CC BY
3ТРАНСФОРМАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЕ ПОЛИЕНОВЫХ АНТИБИОТИКОВ - КЛЮЧ К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ АНТИБИОТИКОРЕЗИСТЕНТНОСТИ ПРИ ГРИБКОВЫХ ИНФЕКЦИЯХ
Багирова А.А.
институт ботаники Нациoнальной Академии Наук Азербайджана, ведущий научный сотрудник
лаб. «Биофизика клетки», кандидат биологических наук, доцент
Гасимова В.Х.
Бакинский Государственный Университет, старший научный сотрудник факультета экологии и
почвоведения, кандидат биологических наук, доцент
TRANSFORMATION CHANGES IN THE MOLECULAR STRUCTURE OF POLYENE ANTIBIOTICS IS THE KEY TO THE SOLUTION OF ANTIBIOTICS RESISTANCE PROBLEM AT THE FUNGAL
Baghirova А.А.
Leading Researcher, PhD (Biology),Assoc.Prof "Cell Biophysics" lab., Azerbaijan National Academy of Sciences
Qasimova V.Kh. Senior Researcher, PhD (Biology),Assoc.Prof.
Department of Ecology and Soil Sciences. Baku State University.
Аннотация
Обзор посвящен результатам, полученным на основании модификационных изменений ряда противогрибковых полиеновых антибиотиков (ПА) и их производных в клетках in vitro. Химическая модификация ПА дает возможность получить менее токсичные производные антибиотиков с улучшенными химио-терапевтическими свойствами и с расширенным спектром биологической активности. Поиск новых лекарственных соединений, полученных путем химической модификации и тестирование их на клеточном уровне создает возможности для ближайшего использования их в клинике при грибковых инфекциях.
Abstract
This review is dedicated to results based on the modification changes of some antifungal polyene antibiotics (PA) and their derivatives in cells in vitro. Chemical modification of PA gives the chance to receive low toxic derivatives of PA with improve chemotherapeutic properties and wide spectrum of biological activity. The search of new medicines by the chemical modification methods and testing on the cellular level makes possible their application in the nearest future at the fungal infections.
Ключевые слова: полиеновые антибиотики,химическая модификация, антибиотикорезистентность, грибковые инфекции.
Кeywords: polyene antibiotics, chemical modification, antibiotics resistance, fungal infectious.
Проблема неэффективного действия антибиотиков стала одной из ключевых в современной медицине и фармакологии за последние десятилетия. Решение этой задачи основывается на поиске новых лекарственных средств, которые могут быть получены с помощью методов генной инженерии и химической модификации их молекул. В данном конкретном случае был проведен анализ экспериментальных данных ряда антигрибковых полиеновых антибиотиков (ПА) и их производных. ПА -продуценты низших растительных организмов группы Streptomyces (Actinomycetes). На протяжении многих десятилетий они применялись в практической медицине в качестве противогрибковых препаратов для лечения инвазивных микозов.
Тем не менее, в связи с изменением экологической ситуации в природе, появляются новые формы организмов на основе генетических мутаций. Соответственно меняются и продуцируемые ими соединения и, естественно, их свойства. С другой стороны меняется и сопротивляемость живых организмов по отношению к вышеупомянутым препаратам, то есть они становятся антибиотико-резистентными. Многие из них изначально явля-
лись токсическими соединениями. К тому же нерациональное применение антибактериальных антибиотиков с широким спектром действия, реанимационные мероприятия и ряд других факторов, приводит к грибковым инфекциям, где основными показателями являются проблема переносимости антимикотических препаратов и развитие резистентности по отношению к ним возбудителей глубоких микозов (4,19). Таким образом, их фармакологические свойства с годами стали меняться и пришло время для поиска новых, более эффективных антибиотиков.
