«Синтезовано суперантибіотик, до якого не виробляється резистентність»

Ріс. 1. Структура антибіотика ванкоміцину (синій), пов’язаного зі своєю мішенню (червона) — конкретними амінокислотами у складі бактеріальних ферментів, що забезпечують синтез клітинної стінки (D-alanine-D-alanine peptide — пептид з двома залишками аланіну в D-формі). Кілька десятиліть ванкоміцин допомагав боротися з мікроорганізмами, які виявлялися стійкими до інших антибіотиків. Однак з часом бактерії виробили резистентність і до нього, і зараз розроблений вже представник третього покоління його похідних. Про «ванкоміцин 3.0» і розповідається в цій замітці. Малюнок з сайту pdb101.rcsb.org

Хіміки з Науково-дослідного інституту Скриппс, модифікувавши антибіотик ванкоміцин, отримали речовину, що проявляє по відношенню до стійких до ванкоміцину ентерококів в сотні разів більш високу протимікробну активність, ніж у застосовувалися раніше похідних ванкоміцину. Крім високої протибактеріальної активності гідність нової речовини ще й у тому, що патогенні мікроорганізми не змогли виробити до неї резистентність навіть за 50 поколінь, тоді як стійкість до багатьох інших антибіотиків з’являється вже в десятому поколінні «знайомих з ним» бактерій.

Остання лінія оборони людства від патогенних бактерій (див. Lines of therapy), можливо, скоро поповниться новим антибіотиком «останнього резерву», або «останньої надії», — так називають ліки, що використовуються тоді, коли всі інші медикаменти не допомогли (див. Drug of last resort). Синтезована в Науково-дослідному інституті Скриппс речовина, що отримала поки позначення «ванкоміцин 3.0», успішно бореться з найнебезпечнішими для цивілізації патогенними мікроорганізмами — мікробами, стійкими до дії класичних антибіотиків «першої лінії оборони» (тобто таких, яким віддається перевага при боротьбі з конкретною інфекцією).

З моменту появи антибіотиків першого покоління ситуація з розробкою препаратів проти інфекційних захворювань нагадує гонку озброєнь (див. Evolutionary arms race). Схема щоразу одна й та сама. Фахівці з медичної хімії запускають у виробництво «нову надію» — антибіотик, що працює більш ефективно, ніж попередні версії препаратів. Однак мікроорганізми виробляють резистентність (стійкість до дії тієї чи іншої фармацевтично активної речовини; Див. антибіотикорезистентність) до нього і «завдають удару у відповідь». Таку перспективу ще в 1945 році у своїй Нобелівській промові передбачав винахідник пеніциліну Олександр Флемінг.

У наші дні патогенні мікроорганізми, резистентні до дії антибіотиків, стають причиною смерті від інфекційних захворювань не тільки в державах, що розвиваються, але і в країнах з розвиненою медичною інфраструктурою (більш докладно про проблеми, які ставить перед людством стійкість бактерій до антибіотиків, можна прочитати в статті Антибіотиковий апокаліпсис).

Лікарі намагаються застосовувати антибіотики останньої лінії оборони («останнього резерву») тільки в крайньому випадку. Чому? По-перше, найчастіше ці речовини складні для промислового виробництва, що не може не вплинути на їх вартість. По-друге, після терапії такими потужними антибіотиками пацієнту зазвичай доводиться проходити додатковий курс лікування, щоб відновити організм. По-третє, часте застосування антибіотиків «останнього резерву» може сприяти виробленню у патогенних мікроорганізмів резистентності до їх дії, що, очевидно, зробить препарат марним.

1958 року в списку антибіотиків «останнього резерву» з’явився ванкоміцин (або ванкоміцин 1.0; див. рис. 1), який показав свою ефективність у боротьбі з метицилінрезистентним золотистим стафілококом (Methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA) (див. McCormick MH et al., 1955-1956. Vancomycin, a new antibiotic. I. Chemical and biologic properties). Через появу штамів, стійких до дії ванкоміцину 1.0, ефективність цього препарату значно впала. Однак через півстоліття після початку його застосування фахівці з медичної хімії розробили ряд його похідних, які отримали загальне позначення «ванкоміцин 2.0» (див. B. M. Crowley, D. L. Boger, 2006. Total synthesis and evaluation of [Ψ[CH₂NH]Tpg⁴]vancomycin aglycon: Reengineering vancomycin for dual D-Ala-D-Ala and D-Ala-D-Lac binding). Не чекаючи, коли стане марним і ванкоміцин 2.0, дослідники запропонували третю модифікацію цього антибіотика — ванкоміцин 3.0. Змін зазнало три елементи структури антибіотика, і за рахунок цього він отримав здатність завдавати потрійного, комбінованого удару по бактеріях. Дослідники підбирали модифікації, спираючись на знання про механізм роботи ванкоміцину 1.0.

