Антимікробні пептиди, які також називаються захисними пептидами хазяїна, є частиною вродженої імунної відповіді, що характерна для всіх різновидів життя. Існують фундаментальні відмінності між прокаріотичними та еукаріотичними клітинами, які можуть бути мішенями для антимікробних пептидів . Ці пептиди є потужними антибіотиками широкого спектра дії, які демонструють гарний потенціал як нові терапевтичні засоби. Було продемонстровано, що антимікробні пептиди вбивають грамнегативні та грампозитивні бактерії, віруси з оболонкою, гриби та навіть трансформовані або ракові клітини. Виявилося, що, на відміну від більшості звичайних антибіотиків, антимікробні пептиди часто дестабілізують біологічні мембрани, можуть утворювати трансмембранні канали, а також можуть мати здатність підвищувати імунітет, функціонуючи як імуномодулятори.
Структура
Антимікробні пептиди — унікальна та різноманітна група молекул, які поділяються на підгрупи на підставі їхнього амінокислотного складу та структури. Антимікробні пептиди, як правило, містять від 12 до 50 амінокислот. У складі цих пептидів є два або більше позитивно заряджених залишків, створених аргініном, лізином або, у кислому середовищі, гістидином, і велика частка (зазвичай >50%) гідрофобних залишків. Вторинні структури цих молекул мають такі 4 варіанти: 1) α-спіраль, 2) β-лист через наявність двох або більше дисульфідних зв'язків, 3) β-шпилька або петля завдяки наявності одного дисульфідного зв’язку та /або циклізації пептидного ланцюга, і 4) розширена структура. Багато з цих пептидів є неструктурованими у вільному розчині та згортаються у свою остаточну конфігурацію після розподілу в біологічних мембранах. Вони містять гідрофільні амінокислотні залишки, розташовані вздовж однієї сторони, і гідрофобні амінокислотні залишки вздовж протилежної сторони спіральної молекули. Ця амфіпатичність антимікробних пептидів дозволяє їм розподілятися в подвійному ліпідному шарі мембрани. Здатність асоціюватися з мембранами є вирішальною властивістю антимікробних пептидів, хоча проникність мембрани не є необхідною. Ці пептиди мають різноманітну антимікробну активність, починаючи від створення проникності мембрани до дії на низку цитоплазматичних мішеней. Тип Характеристика Антимікробні пептиди Аніонні пептиди Багаті на глутамінову й аспарагінову кислоти Максимін Н5 амфібій, дермсідин людини Лінійні катіонні α-спіральні пептиди Відсутній цистеїн Цекропіни, андропін, моріцин, цератотоксин і мелітин комах, магаїнін, дермасептин, бомбінін, бревінін-1, ескулентини та буфорин II амфібій, CAP18 кроликів, LL37 людей Катіонні пептиди, збагачені певною амінокислотою Багаті на пролін, аргінін, фенілаланін, гліцин, триптофан Абаецин, дрозоцин, апідецин, диптерицин і атацин комах, профенін свиней, індоліцидин великої рогатої худоби. Аніонні/катіонні пептиди, що утворюють дисульфідні зв'язки Містять 1–3 дисульфідні зв'язки 1 зв'язок: бревініни; 2 зв'язки: протегрін свині, тахіплезини мечохвостів; 3 зв'язки: дефензини людини; більше 3: дрозоміцин плодових мушок
Активність
Способи дії, за допомогою яких антимікробні пептиди вбивають мікробів, різноманітні та можуть відрізнятися для різних видів бактерій. Деякі антимікробні пептиди вбивають як бактерії, так і гриби, наприклад, псоріазин вбиває кишкову паличку та деякі нитчасті гриби. Часто мішенню є цитоплазматична мембрана, але пептиди також можуть перешкоджати синтезу ДНК і білків, згортанню білків і синтезу клітинної стінки. Початковий контакт між пептидом і цільовим організмом є електростатичним, оскільки більшість бактеріальних поверхонь є аніонними або гідрофобними, як, наприклад, у випадку антимікробного пептиду пісцидину. Їхній амінокислотний склад, амфіпатичність, катіонний заряд і розмір дозволяють їм прикріплюватися до подвійних шарів мембрани та вмонтовуватися в них, утворюючи пори за допомогою механізмів «бочка-ствол», «килим» або «тороїдальна пора». Крім того, вони можуть проникати в клітину, щоб зв’язувати внутрішньоклітинні молекули, які є вирішальними для життя клітини. Моделі внутрішньоклітинного зв’язування включають інгібування синтезу клітинної стінки, зміну цитоплазматичної мембрани, активацію аутолізину, інгібування синтезу ДНК, РНК і білка, а також інгібування певних ферментів. Однак у багатьох випадках точний механізм убивства бактерій залишається невідомим. Одним із нових методів дослідження таких механізмів є подвійна поляризаційна інтерферометрія. На відміну від багатьох звичайних антибіотиків, ці пептиди є бактерицидними, а не бактеріостатичними. Загалом, антимікробну активність цих пептидів визначають шляхом вимірювання мінімальної інгібуючої концентрації, яка є найнижчою концентрацією препарату, що пригнічує ріст бактерій.
