CC BY
119
УДК 576.8
Сипайлова О.Ю., Нестеров Д.В.
Институт биоэлементологии Оренбургского государственного университета Е-mail: [email protected]
АНТИМИКРОБНЫЕ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ПЕПТИДЫ: ФАКТОРЫ НЕСПЕЦИФИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ОРГАНИЗМА ЖИВОТНЫХ
В работе представлен литературный обзор, посвященный наличию в крови животных и человека пептидов, обладающих широким антимикробным спектром действия в отношении грампо-ложительных, грамотрицательных бактерий и грибов, оказывающих влияние на персистентные характеристики микроорганизмов, что делает их привлекательными для создания новых антимикробных препаратов.
Ключевые слова: катионные антимикробные пептиды, тромбодефенсины, бактерии, перси-стенция, биопленки.
Антимикробные пептиды и белки, синтезируемые организмами различного уровня организации (от губок до человека), являются неотъемлемыми молекулярными компонентами системы врождённого иммунитета организма, без которого невозможно выживание в среде, изобилующей потенциально патогенными микроорганизмами [9].
В настоящее время описано более 900 индивидуальных антимикробных пептидов и белков, принадлежащих к разным гомологическим семействам [10], [37]. Катионные антимикробные пептиды (КАМП), выделяемые из нейтрофилов и тканей эпителиального происхождения - де-фенсины, протегрины, кателицидины и т. д., обладают широким спектром действия, оказывая антимикробное, антивирусное, антипротозойное и антигрибковое действия [23], [27]. Установлено, что КАМП стимулируют продукцию цито-кинов, миграцию и пролиферацию клеток [35], [38], модулируют гуморальный иммунный ответ и повышают титр антител после вакцинации [22], а сочетание в дефенсинах свойств веществ, ингибирующих неферментативный фиб-ринолиз и обладающих антимикробной активностью может быть использовано при создании препаратов для борьбы с кровотечениями при инфекционной патологии [8].
Относящиеся к дефенсинам антимикробные пептиды, выделенные из тромбоцитов животных и человека, обладают не только выраженной антимикробной, но и иммуномодулирующей и цитолитической активностями, способны влиять на течение фагоцитарного и воспалительных процессов [3], [36]. Обладая антимикробной активностью, эти соединения ха-
рактеризуются относительно низкой токсичностью по отношению к собственным клеткам макроорганизма, что позволяет их рассматривать в будущем в качестве дополнения и замены конвенциальным антибиотикам микробного происхождения [20].
В зарубежной печати всё чаще встречаются источники, указывающие на противоопухолевое действие низкомолекулярных катионных пептидов. Так, на моделях in vivo изучен механизм ци-тотоксического действия дефенсинов за счёт повышения мембранной проницаемости, приводящей в конечном итоге к лизису опухолевой клетки. Отмечено, что литическое действие отдельных КАМП в десятки раз выше для опухолевых клеток, чем для незлокачественных. Установлено потенцирующее действие дефенсинов по отношению к цитотоксическому действию ряда препаратов, в частности доксорубицина, против многомедикаментозноустойчивых линий опухолевых клеток [28], [31].
Все вышеуказанные свойства катионных антимикробных пептидов создают предпосылки для создания в будущем на их основе новых препаратов для лечения и профилактики инфекционных заболеваний.
Терапия, основанная на применении КАМП, является привлекательной альтернативой анти-биотикотерапии ещё и потому, что имеет ряд преимуществ: действие КАМП направлено на фундаментальные структуры клетки, например, на клеточную стенку, и они могут действовать на мишени внутри клетки, поэтому вероятность появления резистентности микроорганизмов значительно уменьшается [1], [27]. Новая антимикробная терапия также позволит использовать КАМП
совместно с существующими лекарствами, как часть комбинированной терапии, дающей синер-гитический эффект. Аналитиками делается вывод, что в силу относительной дешевизны, отсутствия побочных эффектов и минимальной вероятности формирования резистентности у бактерий к этим препаратам, КАМП в 21 веке займут подавляющий сегмент мирового рынка антимикробных препаратов. В ближайшее время объём производств и продаж КАМП может составить до 1% рынка антибиотиков, а ближайшие 10 лет -до 20-25% [24].