Так, например, было проведено исследование тетраенового макролидного ПА-пимарицина (в нек. источниках натамицина), который широко используется при лечении многочисленных видов канди-доза, но тем не менее ограничен в применении из-за своей токсичности, нерастворимости в воде и высокой сопротивляемости патогенных грибков к его действию. Получение и тщательное исследование новых гидрофосфорильных производных (11),арилзамещенных производных (2) и фосфори-лированное альдокетинированное производное пимарицина (3) показало, что в результате взаимо-
действия пимарицина с паразамещенными бензаль-дегидами и цианоборогидридом в условиях реакции восстановительного аминирования , образуются соответствующие бензильные производные этого антибиотика, которыебыли изучены на шести тест-культурах группы Candida. Тестирование показало, что противогрибковая активность соединений, в которых радикал представлен фтором и бромом, в отношении Candida albicans, C. crusei и C. parapsilosis намного выше, чем у исходного антибиотика, а в отношении C. utilis, C. Tropicalis и C. Guillermondii была на уровне пимарицина. Таким образом, было показано, что наибольшая антифун-гальная активность наблюдалась у бензильных производных пимарицина с химическим радикалом из нитрогруппы или галогенов (фтор, хлор и бром) в фенильном кольце, то есть вышеупомянутые химически модифицированные производные пимари-цина, более эффективны против возбудителей кан-дидоза, чем исходный антибиотик. Были разработаны новые производные амфотерицина В, одного из самых изученных и востребованных ПА (16), которые обладали низкой токсичностью и устойчивостью к резистентности. Амфотерицин В атакует болезнетворные грибки, связываясь со стериновым компонентом грибка (эргостерином), а его побочные эффекты связаны с тем, что он также атакует холестерин человека. Исследователи модифицировали строение амфотерицина В, придав ему способность связываться только с эргостерином, не атакуя холестерин. До недавнего времени в ходе интенсивных экспериментов болезнетворные грибки так и не выработали резистентность к новым веществам; модифицированные версии амфотерицина В могут быть синтезированы из природного продукта в три стадии с общим выходом до 25%.
Необходимо отметить, что в настоящее время существует множество малотоксичных высокоэффективных полусинтетических производных ПА. Наибольшая роль в этом направлении принадлежит нанотехнологии, поскольку нанотехнологические исследования в медицине базируются на создании препаратов нового поколения, отличающихся более эффективным способом доставки антибиотиков (5,7). Отбор нанопроизводных макролидных антибиотиков с эффективной противогрибковой активностью оказался весьма актуальным для лечения микозов (10,20).Было проведено исследование нанопроизводных тетраеновых ПА - нистатина и пимарицина в отношении ряда тест-культур дрожжеподобных грибов рода Candida. Как оказалось, вышеуказанные нанопроизводные обладают высокой антифунгальной активностью по отношению к возбудителям кандидоза - это 11 видов рода Candida - C. albicans,C. utilis, C. tropicalis, C. crusei, C. glabrata, C.lusitaniae, C.lipolytica, C.norvegensis, C.parapsilosis, C. akefyr и C. guillermondii. Таким образом, в результате проведенных исследований, обнаружено, что полученные нанопроизводные определенных ПА значительно повышают стабильность и биофармацевтические свойства этих антигрибковых антибиотиков. Исходный амфотерицин В
имеет самый широкий спектр применения и является одним из наиболее исследуемых и используемых в практической медицине противогрибковых макролидных антибиотиков. В настоящее время это единственный ПА, разрешенный к применению при системных микозах. Однако его использование существенно ограничено из-за нефротоксичности, гематотоксичности и очень низкой растворимости в воде. К тому же лечебные дозы этого антибиотика близки к максимально переносимым дозам (17). Для лечения инвазивных грибковых заболеваний был проведен поиск новых эффективных препаратов. Формирование таких лекарственных средств осуществляется, в-основном, путем химического модифицирования природных антибиотиков (1). Создание биосинтетических аналогов антибиотиков стало возможным также с развитием генной инженерии (15). Они могут быть использованы сами по себе или в качестве исходных соединений в синтезе новых противогрибковых препаратов с улучшенными фармакологическими характеристиками. Таким образом, создание макролидных антибиотиков нового поколения основано на сочетании методов химического синтеза и генной инженерии.
