Разработанное соединение снижает способность болезнетворных бактерий противостоять иммунной системе человека. Оно не оказывает влияния на полезную микрофлору кишечника, что создает возможности для разработки инновационных подходов в борьбе с антибиотикоустойчивостью.
Проблема устойчивости бактерий к антибиотикам представляет собой значительную угрозу для системы здравоохранения во всем мире. По данным Всемирной организации здравоохранения, около пяти миллионов человек ежегодно погибают от инфекций, вызванных бактериями, устойчивыми к современным лекарственным средствам. Специалисты предупреждают, что к 2050 году данная ситуация может стать основной причиной смертности на планете.
Благодаря антибиотикам удалось существенно уменьшить смертность, вызванную инфекционными заболеваниями. Однако их регулярное и не всегда обоснованное использование спровоцировало развитие бактерий, устойчивых к воздействию лекарств. Антибиотики, как правило, воздействуют на ключевые процессы, необходимые для жизни бактерий, затрагивая широкий круг микроорганизмов. В результате они уничтожают не только патогенные, но и полезные микроорганизмы, составляющие микробиоту человека.
Дисбаланс микрофлоры может спровоцировать дополнительные проблемы со здоровьем. В связи с этим, поиск новых целей для воздействия в бактериальных клетках и создание современных противоинфекционных препаратов является приоритетной задачей для науки и медицины. Одним из многообещающих методов является не уничтожение бактерий, а снижение их способности вызывать заболевание или формировать устойчивость.
Международный консорциум ученых обратил внимание на белок Mfd (Mutation Frequency Decline). Данный белок встречается у многих бактерий, но отсутствует у людей и животных. Mfd способствует тому, чтобы патогенные микроорганизмы могли противостоять иммунной защите организма. Благодаря этому белку возникают случайные мутации, увеличивающие способность бактерий приобретать устойчивость к лекарственным средствам. В связи с этим Mfd представляет собой перспективную цель для разработки новых лекарственных препаратов.
Ученые поставили перед собой цель — обнаружить соединение, способное подавлять активность Mfd. Для этого с использованием компьютерного моделирования был проведен анализ базы данных, содержащей около пяти миллионов молекул, на предмет их способности взаимодействовать с активным центром Mfd – областью, к которой белок присоединяет молекулу АТФ, служащую источником энергии для Mfd. В результате виртуального скрининга было определено 95 многообещающих кандидатов.
Лабораторные исследования выявили, что молекула NM102 демонстрирует наиболее выраженное подавление активности Mfd, снижая ее на 85%. Дополнительные эксперименты подтвердили, что NM102 связывается с АТФ-связывающим участком белка Mfd, конкурируя с АТФ за это взаимодействие. Степень связывания NM102 с Mfd оказалась даже больше, чем у самой АТФ. Установлено, что NM102 проявляет специфическое действие на Mfd, не оказывая влияния на функционирование аналогичных АТФ-зависимых белков человека или белков других бактерий.
Для оценки действенности NM102 были проведены испытания на моделях инфекционных заболеваний, вызванных у гусениц шелкопряда Bombyx eri и мышей. Молекула показала антимикробную активность только в условиях стресса, имитирующего иммунный ответ, например, при воздействии оксида азота NO, который производят иммунные клетки. В отсутствие такого стресса NM102 не влияла на бактерии.
NM102 демонстрировала существенное уменьшение численности патогенных бактерий в пораженных органах, включая Klebsiella pneumoniae и Pseudomonas aeruginosa, включая штаммы, устойчивые к антибиотикам. К примеру, у зараженных гусениц P. aeruginosa, обработка с использованием NM102 привела к уменьшению количества бактерий приблизительно в 300 раз.
Чтобы облегчить введение и улучшить растворимость, молекулу инкапсулировали в биоразлагаемые наночастицы, изготовленные из полимера PLGA. Проведенные тесты на клеточных культурах, полученных из тканей человека, и на животных моделях продемонстрировали отсутствие токсического воздействия на организм.
Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, клинические испытания продемонстрировали три основных эффекта NM102. Прежде всего, молекула не приводит к гибели бактерий, а ослабляет их, делая восприимчивыми к действию иммунной системы организма. Кроме того, она уменьшает концентрацию патогенов, не оказывая негативного воздействия на полезную микрофлору — исследование состава кишечной микробиоты у мышей не выявило существенных изменений после применения NM102.
Во-первых, NM102 препятствует процессу, посредством которого бактерии приобретают устойчивость к препаратам. Исследования показали, что молекула подавляет активность Mfd, что приводит к уменьшению скорости мутаций. В результате снижается частота развития устойчивости бактерий к антибиотикам рифампицину и стрептомицину – в лабораторных условиях она уменьшилась в восемь и два раза соответственно.
NM102 открывает принципиально иной метод борьбы с инфекциями. Вместо уничтожения бактерий предлагается стратегия их «разоружения», которая помогает иммунной системе справиться с патогеном и одновременно защищает полезные микроорганизмы. Благодаря способности NM102 снижать риск развития лекарственной устойчивости, она представляется особенно многообещающей.
Разработчики уже оформили патент на целевой белок Mfd и саму молекулу. В дальнейшем они намереваются усовершенствовать NM102 и разработать на его основе действенные и безопасные препараты.