Катионные пептиды как перспективные соединения для терапии бактериальных осложнений при атопическом дерматите: оценка антибактериальной активности

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Обоснование. Атопический дерматит в ряде случаев имеет тяжёлое хроническое персистирующее течение, что существенно влияет на качество жизни больных и ограничивает их работоспособность вплоть до инвалидизации. Снижение эффективности антибактериальных препаратов на фоне развития к ним резистентности микроорганизмов осложняет терапию атопического дерматита и актуализирует разработку новых противомикробных средств.

Цель исследования — дизайн, синтез и оценка антибактериальной активности катионных пептидов и водного раствора фуллерена С60 для создания на их основе препаратов с биологической активностью, в том числе противовоспалительной, противоаллергической и антибактериальной.

Материалы и методы. Объектами исследования были разработанные линейные и дендримерные катионные пептиды, структуру которых подтверждали масс-спектрометрией (MALDI-TOF). Водный раствор фуллерена С60 получали по уникальной, разработанной ранее запатентованной технологии. Анализ антибактериальной активности проводили методом диффузии в агар с использованием дисков (скрининг), а также методом последовательных разведений, который использовался для определения минимальной бактерицидной концентрации исследуемых соединений.

Результаты. В рамках проведённых исследований разработано и синтезировано 42 катионных пептида, содержащих от 7 до 25 аминокислот с зарядами от +5 до +16, с молекулярной массой, не превышающей 5000 Да. Скрининг методом диффузии в агар с использованием дисков выявил 15 пептидов, показавших активность в отношении штамма Escherichia coli Dh5α. Методом подсчёта колоний показано, что пептиды АВ-14, АВ-17 и АВ-18 проявляли бактерицидную активность относительно бактериального штамма E. coli Dh5α в концентрациях 0,03, 0,15 и 0,74 ммоль/л соответственно, превышавшую таковую ампициллина (0,74 ммоль/л), который выступал в роли положительного контрольного препарата, в несколько раз. Анализ водного раствора фуллерена С60 не выявил у него наличия антибактериальной активности.

Заключение. Получен ряд катионных пептидов, имеющих в своём составе гидрофобные и положительно заряженные аминокислоты. Наиболее активные пептиды (АВ-14 и АВ-17) имеют протяжённые амфифильные участки с α-спиральной структурой, а их высокая антибактериальная активность обусловливает перспективность дальнейших исследований для разработки на их основе антибактериальных терапевтических средств.

Об авторах

Анастасия Андреевна Галкина

Государственный научный центр «Институт иммунологии»

Email: anastasia.a.galkina@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4521-0813
SPIN-код: 7329-0197
Россия, Москва

Дарья Константиновна Болякина

Государственный научный центр «Институт иммунологии»

Email: bolyakina.dasha@gmail.com
ORCID iD: 0009-0006-2223-1514
Россия, Москва

Анастасия Витальевна Шатилова

Государственный научный центр «Институт иммунологии»

Email: av.timofeeva@nrcii.ru
ORCID iD: 0000-0003-3780-2878
SPIN-код: 1988-1536
Россия, Москва

Артем Андреевич Шатилов

Государственный научный центр «Институт иммунологии»

Email: aa.shatilov@nrcii.ru
ORCID iD: 0000-0002-4675-8074
SPIN-код: 6768-5796
Россия, Москва

Марина Олеговна Бабихина

Государственный научный центр «Институт иммунологии»

Email: mbabihina@gmail.com
ORCID iD: 0009-0000-5935-1647
SPIN-код: 4621-0268
Россия, Москва

Алла Константиновна Голомидова

Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии»

Email: alla_golomidova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9893-0270
SPIN-код: 9954-3759

канд. биол. наук

Россия, Москва

Александра Александровна Никонова

Государственный научный центр «Институт иммунологии»

Email: aa.nikonova@nrcii.ru
ORCID iD: 0000-0001-9610-0935
SPIN-код: 1950-5594

канд. биол. наук

Россия, Москва

Сергей Михайлович Андреев

Государственный научный центр «Институт иммунологии»

Email: andsergej@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8297-579X
SPIN-код: 2542-5260

канд. хим. наук

Россия, Москва

Дмитрий Анатольевич Кудлай

Государственный научный центр «Институт иммунологии»

Email: D624254@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1878-4467
SPIN-код: 4129-7880

д-р мед. наук

Россия, Москва

Надежда Николаевна Шершакова

Государственный научный центр «Институт иммунологии»

Email: nn.shershakova@nrcii.ru
ORCID iD: 0000-0001-6444-6499
SPIN-код: 7555-5925

канд. биол. наук

Россия, Москва

Муса Рахимович Хаитов

Государственный научный центр «Институт иммунологии»; Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова

Автор, ответственный за переписку.
Email: mr.khaitov@nrcii.ru
ORCID iD: 0000-0003-4961-9640
SPIN-код: 3199-9803