Однако, несмотря на многообразие катионных антимикробных пептидов различного происхождения и обнадёживающих прогнозов, лишь некоторые из них получают синтетическим путём. В настоящее время два производных индо-лицидина: MBI-226 и МХ-594AN (Vancouver, British Columbia, Canada) проходят клинические испытания для лечения катетер-ассоцииро-ванных инфекций и акне. Компания АМ-Pharma Holding сообщила о завершении первой фазы клинических испытаний пептида hLF1-11 с N-конца человеческого лактоферрина, который использовался на модели животных для лечения остеомиелита и других бактериальных инфекций [17]. Пексиганан - синтетический аналог маганина - пептида, полученного от африканской лягушки, используется для лечения диабетических язв стопы [21]. Гистатин - антимикробный пептид, используемый для лечения кан-дидоза ротовой полости [32]. Хотя исследования АМП животных проводятся уже более 40 лет, видовой состав организмов, которые были изучены в этой области, составляет ничтожную часть от общего числа известных видов.
К таким антимикробным катионным белкам, обладающим бактерицидной деятельностью, относят тромбоцитарные катионные белки [3], [5], [6].
Тромбоцитарные катионные белки или бета-лизины обнаружены в сыворотке крови и тканях многих видов теплокровных - как млекопитающих, так и птиц. Изучено содержание ТКБ в сыворотке крови человека, кролика, крысы, собаки, а также в крови сельскохозяйственных животных, в частности крупного рогатого скота, лошадей, коз, свиней, а также птицы (кур-несушек) [2], [6], [7].
В опытах in vitro выявлено, что тромбоде-фенсины разных видов животных обладают до-
статочно высокой активностью в отношении некоторых видов грамположительных и грамот-рицательных бактерий и грибов, однако уровень этой активности различен в зависимости от видовой принадлежности животного. Наибольшую активность тромбодефенсины животных проявляют в отношении грамположительных микроорганизмов, меньше в отношении грамотрица-тельных бактерий и грибов [13], [14], [15], [17].
Одним из факторов естественной резистентности организма млекопитающих является железосвязывающий белок - лактоферрин, выполняющий ряд важных гомеостатических функций: абсорбция железа в желудочно-кишечном тракте новорожденных и взрослых, регуляция гемопоэза, стимуляция фагоцитоза, активизация системы комплемента [4], [19]. Лактофер-рин оказывает антимикробное действие в отношении широкого круга бактерий, грибов, вирусов и простейших [29], [31]. Однако, в настоящее время известно, что микроорганизмы способны подавлять многие факторы естественной резистентности организма хозяина, в том числе и лактоферрин, что обеспечивает длительное переживание инфекционного агента в макроорганизме [12], [16], [25], [26]. Тромбоцитар-ный катионный белок оказывает ингибирующее действие на антилактоферриновую активность микроорганизмов, что является, несомненно, значимым.
Для защиты от факторов иммунной системы организма хозяина, фагоцитоза, а также от воздействий окружающей среды и действия антибиотиков микроорганизмы способны формировать своеобразные сообщества - биопленки. Биопленки - это непрерывный слой бактериальных клеток, прикрепленных к поверхности и друг к другу и заключенных в биополимерный матрикс. Микроорганизмы, ассоциированные с биопленками, более устойчивы к антибиотикам и дезинфектантам, и имеют большое клиническое значение [11], [30]. Антимикробные пептиды из тромбоцитов сельскохозяйственных животных оказывают модифицирующее влияние на образование биоплёнок микроорганизмами, стимулируя биоплёнкообразование у бактерий и ингибируя изучаемый признак у грибов [18].
