимодополняющих метода, криоэлектронную микроскопию и рентгеновскую кристаллографию, чтобы создать трехмерные изображения препарата. при почти атомном разрешении, а также его мишенью является бактериальная рибосома и его заклятый враг – белок Vat.
Используя модели, Ли, Пеллегрино, Сипл и Фрейзер смогли увидеть, какие части молекулы стрептограмина важны для функции антибиотика. Затем Ли был свободен возиться с несущественными областями препарата, чтобы найти модификации, которые не позволяли Чанам взаимодействовать с лекарством, но при этом позволяли ему связываться со своими рибосомными мишенями и выводить из строя бактерии.
Команда обнаружила, что два из семи строительных блоков, похоже, предлагают потенциально интересные сайты для модификации.
Они сделали вариации препарата, которые содержали изменения в этих регионах, и обнаружили, что эти вариации проявляли активность в десятках штаммов патогенных бактерий. Исследователи также протестировали своего наиболее многообещающего кандидата против стрептограмин-резистентного S. aureus у инфицированных мышей, и было обнаружено, что он был более чем в 10 раз более эффективным, чем другие антибиотики стрептограмина.
Зипл отмечает, что знания, полученные в ходе этих совместных экспериментов, можно применить для модификации многих других антибиотиков.
«Мы узнали о механизмах, которые другие классы антибиотиков используют для связывания с той же мишенью», – сказал он. «Кроме того, мы разработали рабочий процесс использования химии для преодоления устойчивости к антибиотикам, которые еще не достигли своего потенциала."
Seiple продолжит доработку этих синтетических стрептограминов, а затем надеется перенести эту работу в частный сектор, где модернизированные антибиотики могут быть доработаны и испытаны в испытаниях на людях. Он и Фрейзер планируют продолжить совместную работу по возрождению других антибиотиков, которые были отложены из-за устойчивости микробов, и доработать набор инструментов, которые могут помочь исследователям оставаться на шаг впереди эволюции бактерий.
"Это бесконечная гонка вооружений с бактериями", – сказал Фрейзер. "Но, изучая задействованные структуры – до того, как возникнет сопротивление – мы можем получить представление о том, какими будут потенциальные механизмы сопротивления. Это понимание станет руководством по созданию антибиотиков, против которых бактерии не могут устоять."