д-р мед. наук, профессор, чл.-корр. РАН

Россия, Москва; Москва

Список литературы

  1. Клинические рекомендации «Атопический дерматит». Российское общество дерматовенерологов и косметологов, Российская ассоциация аллергологов и клинических иммунологов, Союз педиатров России, 2020. 81 с.
  2. Wollenberg A., Bsarbarot S., Bieber T., et al. Consensus-based European guidelines for treatment of atopic eczema (atopic dermatitis) in adults and children: Part I // J Eur Acad Dermatol Venereol. 2018. Vol. 32, N 5. P. 657–682. doi: 10.1111/jdv.14891
  3. Capozza K., Gadd H., Kelley K., et al. Insights from caregivers on the impact of pediatric atopic dermatitis on families: "I'm tired, overwhelmed, and feel like i'm failing as a mother" // Dermatitis. 2020. Vol. 31, N 3. P. 223–227. doi: 10.1097/DER.0000000000000582
  4. Ong P.Y., Leung D.Y. Bacterial and viral infections in atopic dermatitis: A comprehensive review // Clin Rev Allergy Immunol. 2016. Vol. 51, N 3. P. 329–337. doi: 10.1007/s12016-016-8548-5
  5. Wang V., Keefer M., Ong P.Y. Antibiotic choice and methicillin-resistant Staphylococcus aureus rate in children hospitalized for atopic dermatitis // Ann Allergy Asthma Immunol. 2019. Vol. 122, N 3. P. 314–317. doi: 10.1016/j.anai.2018.12.001
  6. Sugarman J.L., Hersh A.L., Okamura T., et al. A retrospective review of streptococcal infections in pediatric atopic dermatitis // Pediatr Dermatol. 2011. Vol. 28, N 3. P. 230–234. doi: 10.1111/j.1525-1470.2010.01377.x
  7. Altunbulakli C., Reiger M., Neumann A.U., et al. Relations between epidermal barrier dysregulation and Staphylococcus species-dominated microbiome dysbiosis in patients with atopic dermatitis // J Allergy Clin Immunol. 2018. Vol. 142, N 5. P. 1643–1647. doi: 10.1016/j.jaci.2018.07.005
  8. Baker S. Infectious disease. A return to the pre-antimicrobial era? // Science. 2015. Vol. 347, N 6226. P. 1064–1066. doi: 10.1126/science.aaa2868
  9. Rodríguez-Rojas A., Moreno-Morales J., Mason A.J., Rolff J. Cationic antimicrobial peptides do not change recombination frequency in Escherichia coli // Biol Lett. 2018. Vol. 14, N 3. P. 20180006. doi: 10.1098/rsbl.2018.0006
  10. Prestinaci F., Pezzotti P., Pantosti A. Antimicrobial resistance: A global multifaceted phenomenon // Pathog Glob Health. 2015. Vol. 109, N 7. P. 309–318. doi: 10.1179/2047773215Y.0000000030
  11. Makarova O., Johnston P., Rodriguez-Rojas A., et al. Genomics of experimental adaptation of Staphylococcus aureus to a natural combination of insect antimicrobial peptides // Sci Rep. 2018. Vol. 8, N 1. P. 15359. doi: 10.1038/s41598-018-33593-7
  12. El Shazely B., Yu G., Johnston P.R., Rolff J. Resistance evolution against antimicrobial peptides in Staphylococcus aureus alters pharmacodynamics beyond the MIC // Front Microbiol. 2020. N 11. P. 103. doi: 10.3389/fmicb.2020.00103
  13. Yu G., Baeder D.Y., Regoes R.R., Rolff J. Predicting drug resistance evolution: Insights from antimicrobial peptides and antibiotics // Proc Biol Sci. 2018. Vol. 285, N 1874. P. 20172687. doi: 10.1098/rspb.2017.2687
  14. Hollmann A., Martinez M., Maturana P., et al. Antimicrobial peptides: Interaction with model and biological membranes and synergism with chemical antibiotics // Front Chem. 2018. N 6. P. 204. doi: 10.3389/fchem.2018.00204
  15. Pfalzgraff A., Brandenburg K., Weindl G. Antimicrobial peptides and their therapeutic potential for bacterial skin infections and wounds // Front Pharmacol. 2018. N 9. P. 281. doi: 10.3389/fphar.2018.00281
  16. Joo H.S., Fu C.I., Otto M. Bacterial strategies of resistance to antimicrobial peptides // Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2016. Vol. 371, N 1695. P. 20150292. doi: 10.1098/rstb.2015.0292
  17. Falanga A., Del Genio V., Galdiero S. Peptides and dendrimers: How to combat viral and bacterial infections // Pharmaceutics. 2021. Vol. 13, N 1. P. 101. doi: 10.3390/pharmaceutics13010101
  18. Hoskin D.W., Ramamoorthy A. Studies on anticancer activities of antimicrobial peptides // Biochim Biophys Acta. 2008. Vol. 1778, N 2. P. 357–375. doi: 10.1016/j.bbamem.2007.11.008