Известно, что уменьшение биоплёнкообра-зования может быть связано с влиянием препаратов на механизмы первоначальной адгезии микроорганизмов к поверхности, блокирование
Сипайлова О.Ю., Нестеров Д.В.
Антимикробные низкомолекулярные пептиды...
синтеза или разрушение полимерного матрикса, а также нарушение межклеточного обмена информацией. Исходя из вышеперечисленного, уместно предположить, что механизмы активности тромбодефенсинов против биопленок могут быть связаны с нарушением адгезии грибов к поверхности, за счёт изменения экспрессии детерминант адгезии вследствие адсорбции мембранотропного катионного белка[30].
Обнаруженное действие тромбодефенси-нов на биоплёнки грибов может быть использовано при создании антимикотических препаратов, способных также противостоять формированию биоплёнок.
Все вышеуказанные свойства тромбодефен-синов сельскохозяйственных животных создают предпосылки для создания в будущем на их основе новых препаратов для лечения и профилактики инфекционных заболеваний.
Таким образом, изложенный материал расширяет представления о биологических свойствах антимикробных белков из тромбоцитов, механизмах их антимикробного действия и роли в защите организма. В результате представленного нами материала, тромбодефенсины сельскохозяйственных животных следует рассматривать как высокоактивные биологические регуляторы с бактерицидной функцией. ---------------------------- 15.10.2013
Список литературы:
1. Апчел, А.В. Изучение антимикробной активности пептидов в отношении антибиотикорезистентных микроорганизмов: тез. науч. практ. конф. / А.В. Апчел, О.В. Попова, А.В. Румянцева - С. - Петербург, 2008. - С. 15-16.
2. Бритвина, Е.И. Факторы естественного иммунитета при различных физиологических и патологических состояниях: бета-лизины и лизоцим в секретах и тканях организма человека / Е.И. Бритвина. - Омск, 1976. - В.4. - С. 92-93.
3. Бухарин, О.В. Природа и биологическая роль тромбоцитарного катионного белка / О.В. Бухарин, К.Г. Сулейманов // Успехи современной биологии. - 1997. - №3. - С. 10 - 15.
4. Бухарин, О. В. Персистенция патогенных бактерий / О. В. Бухарин. Екатеринбург: УрО РАН. - 1999. - 370 с.
5. Бухарин, О.В. Роль тромбоцитарного катионного белка (ТКБ) - бета-лизина в противоинфекционной защите / О.В. Бухарин, К.Г. Сулейманов // Ж. микроб., эпидем. и иммунологии. - 1997. - №1. - С. 3-7.
6. Бухарин, О.В. Антимикробный белок тромбоцитов / О.В. Бухарин, В.А. Черешнев, К.Г. Сулейманов. - Екатеринбург, 2000 г. - 200 с.
7. Жуков, А.П. Сравнительная оценка антимикробной активности ТКБ разных видов животных / А.П. Жуков, О.Л. Карташова, М.В. Сычёва, Е.В. Лукашова (Шейда) // Материалы Всероссийской научно-практической конференция «Современное состояние и перспективы развития патологии, морфологии и онкологии животных». Новочеркасск: Изд-во «ЦВВР». - 2008. - С. 170 - 172.
8. Кокряков, В.Н. Вопросы мед. химии. - 1990. - Т. 36. - №6. - С.13-16.
9. Кокряков, В.Н. Биология антибиотиков животного происхождения / В.Н. Кокряков. СПб.: Наука. - 1999. -162 с.
10. Кокряков, В.Н. Очерки о врождённом иммунитете / В.Н. Кокряков. - СПб.: Наука, 2006. - 261 с.
11. Лакин, Г. Ф. Биометрия / Г. Ф. Лакин // М.: Высшая школа, 1990. - 288 с.