Методы генной инженерии базируются на данных, которые получены при полной расшифровке генных кластеров, ответственных за биосинтез антибиотика штаммом-продуцентом. Основными стадиями биосинтеза таких ПА, как амфотерицин В и нистатин А1 являются образование 38-членного макролактонного кольца, в процесс сборки которого вовлечены шесть поликетидсинтетаз, окисление метильной группы в положении 16 под действием метилоксидазы; биосинтез и присоединение микозамина, контролируемое трансферазой и завершающее гидроксилирование гидроксилазой положения С-8 или С-10. Для изменения пути биосинтеза антибиотика может быть использован генетический материал исходных штаммов, клонированный в специально сконструированный вектор, позволяющий производить замену фрагментов генов, кодирующих ферменты биосинтеза. В результате такой замены появляются мутантные штаммы с измененным ходом биосинтеза, производящие искомые производные антибиотика. Так, генное конструирование мутантного штамма бактерии Streptomyces nodosus, позволило получить 16-декарбокси-16-метиламфотерицин В (14). Это же соединение было получено путем многостадийного химического синтеза (18). Благодаря клонированию и анализу генных кластеров был определен путь биосинтеза нистатина А1. На основе генно-инженерных работ со штаммом бактерии Streptomyces noursei были получены новые генно-инженерные полиеновые макролиды(12,14). Пути биосинтеза нистатина А1 и амфотерицина В отличаются тем, что в первом случае один из генов поликетилсинте-таз, помимо домена с кеторедуктазной активностью, дополнительно содержит еноил-редуктазу. Работа данного фермента приводит к образованию одинарной связи С(28)-С(29), в то время как при биосинтезе амфотерицина В двойная связь в этом положении не восстанавливается. Методом генной
инженерии удалось создать рекомбинантный штамм S. norsei (14) с генетически измененной по-ликетилсинтетазой. Этот штамм продуцировал геп-таеновый аналог нистатина Ai- 28-29-дегидрони-статин Ai, который превосходит исходный препарат по противогрибковой активности в 2-10 раз в большинстве тестов in vitro и имеет более широкий интервал между максимально переносимой дозой и средней летальной дозой. Появление двойной связи С(28)-С(29) в молекуле нистатина А1 увеличивает его антигрибковую активность в отношении большинства изученных штаммов, что может быть объяснено повышением эффективности с мишенью микроорганизмов. Важность конфигурации линейного гептаенового гидрофобного фрагмента антибиотика для взаимодействия с мишенью была продемонстрирована на примере новых генно-инженерных аналогов нистатина А1, содержащих гидроксильную группу в полиеновой части молекулы -31-гидроксинистатина и 33-гидроксиниста-тина. Эти производные в 2000 раз лучше растворяются в воде, чем нистатин А2, однако полностью лишены противогрибковой активности (12). Следовательно, введение гидроксильной группы в полие-новую часть молекулы приводит к изменению конфигурации линейного гидрофобного фрагмента антибиотика. Структура полиольного участка молекулы антибиотика влияет на его активность. Полученные производные нистатина А1 (9) и амфо-терицина В (14), которые отличаются количеством и расположением гидроксильных групп в определенной части молекулы (С(5)-С(10), а также соединения, в которых гидроксильные группы при атомах углерода С(5) и С(7) были заменены на карбонильные. Показано, что при введении кетогруппы вместо гидроксильной снижаются активность и токсичность антибиотика. Инактивация гена, ответственного за работу оксидазы, превращающей С(16)-метильную группу в С(16)- карбоксильную, в рекомбинантном штамме-продуценте нистатина (штамм Streptomyces noursei) привела к образованию высокоактивного 16-декарбокси-16-метил-28-29-дидегидронистатина Ai. Это производное сохраняет высокую противогрибковую активность и обладает значительно меньшей токсичностью (13).Генно-инженерные методы были применены в основном для модифицирования полиеновой и гид-роксилированной частей макролидного кольца, а также для специфического модифицирования карбоксильной группы. микроорганизмы, содержащие в липидной оболочке стерины, более чувствительны к действию ПА, чем микроорганизмы, у которых стерины отсутствуют (6). Изучение динамики связывания антибиотика с мембраной в присутствии стерина, также подтверждает возможность прямого взаимодействия антибиотика со стерином (6). Избирательность действия ПА в отношении грибковых патогенов определяется их более прочным связыванием с эргостерином, входящим в состав грибковой мембраны, чем с холестерином, входящим в состав мембраны клеток человека и животных. Молекула эргостерина содержит на две двойные связи больше, чем молекула
холестерина, что делает ее молекулу более плоской и более жесткой по сравнению с холестерином. Экспериментально было показано, что амфотери-цин В увеличивает прохождение ионов К+ по каналу через эргостерин-содержащую липосому в 4 раза по сравнению с холестерин-содержащей липо-сомой, а через липосому без стеринов - примерно в 4,5 раза (6). Таким образом, нежелательные побочные токсические явления при лечении грибковых инфекций ПА обусловлены сравнительно низкой избирательностью действия ПА на эргостерин-со-держащие патогенные грибы по сравнению с их действием на холестерин-содержащие клетки млекопитающих. Снижение чувствительности грибов к ПА связана, прежде всего, со снижением содержания эргостерина в цитоплазматической мембране (6). При создании новых препаратов особенно важно найти оптимальное сочетание высокой противогрибковой активности и низкого побочного токсического действия. Эффективным способом создания новых препаратов стала разработка гибридных антибиотиков, которые совмещали в себе позитивные свойства составляющих их соединений (21).
