Повышение эффективности антибиотиков
Выявление лекарственных средств, способных сенсибилизировать антибиотикорезистентные бактерии, находящиеся в состоянии споры, к существующим антибиотикам, — потенциально эффективная стратегия для смягчения последствий неудачной антибиотикотерапии, а также предотвращения развития устойчивости к антибиотикам. Однако ни один препарат, нацеленный на персистирующую форму бактерий, не был одобрен FDA. В своей статье в «Science» Шаталин с соавт. указывают на небольшие молекулы, подавляющие устойчивость бактерий посредством блокирования синтеза сероводорода (H2S). Эти соединения повышали чувствительность патогенов к бактерицидным антибиотикам in vitro и на животных моделях (мыши) инфекционных заболеваний.
Бактерии способны выживать при воздействии антибиотиков в стандартных бактерицидных дозировках без формирования устойчивости, закрепленной в геноме, такими способами, как временная остановка роста и замедление своего метаболизма. Персистирующие бактериальные клетки обладают множественной лекарственной устойчивостью и, вероятно, играют решающую роль в антибиотикорезистентности. Один из подходов к борьбе с ними заключается в нарушении неспецифических защитных систем бактерий от различных антибиотиков. Основываясь на этом, Шаталин с соавт. исследовали синтез сероводорода, защищающего бактерий от оксидативного стресса, запускаемого некоторыми антибиотиками.
В первую очередь авторы определили место синтеза бактериального H2S. Основываясь на выводах из своей предыдущей работы, им удалось инактивировать ген, кодирующий бактериальную цистатионин-γ-лиазу (бЦСЭ) у Staphylococcus aureus и Pseudomonas aeruginosa. Инактивация бЦСЭ привела к серьезному дефициту сероводорода и повысила чувствительность S. aureus и P. aeruginosa к низким дозам типичных бактерицидных антибиотиков из разных классов.
Затем авторы попытались определить низкомолекулярные ингибиторы бЦСЭ. Для обнаружения потенциальных сайтов связывания лекарств были исследованы рентгенопозитивные кристаллические структуры цистатионин-γ-лиазы человека (чЦСЭ) и бЦСЭ. Благодаря экспериментам in silico удалось определить возможные сайты связывания аллостерических ингибиторов ЦСЭ, сродство которых к бЦСЭ оказалось больше, чем к чЦСЭ.
Посредством структурного виртуального скрининга порядка 3,2 миллионов коммерчески доступных небольших молекул, три вещества (NL1, NL2 и NL3), обладающие одной химической структурой и содержащие центральную индольную группу, в итоге были избраны как мощные ингибиторы продукции H2S у S. aureus и P. aeruginosa.
Все три соединения повышали чувствительность различных штаммов S. aureus и P. aeruginosa к бактерицидным средствам из нескольких различных классов (в отношении бактериостатиков подобного действия не наблюдалось) в 2–5 раз. В зависимости от комбинаций антибиотиков, конкретных бактериальных штаммов и ингибиторов бЦСЭ, данный показатель возрастал до пятнадцатикратной величины.
Так как NL1 нетоксичен для различных типов клеток человека и не оказывает побочных эффектов на животных (крысы), именно он был выбран для дальнейших исследований in vivo. В случае с моделью стафилококкового сепсиса на мышах сочетание однократной подкожной инъекции NL1 с субактивной дозой гентамицина привело к 50 % выживаемости, тогда как 90 % животных из группы контроля погибли. Комбинация NL1 с гентамицином также в значительной степени снижала бактериальную нагрузку в легочной ткани в модели синегнойной инфекции легких (P. aeruginosa) у мышей. Примечательно, что лечение только NL1 или гентамицином не оказалось эффективным ни в одной из моделей.
Наконец, авторы исследовали влияние инактивации бЦСЭ на персистирующие формы бактерий. В культурах клеток S. aureus и P. aeruginosa со сниженной экспрессией бЦСЭ не наблюдалось снижения степени бактериального киллинга спустя 30 минут от введения антибиотиков. Примечательно, что популяция персистирующих бактерий, лишенных бЦСЭ, оказалась примерно в два раза меньше. Введение NL1 в клетки дикого типа устраняло аналогичный процент персистирующих форм, что предотвращалось введением в культуру донатора H2S.
Кроме того, как генетическая, так и химическая инактивация бЦСЭ ингибировала образование биопленок (способных выдерживать высокие концентрации антибиотиков из-за наличия персистирующих форм) у штаммов P. aeruginosa и S. aureus.
Все эти результаты свидетельствуют о том, что блокирование синтеза H2S бактериями может подавлять антибиотикоустойчивость бактерий и повысить активность существующих антибиотиков (бЦСЭ выступает в качестве потенциальной мишени воздействия). В будущих исследованиях авторы надеются на прогресс в экспериментах с обозначенными соединениями, а также хотят оценить, способны ли эти вещества ингибировать образование биопленок при трудно поддающихся лечению инфекциях.