Антимікробні пептиди можуть мати різні види активності, зокрема проти грампозитивних та грамнегативних бактерій, грибків, вірусів, паразитів, а також мати протиракову дію. Функціональний аналіз цих пептидів показав, що серед основних їхніх властивостей саме амфіпатичність і заряд найкраще відрізняють пептиди з активністю проти грамнегативних бактерій і без такої. Для активності проти грамнегативних бактерій потрібні сильна амфіпатичність та позитивний заряд.
Імуномодуляція Було показано, що окрім безпосереднього знищення бактерій антимікробні пептиди мають низку імуномодулюючих функцій, які можуть бути залучені до позбавлення організму від інфекції через здатність змінювати експресію генів хазяїна, діяти як хемокіни та/або індукувати вироблення хемокінів, пригнічуючи ліпополісахариди, які були індуковані синтезом прозапальних цитокінів, сприяючи загоєнню ран і модулюючи відповідь дендритних клітин і клітин адаптивної імунної відповіді. Моделі на тваринах показують, що захисні пептиди хазяїна є вирішальними як для запобігання, так і для очищення від інфекції. Схоже, що багато пептидів, спочатку виділених і названих «антимікробними пептидами», як було показано, мають важливіші альтернативні функції in vivo (наприклад, гепсидин). Інший пептид, дускветид, є імуномодулятором, який діє через білок p62, що бере участь у передачі сигналів про інфекцію, і досліджується з метою з'ясувати, чи може він допомогти у відновленні радіаційно-індукованого пошкодження слизової оболонки порожнини рота, яке виникає під час променевої терапії раку голови та шиї.
Механізми дії
Антимікробні пептиди, як правило, мають позитивний заряд, що дозволяє їм взаємодіяти з негативно зарядженими молекулами, які знаходяться на поверхні бактерій і ракових клітин, такими як фосфоліпід фосфатидилсерин, О-глікозильовані муцини, модифіковані гангліозиди та сульфати гепарину. Механізм дії цих пептидів дуже різноманітний, але його можна спростити на дві категорії: мембранолітичні та немембранолітичні антимікробні пептиди. Руйнування мембран мембранолітичними антимікробними пептидами можна описати чотирма моделями:
тороїдальна модель невпорядкована тороїдально-порова модель модель "килима" "бочкова клепкова" модель
Хоча особливості кожного механізму відрізняються, усі припускають розрив мембрани, спричинений пептидами, що призводить до витоку цитоплазми, що в кінцевому підсумку призводить до смерті.
Немембранолітичні антимікробні пептиди можуть також функціонувати як метаболічні інгібітори, безпосередньо взаємодіючи з ДНК, РНК або апаратом синтезу білка, та як інгібітори синтезу клітинної стінки або формування перегородки. Відомо також, що вони спричинюють агрегацію рибосом та делокалізують мембранні білки.
Додатковий рівень складності досліджень полягає в тому, що багато природних антимікробних пептидів мають слабку бактерицидну дію. Як стало відомо, замість того, щоб безпосередньо пригнічувати ріст бактерій, вони діють узгоджено з імунною системою хазяїна за допомогою таких механізмів як індукція хемокінів, вивільнення гістаміну та модуляція ангіогенезу. Ці імуномодулюючі ефекти лише нещодавно почали привертати увагу.