Таким образом, избирательная химическая модификация молекул ПА, проведение синтеза антибиотиков нового поколения является первым шагом на пути исследования структурно-функциональных особенностей взаимодействия ПА с клеточными и модельными мембранами. Исследования в этом направлении и поиск новых биологически активных антибиотиков продолжаются. Обнадеживающие результаты позволят в будущем более целесообразно и эффективно использовать ПА и их производные в практической медицине при грибковых заболеваниях.
Список литературы
1. Багирова А.А. Химически модифицированные полиеновые антибиотики нового поколения: эффективность действия при лечении микозов., Минск, Ж-л «Новости медико-биологических наук», 2017, т.16, № 3, стр.8
2. Белахов В.В., Шенин Ю.Д., Ионин Б.И. Синтез и противогрибковая активность N-арилзаме-щенных производных пимарицина.//Хим.-фарм.ж.,2010, т. 44,№9, с. 19-25.
3. Белахов В.В., Догадина А.В., Ионин Б.И. Химическая модификация тетраенового макролид-ного антибиотика пимарицина диэтилхлорацети-ленфосфанатом.//Изв.Санкт-Петерб.гос.технологи-ческого ин-та, 2013, т.,19, с.67-70
4. Веселов А.В. Системные антимикотики: состояние и перспективы. //Клин.микробиол.анти-микробиол.химиотер, 2007, т. 9,№1, с.73-80.
5. Газит Э. Нанобиотехнология:необъятные перспективы развития. М.:Научный мир, 2011, с. 83-91.
6. Касумов Х.М. Структура и мембранная функция полиеновых и макролидных антибиотиков. Монография. Изд. «Элм» (Баку)-«Наука» (Москва). 2009. 511 стр
7. Пул Ч., Оуэнс Ф. //Нанотехнологии.М.:Тех-носфера. 2007, 271-290.
8. Соловьева С.Е., Олсуфьева Е.Н., Преображенская М.Н. Химическое модифицирование противогрибковых макролизных полиеновых антибиотиков. //Усп.хим., 2011, т. 80, №2, с.115-138
9. Трещалин И.Д., Слетта Х., Боргос С.Е.Ф., Переверзева Э.Р., Воейкова Т.А., Эллингсен Т.Е., Зотчев С.Б. //Антибиотики и химиотерапия, 2005, т. 50, №18,85
10. Barratt G., Bretagne S. Optimizing efficacy of amphotericin B through nanomodification. //In-tern.J.Nanomed., 2007, v.2, #3, p.301-313
11. Belakhov V.V., Shenin Yu.D., Ionin B.I. Synthesis of hydrophosphoryl derivatives of the antifungal antibiotics Pimaricin by the Kabachnik-Fields reac-tion.//Russ J.Gen.Chem. 2008, v.78, №2,p. 305-312.
12. Borgos S.E.F., Bruheim P.,Tsan P.,Sletta H., Ellingsen T.E., Langcelin J.-M., Zotchev S.B. Probing the structure-function relationship of polyene macro-lides: Engineered biosynthesis of soluble nystatin analogues // J. Med. Chem. ,2006, 49, 2431-2439.