12. Новый метод определения антилактоферриновой активности микроорганизмов / И. В. Валышева, А. В. Валышев, О. Л. Карташова и др.// Журн. микробиол. - 2003. - №4. - С. 64-67.
13. Сычёва, М.В. Антимикробная активность тромбоцитарного катионного белка собак / М.В. Сычёва, Е.В. Шейда, А.П. Жуков, О.Л. Карташова // Сборник научных работ Всероссийской конференции с международным участием «Актуальные вопросы медицинской науки». 22 апреля 2009 г. Ярославль: Тезисы докладов. - Ярославль: Изд-во ООО «ЯрМеди-аГруп», 2009. - С. 77.
14. Сычёва, М.В. Антимикробная активность тромбодефенсинов разных видов животных / М.В. Сычёва, Е.В. Шейда, А.П. Жуков, О.Л. Карташова // Известия ОГАУ. - 2009. - №4 (24). - С. 177-179.
15. Сычёва, М.В. Антибактериальный спектр тромбодефенсинов некоторых видов животных / М.В. Сычёва, Е.В. Шейда, А.П. Жуков, О.Л. Карташова // Аграрный вестник Урала. - 2010. - №7(73). - С. 50-51.
16. Сычёва, М.В. Влияние тромбодефенсинов некоторых видов животных на антилактоферриновую активность микроорганизмов / М.В. Сычёва, Е.В. Шейда, О.Л. Карташова // Ученые записки Казанской государственной академии ветеринарной медицины им. Н.Э.Баумана. - Казань, 2010. - С.256-259.
17. Сычева М.В. Антимикробные свойства тромбодефенсинов крупного рогатого скота / М.В. Сычева, Е.В. Шейда, О.Л. Карташова// Вестник мясного скотоводства. - 2011 - №64, Т. 1. - С. 43-49.
18. Сычева М.В. Влияние антимикробных пептидов из тромбоцитов сельскохозяйственных животных на способность микроорганизмов к образованию биопленок / М.В. Сычева, Е.В. Шейда, О.Л. Карташова, И.В. Валышева // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. - 2011. - №1. - С. 130-132.
19. Brock, J. Lactoferrin: a multifunctional immunoregulatory protein? / J. Brock // Immunol. Today. - 1995. - №16(9). - Р. 417-419.
20. Bulet, P. Antimicrobial peptides from invertebrates to vertebrates / P. Bulet, R. Stocklin, L. Menin // Immunol. Rev. - 2004. - Vol. 198. - P. 169-184.
21. Crystallization of Antimicrobial Pores in Membranes: Magainin and Protegrin/ L. Yang, Т. Weiss, R. Lehrer, H. Huang // Biophys. J. - 2000, Vol. 79. №4. - P. 2002-2009.
22. Effects of chicken intestinal antimicrobial peptides on humoral immunity of chickens and antibody titres after vaccination with infectious bursal disease virus vaccine in chicken / Yurong Y., Yibao J., Ruiping S. et al. // Z. Arch. Anim. Nutr. - 2006. - No. 60 (5). - Р. 427-435.
23. Gennaro, R. Structural features and biological activities of the cathelicidin-derived antimicrobial peptides / R. Gennaro, M. Zanetti // Biopolimers. - 2000. - Vol.55. - Р. 31-49.
24. Hancock, R.E.W. / Cationic peptides: a new source of antibiotics / R.E.W. Hancock, R. Lehrer // Trends Biotechnol. - 1998.
- Vol. 16. - P. 82-88.
25. Human lactoferrin and peptides derived from its N terminus are highly effective against infectionswith antibiotic-resistant bacteria / P.H. Nibbering, E. Ravensbergen, M. M. Welling, et al. // Infect. Immun. - 2001. - No. 69. - Р. 1469-1476.