Для визначення механізмів активності антимікробних пептидів було використано кілька методів. Зокрема, твердотільні ЯМР-дослідження дали пояснення розриву мембрани антимікробними пептидами на атомному рівні. В останні роки рентгенівська кристалографія була використана для детального опису того, як сімейство рослинних дефензинів розриває мембрани шляхом ідентифікації ключових фосфоліпідів у клітинних мембранах збудника. Вважається, що людські дефензини діють через подібний механізм, націлюючись на ліпіди клітинної мембрани як частину їхньої функції. Було показано, що бета-дефензин 2 людини вбиває патогенні гриби Candida albicans шляхом взаємодії зі специфічними фосфоліпідами. Комп'ютерне моделювання молекулярної динаміки може пролити світло на молекулярний механізм і специфічні взаємодії пептидів з ліпідами, іонами та розчинником. Методи Застосування Мікроскопія Візуалізувати вплив антимікробних пептидів на мікробні клітини Атомно-емісійна спектроскопія Виявляти втрати внутрішньоклітинного калію (вказівка на те, що цілісність бактеріальної мембрани була порушена) Флуоресцентні барвники Вимірювати здатність антимікробних пептидів робити пори в мембранних везикулах Утворення іонних каналів Оцінювати утворення та стабільність пор, індукованих антимікробними пептидами Круговий дихроїзм і орієнтований круговий дихроїзм Вимірювати орієнтацію та вторинну структуру антимікробного пептиду, зв’язаного з ліпідним бішаром Подвійна поляризаційна інтерферометрія Оцінювати різні механізми дії антимікробних пептидів Твердотільна ЯМР-спектроскопія Вимірювати вторинну структуру, орієнтацію та проникнення антимікробних пептидів у бішари ліпідів у біологічно релевантному рідкокристалічному стані Дифракція нейтронів і рентгенівських променів Вимірювати дифракційні картини індукованих пептидами пор всередині мембран в орієнтованих багатошарових шарах або рідинах Моделювання молекулярної динаміки Вивчати молекулярну поведінку та шукати специфічні пептидно-ліпідні взаємодії Мас-спектрометрія Вимірювати протеомну відповідь мікроорганізмів на антимікробні пептиди
Терапевтичні дослідження та застосування Антимікробні пептиди використовуються як терапевтичні засоби; через короткий період напіввиведення їх використання зазвичай обмежується внутрішньовенним введенням або місцевим застосуванням. Станом на січень 2018 року в клінічному застосуванні були такі антимікробні пептиди:
Бацитрацин, пневмонія, місцево Боцепревір, гепатит С (перорально, циклічний пептид) Ванкоміцин, бактеріальні інфекції, IV Гуаванін 2, бактеріальні інфекції, проти грампозитивних і грамнегативних бактерій. Далбаванцин, бактеріальні інфекції, IV Даптоміцин, бактеріальні інфекції, IV Енфувіртид, ВІЛ, підшкірна ін'єкція Оритаванцин, бактеріальні інфекції, IV Тейкопланін, бактеріальні інфекції, IV Телапревір, гепатит С (перорально, циклічний пептид) Телаванцин, бактеріальні інфекції, IV
Активність за межами антибактеріальних функцій Було виявлено, що антимікробні пептиди виконують також інші функції, ніж знищення бактерій і грибків, наприклад, мають противірусну та протиракові дію, відіграють певну роль у неврології. Це призвело до руху за ребрендинг антимікробних пептидів як «пептидів захисту хазяїна», щоб охопити більш широкий спектр їх діяльності.
Протиракові властивості Деякі цекропіни (наприклад, цекропін A і цекропін B) мають протиракові властивості і називаються протираковими пептидами. Гібридні пептиди на основі цекропіну A були вивчені щодо їхніх протипухлинних властивостей. Дефензин плодової мушки запобігає росту пухлини, ймовірно, завдяки зв’язуванню з пухлинними клітинами через модифікації клітинної мембрани, які є типовими для більшості ракових клітин, наприклад, під впливом фосфатидилсерину.
Дія проти біоплівки