Ванкоміцин вбиває бактерії, перешкоджаючи будівництву їх клітинних стінок. Відома з 1958 року версія антибіотика здатна зв’язуватися з розташованим на N-кінці білка фрагментом, що складається з двох залишків амінокислоти D-аланіну (D-Ala-D-Ala). Оскільки такий N-кінцевий фрагмент характерний відразу для двох залучених у будівництво клітинних мембран ферментів — трансглікозилази (див. Гліконеогенез) і транспептидази (див. Пептидоглікан), «секретна зброя» ванкоміцину була здатна вбивати відразу двох зайців, ускладнюючи роботу відразу обох ферментів. Однак еволюція бактерій призвела до того, що в деяких штамах N-кінцевої D-аланильний залишок трансглікозилази і транспептидази змінилися на залишки D-молочної кислоти (D-Lac), що значно знизило здатність ванкоміцину розпізнавати свою мішень. Резистентність до ванкоміцину призвела до появи двох небезпечних штамів: з’явилися ванкоміцинрезистентні ентерококки (VRE) і ванкоміцинрезистентний золотистий стафілокок (VRSA). Вони разом з іншими «супербактеріями», стійкими до дії інших антибіотиків, є причиною близько 25 000 випадків смерті з усіх щорічно реєстрованих у США. Щоправда, яка частка з цих 25 тисяч відбувається з вини мікроорганізмів, стійких саме до ванкоміцину, з’ясувати досить складно.

Для вирішення проблеми резистентності, пов’язаної з появою у ферментів, що відповідають за синтез клітинних стінок бактерій, N-кінцевої групи D-Lac, вчені з групи Дейла Боджера (Dale Boger), що працюють в Науково-дослідному інституті Скриппс, вирішили синтезувати модифікацію ванкоміцину, націлену відразу на дві молекулярні мішені і, таким чином, що володіє подвійним. Передбачалося, що ця версія антибіотика (ванкоміцин 2.0) буде здатна зв’язуватися і з нормальними ферментами, послідовність яких закінчується фрагментом D-Ala, і з їх мутуючими аналогами, на N-кінці яких локалізований залишок D-Lac. Антибіотик, що має подвійну дію і здатний зв’язуватися з обома версіями трансглікозилази і транспептидази, був отриманий в 2011 році (див. Xie J. et al., 2011. A redesigned vancomycin engineered for dual D-Ala-D-ala And D-Ala-D-Lac binding exhibits potent antimicrobial activity against vancomycin-resistant). Паралельно і незалежно від групи Боджера способи боротьби з ванкоміцинрезистентними штаммами розробляли й інші дослідницькі групи — і вони теж досягли в цьому успіху. Так, ще одне похідне ванкоміцину — оритаванцин — могло боротися з бактеріями, що володіють «надздібностями», взаємодіючи безпосередньо з фосфоліпідною мембраною бактеріальної клітини, змінюючи її надмолекулярну організацію. Така взаємодія розрихляє мембрану клітини, роблячи її більш проникливою і нездатною забезпечувати її цілісність (див. O. Domenech et al., 2009. Interactions of oritavancin, a new lipoglycopeptide derived from vancomycin, with phospholipid bilayers: Effect on membrane permeability and nanoscale lipid membrane organization).

У новому препараті (ванкоміцині 3.0, див. 2) Боджер з колегами вирішив об’єднати відразу три зброї проти резистентних бактерій:

1) здатність блокувати роботу нормальних трансглікозилази і транспептидази;

2) здатність інгібувати будівництво клітинних стінок мутували ферментами;

3) здатність розпушувати клітинну мембрану супербактерії, роблячи її органели більш вразливими до дії речовин, що знаходяться зовні клітини.

Ріс. 2. Новий кандидат в антибіотики «останнього резерву» — «ванкоміцин 3.0» — чинить на патогенні організми потрійну дію, в результаті чого проявляє велику протимікробну активність, а також не дає мікроорганізму виробити резистентність до своєї дії. Малюнок з обговорюваної статті в PNAS

Вирішити поставлене завдання вдалося: виявилося, що нова речовина надає в 10 000 разів сильнішу дію на ванкоміцинрезистентні ентерококи порівняно з ванкоміцином 1.0. Крім того, воно в 250 разів потужніше оритаванцину. Судячи з непрямих даних, ванкоміцин 3.0 також приблизно в 250 разів ефективніше таких антибіотиків, як далбаванцин і телаванцин (див. Telavancin), але прямих експериментальних доказів цього факту поки ще не отримано. Така висока ефективність нового препарату, очевидно, забезпечується тим, що в новому препараті Боджер з колегами вирішив об’єднати відразу три зброї проти резистентних бактерій. Ванкоміцин 3.0 здатний руйнувати клітинні стінки, а також перешкоджати їх зростанню, інгібуючи дію ферментів трансглікозилази і транспептидази.

Правда, моменту появи ванкоміцину 3.0 в аптеках і арсеналі лікарень поки доведеться почекати. Для початку Боджер планує знизити число стадій, необхідних для синтезу нового антибіотика, адже чим менше етапів потрібно пройти в синтезі фармацевтично активного препарату, тим менше його собівартість. Також необхідні випробування нового антибіотика на лабораторних тваринах, а потім і на людях-добровольцях. У тому випадку, якщо всі ці плани вдасться реалізувати, остання лінія оборони людства від небезпечних інфекцій значно зміцниться.

Джерело: Akinori Okanoa, Nicholas A. Isleya, Dale L. Boger. Peripheral modifications of [Ψ[CH₂NH]Tpg⁴]vancomycin with added synergistic mechanisms of action provide durable and potent antibiotics // PNAS. 2017. DOI: 10.1073/pnas.1704125114.

Див. також:

Картинка дня Ванкоміцин.

Аркадій Курамшин