13. Brautaset T., Sletta H., Nedal A., Borgos S.E.F. et al. Improved antifungal polyene macrolides via engineering of the nystatin biosynthetic genes in Streptomyces noursei. //Chem. Biol. ,2008; 15,1198.
14. Carmody M., Murphy B., Byrne B., Power P., Rai D., Rawlings B., Caffrey P. Biosynthesis of amphotericin B derivatives lacking exocyclic carboxyl groups.//J. Biol. Chem. , 2005, v.280, №41, 34420-
34426.
15. Caffrey P, Aparicio J.F., Malpartida F., Zotchev S.V. Biosynthesis engineering of polyene macrolids. Towards generation of improved antifungal and antiparasitic agents. // Curr.Top. Med. Chem., 2008, v. 8, 639-653.
16. Davis S.A., Vincent B.M., Endo M.M., Whitesell L., Marchillo K.,Andes D., Lindquist S., Burke M.D. Nontoxic antimicrobials that evade drug resistance. //Nat Chem., Biol.,2015, v.11, №7,p. 481487.
17. Demain A.I., Sanchez S. Demain A.I., Sanchez S. Microbial Drug Discovery: 80 years of progress. //J. Antibiot. 2009, v.62, p.5-16.
18. Palacios D.S., Anderson T.M., Burke M.D. Simple, efficient and modular synthesis of polyene antibiotics. //J. Amer. Chem.Soc. 2007, v. 129, 1380413809.
19. Sanglard D., Coste A., Ferrari S. Antifungal drug resistance mechanisms in fungal pathogens from the perspective of transcriptional gene regulation. //FEMS Yeast Res., 2009,v.9, №7,p.1029-1050.
20. Surendiran Z., Sandhiya S., Pradan S.C., Ad-ithan C. Novel applications of nanotechnology in medicine. // J.Med,Res., 2009v.130, №12, p.689-701.
21. TevyashovaA.N., OlsufyevaE.N., Preobrash-enskaya M.N. Design of dual action antibiotics as an approach to search fornew promising drugs. Russ.Chem. Rev. 2015;84 (1):61-97.
ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭРИТРОЦИТОВ ПРИ ОНКОПРОЦЕССАХ И ДЕЙСТВИИ ПОЛИЕНОВЫХ АНТИБИОТИКОВ
Султанова Г.Г.
Институт Ботаники НАНАзербайджана* ведущий научный сотрудник лаб. «Биофизика клетки»,
кандидат биологических наук, доцент Касимова В.Х.
Бакинский Государственный университет, старший научный сотрудник факультета экологии и
почвоведения, кандидат биологических наук, доцент
THE DYNAMICS OF CHANGES OF PHYSICAL AND CHEMICALPROPERTIES OF RBC AT THE DIFFERENT LOCATION ONCOLOGICAL PROCESSES AND POLYENE ANTIBIOTICS ACTION
Sultanova G. G.
Senior leader researcher of Lab "Cell biophysics"Institute\of Botany of ANAS, PhD, Asisstant Professor
Qasimova V.Kh.
Senior researcher-researcher ekology and agriculture Faculty of the Baku State University
Аннотация
В настоящей работе приведены результаты изучения гемолитической стойкости эритроцитов в норме и при развитии опухолевого процесса, а также при инкубации с полиеновыми антибиотиками. Показана возможная корреляция резистентности эритроцитов к ультразвуку с различными клиническими факторами и показателями периферической крови. Полагаем что наличие патологии в организме можно отнести к стрессовой ситуации приводящей к негативным последствиям. Полученные результаты могут служить дополнительными критериями в исследовании сложных взаимоотношений организма и развивающейся злокачественной опухоли.
Abstract
The dynamics of changes of physical and chemical properties of RBC at the different location oncological processes The results of research of RBC hemolytic firmness at normal state, in the development of tumor process and also in the incubation with polyene antibiotics were shown in this paper. There is shown the possible correlation of RBC resistance to ultrasound with different clinical factors and indexes of peripheral blood. We suppose
