Благодаря новым химическим хитростям старый антибиотик может нанести три смертельных удара по некоторым из самых смертоносных бактерий — и дать эволюции по зубам.
Антибиотик ванкомицин, всегда был серьёзной угрозой одиозным микробам; он использует один хитроумный маневр, который может повредить даже лекарственно-устойчивым противникам и часто используется в качестве последнего средства. Но благодаря трём химическими модификациям, зарегистрированным на этой неделе в PNAS, препарат теперь имеет три новых молекулярных движения, которые позволят лучше справляться с патогенами. Грозные модификации делают ванкомицин по меньшей мере в 25 000 раз более смертоносным. И столкнувшись с таким уровнем угрозы ошеломленные бактерии не имеют шанса развивать сопротивление как показывают лабораторные эксперименты.
Возможно, это и есть реальная цель в войне против лекарственно-устойчивых микробов, замечают авторы новых исследований в Научно-исследовательском институте Скриппса в Ла-Холле, Калифорния.
«Можно ли в качестве альтернативы ограниченному использованию антибиотиков или признанию того, что бактерии всегда будут на шаг впереди нас, разработать надёжные средства?». Возможно, пишут учёные, следует разрабатывать препараты, которые «преодолевают» силы эволюции и отбора, ответственные за устойчивость к бактериям, которые не зависят от общих механизмов сопротивления, и которые будут более долговечны, чем когда-либо прежде».
Это не новая идея, но это, безусловно, очень сложно. Чтобы серьёзно повлиять на эволюцию, команда, возглавляемая химическим биологом Дейлом Богером, провела массу работ по улучшению по ванкомицина. Препарат обладает некоторыми полезными характеристиками для этой задачи.
Ванкомицин может убивать бактерии одного из двух основных типов, которые зависят от клеточных стенок — так называемые грамположительные бактерии, таких как Staph aureus. (Бактерии в основном попадают либо в грамположительные, либо грамотрицательные категории, которые основаны на структурах защитных жёстких стенок, окружающих их клетки. Структура может быть выяснена с использованием окрашивания Грэма, названного в честь бактериолога Ганса Кристиана Грэма. Грамотрицательныой бактерией является E. coli., кишечная палочка)
Нокаутирующий препарат
В отличие от других антибиотиков, которые часто нацеливаются на важные ферменты или клеточный состав, ванкомицин убивает грамположительные бактерии, вставляя так называемый молекулярный кирпич в их аминокислоты D-аланин-D-аланин. Ванкомицин ничего не делает, он просто мешает, так что стена не может защищать эффективно и таким образом разрушается, нарушая структуру бактерий, приводя к гибели клеток. (Грамотрицательные бактерии используют другой метод строительства стенок, поэтому для них этот метод не представляет угрозы).
Время показало, что бактерии плохо развивают устойчивость к подобной атаке — нет простой генетической мутации, чтобы её обойти. За почти 60 лет клинического применения устойчивость к ванкомицину развилась относительно медленно. И сопротивление, которое проявилось, очень сложно: бактерии используют двухкомпонентную сигнальную систему, которая при вторжении ванкомицина заменяет D-аланин-D-аланиновые кирпичики в стенках клеток на D-аланин-D-лактатные. Столкнувшись с этой защитой, ванкомицин в тысячу раз менее смертелен для бактерий.
К счастью для нас, существует простой трюк, чтобы обойти это сопротивление: с помощью химической химическая настройки часть структуры ванкомицина, которая связывается с кирпичом, может стать столь же опасной для D-лактатных бактерий как и для D-аланиновых.
С помощью этой модификации Богер и его команда могут преодолеть устойчивость к ванкомицину. Но это не всё, чего удалось добиться. Они также выяснили, как настроить две другие области структуры ванкомицина. На вершину молекулы они добавили (4-хлорбифенил) метил или CBP, который может сокрушать фермент, называемый трансгликозилазой, участвующий в конструкции клеточной стенки. Затем химики выяснили, что, если бы они добавили соль четвертичного аммония к левой стороне структуры, это могло бы пробить отверстия в мембране клетки, тонкий барьер под защитной стенкой.
 |
| Три модификации структуры ванкомицина (показаны синим цветом) дают новые «механизмы действия» для борьбы с инфекцией. |
Каждый из трех методов может уничтожить бактерии самостоятельно. Но вместе они создают просто убийственный антибиотик. В тестах этот тройной удар продемонстрировал рост гибели в 25 000 — 50 000 раз среди бактерий, устойчивых к ванкомицину. Это также еще больше замедлило способность бактерий развивать резистентность.
Чтобы доказать это, химики ускорили эволюцию. В лабораториях, дабы увеличить резистентность бактерий к антибиотику, все, что нужно сделать — вырастить поколениемикробов на фоне сублетальных доз антибиотика. Богер и его команда сделали это с помощью ванкомицина с тройной угрозой, а также версии препарата, у которого была только одна или две смертельные модификации. Затем они подсчитали, сколько ещё каждого антибиотика потребуется, чтобы убить адаптированные бактерии по сравнению с исходными бактериями.
После 50 циклов роста потребовалось до 128 раз больше ванкомицина с одной модификацией для уничтожения адаптированных бактерий. Но для ванкомицина с тройной угрозой минимальная доза, необходимая для победы, увеличивалась в четыре раза.
«Такие антибиотики, как ожидается, проявят прочную антимикробную активность, не подверженную быстрому клиническому сопротивлению», — заключают авторы.
Но прежде чем это можно будет опробовать в клиниках, исследователи должны будут провести тестирование на животных и клинические испытания для обеспечения безопасности и эффективности. Первые данные показывают, что усиленный ванкомицин безопасен. Химики также работают над упорядочением процесса химической модификации, который в настоящее время требует около 30 шагов.