Китайские, американские и сингапурские исследователи синтезировали вещество с антимикробными свойствами, которое эффективно разрушает ESKAPE-бактерии, резистентные к большинству антибиотиков. Как рассказывают ученые в Nature Communications, полимер с гуанидиновыми функциональными группами разлагается и не токсичен, и не вызывает возникновения резистентности бактерий.
Аббревиатура ESKAPE объединяет названия патогенов, обладающих повышенной устойчивостью к большинству антибиотиков и вызывающих большинство госпитальных инфекций по всему миру. Не так давно среди бактерий началось распространение гена, обеспечивающего их устойчивостью к полимиксинам — «антибиотиками запаса», которые применяют, когда другие уже не работают. Неудивительно, что исследователи ищут другие антимикробные вещества, которые могли бы эффективно бороться с патогенами.
В том числе химики и биологи синтезируют антимикробные пептиды и полимеры. Эти вещества, обладающие положительным зарядом, связываются с отрицательно заряженной бактериальной мембраной и разрушают ее, что приводит к гибели клетки. Несмотря на эффективность и широкий спектр действия, антимикробные пептиды токсичны, к тому же их производство довольно дорого. Большинство описанных антимикробных полимеров не разлагаются, а следовательно могут накапливаться в организме и со временем становиться токсичными. К тому же до сих пор их активность в живых организмах практически не исследовалась.
Поэтому международная команда исследователей под руководством доктора Юи Янь Яна (Yi Yan Yang) из сингапурского Института биоинженерии и нанотехнологий создала биоразлагаемый полимер и проверила его активность и возможную токсичность не только в клеточных культурах, но и на мышах. Ученые синтезировали поликарбонатный полимер с гуанидиновыми функциональными группами. Гуанидин представляет из себя сильное основание; в лабораторных исследованиях его часто используют для денатурации белков.
Структура поликарбоната с гуанидиновыми функциональными группами. Willy Chin et al. / Nature Communications, 2018
Сначала исследователи проверили антимикробную активность полимера на бактериальных культурах и выяснили, что эффективнее всего работают полимеры длиной 20 звеньев. Токсичность вещества проверяли на крысиных эритроцитах и клетках эмбриональных человеческих почек. Полимер оказался нетоксичным для эритроцитов и менее токсичным для человеческих клеток, чем антибиотик полимиксин В, который наряду с высокой эффективностью, очень вреден для почек. Также исследователи показали, что поликарбонат полностью разлагается в течение трех суток и продукты распада нетоксичны.
Авторы протестировали активность полимера на культурах пяти ESKAPE-патогенов, в том числе синегнойной палочки (Pseudomonas aeruginosa) и метициллинрезистентного золотистого стафилококка (Methicillinresistant Staphylococcus aureus, MRSA). Оказалось, что вещество уничтожает бактерии с 99-100 процентной эффективностью.
С помощью флуоресцентной спектроскопии и меченого полимера, трансмиссионной и сканирующей электронной микроскопии исследователям удалось объяснить механизм действия вещества. Для этого они использовали культуру ESKAPE-патогена Acinetobacter baumannii, которые вызывают пневмонию, менингит и целый ряд других инфекций. Молекулы поликарбонатов связывались с бактериальной мембраной и, не разрушая ее, проникали внутрь клетки. Затем гуанидин денатурировал белки цитоплазмы и они выпадали в осадок, убивая клетку.
Механизм действия полимера. Молекула связывается с бактериальной мембраной, проникает внутрь клетки и денатурирует и высаживает в осадок белки цитоплазмы. Agency for Science, Technology and Research (A*STAR), Singapore
Чтобы убедиться в том, что бактерии не вырабатывают устойчивости к поликарбонату, исследователи проводили 30 циклов обработки клеточной культуры Acinetobacter baumannii полимером. Они выращивали культуру и обрабатывали ее полимером в такой концентрации, которая позволяла выжить некоторым бактериям. Затем их опять выращивали и снова обрабатывали поликарбонатом. При этом исследователи смотрели, не увеличивается ли количество вещества, необходимое для почти полного уничтожения патогенов. В качестве контроля ученые использовали антибиотик имипенем. После 30 циклов обработки бактерии так и не выработали устойчивости к полимеру. Для сравнения, резистентность к имипенему A.baumannii выработали за восемь циклов.
В заключение ученые проверили активность и токсичность полимера на мышах. Их заражали ацинетобактером, либо MRSA, патогенным штаммом кишечной палочки (Escherichia coli), или культурой Klebsiella pneumoniae в таких концентрациях, которые без лечения вызывали 100-процентную смертность в течение 48 часов. Затем животным вводили либо полимер, либо антибиотики имипенем или ванкомицин. Оказалось, что доза поликарбоната, необходимая для 50- и 95-процентного выживания инфицированных животных, для трех из четырех патогенов была ниже или сравнима с количеством антибиотиков.
Ранее исследователи предложили лечить госпитальные инфекции природной глиной с канадского озера Кисамит. Она обладает антимикробной активностью, в том числе уничтожает ESKAPE-патогены. Подробнее о госпитальных инфекциях и о том, почему бактерии становятся неуязвимыми для антибиотиков, можно прочитать в нашем материале.
Заглавное изображение: Клетки Acinetobacter baumannii до (слева) и после (справа) обработки поликарбонатом с гуанидиновыми функциональными группами. Полимер денатурирует белки цитоплазмы, убивая бактерию. Agency for Science, Technology and Research (A*STAR), Singapore