26. Jenssen, H. Modelling of anti-HSV activity of lactoferricin analogues using amino acid descriptors / H. Jenssen, TJ. Gutteberg, T. Lejon // J. Pept. Sci. - 2005. - Vol. 11. - P. 97-103.
27. Jenssen, H. Peptide antimicrobial agents / H. Jenssen, P. Hamill, R.E.W. Hancock // Clinical Microbiology Reviews. - 2006.
- Vol. 19, No 3. - P. 491-511.
28. Johnstone, S.A. In vitro characterization of the anticancer activity of membrane-active cationic peptides / S.A. Johnstone // Anticancer drug des. - 2000. - Vol. 15. - P. - 151.
29. Levay, P.F. Lactoferrin: a general review / P.F. Levay, M.Viljoen // Haematologica. - 1995. - №80 (3). - P. 252-267.
30. Lyte, M. Stimulation of Staphylococcus epidermidis growth and biofilm formation by catecholamine inotropes / M. Lyte, P.P.E. Freestone, C.P. Neal // Lancet. - 2003. - Vol. 361. - P. 130-135.
31. Mc Keown, S.T. The cytotoxic effect of human peptid-1 (HNP1) and lacto-ferrin on oral squamous cell carcinoma (OSCC) in vitro / S.T. Mc Keown // Oral oncol. - 2006. - Vol. 42 (7). - P. 685.
32. Kavanagh, K. Histatins: antimicrobial peptides with therapeutic potential / K. Kavanagh, S. Dowd //J. Pharm. Pharmacol. -2004. - No. 56. - P. 285-289.
33. Persister Cells and the Mechanism of Multidrug Tolerance in Escherichia coli / I. Keren, D. Shah, A. Spoering et.al. // Specialized J. Bacteriol. - 2004. - Vol. 186. - P. 8172-8180.
34. Platelet Microbicidal Activity Is an Important Defense Factor against Viridans Streptococcal Endocarditis / J. Dankert, J. Krijgsveld, J. van der Werff et al. // The Journal of Infectious Diseases. - 2001. - Vol. 184, No 1. - P. 597-605.
35. Primate b-defensins - Structure, Function and Evolution / S. Crovella, N. Antcheva, I. Zelezetsky et al.// Current Protein and Peptide Science. - 2005. - Vol. 6. - P. 7-21.
36. Structure-activity study of antibacterial peptide fallaxin / S.L. Nielsen, N. Frimodf-Moller, B.B. Kragelund, P.R. Hansen // Protein Sci. - 2007. - No. 16 (9). - P. 1969-76.
37. Synthetic analogues of antimicrobial peptides from venom / A.A. Vasilevskii, S.A. Kozlov, M.N. Zhmak et al. // Bioorg Khim.
- 2007. - No. 33 (4). - P. 405-412.
38. Yamasaki, K., Gallo R.L., Antimicrobial peptides in human skin disease. Eur. J. Dermatol. - 2008. - No. 18(1). - P. 11-21.
Сведения об авторах:
Сипайлова Ольга Юрьевна, научный сотрудник экспериментально-биологической клиники (вивария) Оренбургского государственного университета, кандидат биологических наук Нестеров Дмитрий Васильевич, научный сотрудник института биоэлементологии Оренбургского государственного университета, кандидат биологических наук 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, e-mail: [email protected]
UDC 576.8
Sipaylova O.Yu., Nesterov D.V.
Orenburg state university, e-mail: [email protected]
ANTIMICROBIAL LOW MOLECULAR WEIGHT PEPTIDES - FACTORS OF NONSPECIFIC PROTECTION ANIMAL ORGANISM
This paper presents a literature review on the presence in the blood of animals and humans peptides with broad antimicrobial spectrum of activity against gram-positive, gram-negative bacteria and fungi that influence the persistence characteristics of microorganisms, making them attractive for the creation of new antimicrobial agents.
Key words: cationic antimicrobic peptides, trombodefensins, beef cattle,bacteria, persistence, biological film-formation.