  19. Веснина Л.Э., Мамонтова Т.В., Микитюк М.В., и др. Влияние фуллерена С60 на функциональную активность фагоцитарных клеток // Экспериментальная и клиническая фармакология. 2011. Т. 74, № 6. С. 26–29. doi: 10.30906/0869-2092-2011-74-6-26-29
  20. Andreev I., Petrukhina A., Garmanova A., et al. Penetration of fullerene C60 derivatives through biological membranes // Fullerenes, Nanotubes, and Carbon Nanostructures. 2008. Vol. 16, N 2. Р. 89–102. doi: 10.1080/15363830701885831
  21. Shershakova N.N., Andreev S.M., Tomchuk A.A., et al. Wound healing activity of aqueous dispersion of fullerene C60 produced by "green technology" // Nanomedicine. 2022. N 47. Р. 102619. doi: 10.1016/j.nano.2022.102619
  22. Zhai H.J., Zhao Y.F., Li W.L., et al. Observation of an all-boron fullerene // Nat Chem. 2014. Vol. 6, N 8. P. 727–731. doi: 10.1038/nchem.1999
  23. Михеев И.В. Анализ водных дисперсий немодифицированных фуллеренов: Автореф. дис. ... канд. хим. наук: 02.00.02. Место защиты: Моск. гос. ун-т им. М.В. Ломоносова. Москва, 2018. 20 с.
  24. Bunz H., Plankenhorn S., Klein R. Effect of buckminsterfullerenes on cells of the innate and adaptive immune system: An in vitro study with human peripheral blood mononuclear cells // Int J Nanomedicine. 2012. N 7. P. 4571–4580. doi: 10.2147/IJN.S33773
  25. Kim C.H. Immune regulation by microbiome metabolites // Immunology. 2018. Vol. 154, N 2. P. 220–229. doi: 10.1111/imm.12930
  26. Shershakova N., Baraboshkina E., Andreev S., et al. Anti-inflammatory effect of fullerene C60 in a mice model of atopic dermatitis // J Nanobiotechnol. 2016. Vol. 14, N 1. P. 1483–1493. doi: 10.1186/s12951-016-0159-z
  27. Andreev S., Purgina D., Bashkatova E., et al. Study of fullerene aqueous dispersion prepared by novel dialysis method. Simple way to fullerene aqueous solution // Fullerenes Nanotubes Carbon Nanostructur. 2015. Vol. 23, N 9. P. 792–800. doi: 10.1080/1536383X.2014.998758
  28. Gunasekera S., Muhammad T., Strömstedt A.A., et al. Alanine and lysine scans of the LL-37-derived peptide fragment KR-12 reveal key residues for antimicrobial activity // Chembiochem. 2018. Vol. 19, N 9. P. 931–939. doi: 10.1002/cbic.201700599
  29. Cândido E.S., Cardoso M.H., Chan L.Y., et al. Short cationic peptide derived from archaea with dual antibacterial properties and anti-infective potential // ACS Infect Dis. 2019. Vol. 5, N 7. P. 1081–1086. doi: 10.1021/acsinfecdis.9b00073
  30. De Breij A., Riool M., Cordfunke R.A., et al. The antimicrobial peptide SAAP-148 combats drug-resistant bacteria and biofilms // Sci Transl Med. 2018. Vol. 10, N 423. P. eaan4044. doi: 10.1126/scitranslmed.aan4044
  31. Stein T., Vater J., Kruft V., et al. The multiple carrier model of nonribosomal peptide biosynthesis at modular multienzymatic templates // J Biol Chem. 1996. Vol. 271, N 26. P. 15428–15435. doi: 10.1074/jbc.271.26.15428
  32. Huang Y., Huang J., Chen Y. Alpha-helical cationic antimicrobial peptides: Relationships of structure and function // Protein Cell. 2010. Vol. 1, N 2. P. 143–152. doi: 10.1007/s13238-010-0004-3
  33. Mahlapuu M., Håkansson J., Ringstad L., Björn C. Antimicrobial peptides: An emerging category of therapeutic agents // Front Cell Infect Microbiol. 2016. Vol. 27, N 6. P. 194. doi: 10.3389/fcimb.2016.00194
  34. Dias A.P., da Silva Santos S., da Silva J.V., et al. Dendrimers in the context of nanomedicine // Int J Pharm. 2020. N 573. P. 118814. doi: 10.1016/j.ijpharm.2019.118814
  35. Brahmachary M., Krishnan S.P., Koh J.L., et al. ANTIMIC: А database of antimicrobial sequences // Nucleic Acids Res. 2004. N 32. P. D586–589. doi: 10.1093/nar/gkh032
  36. Lu J., Xu H., Xia J., et al. D- and unnatural amino acid substituted antimicrobial peptides with improved proteolytic resistance and their proteolytic degradation characteristics // Front Microbiol. 2020. N 11. P. 563030. doi: 10.3389/fmicb.2020.563030
  37. Jia F., Wang J., Peng J., et al. D-amino acid substitution enhances the stability of antimicrobial peptide polybia-CP // Acta Biochim Biophys Sin (Shanghai). 2017. Vol. 49, N 10. P. 916–925. doi: 10.1093/abbs/gmx091
  38. Moiola M., Memeo M.G., Quadrelli P. Stapled peptides-a useful improvement for peptide-based drugs // Molecules. 2019 Vol. 24, N 20. P. 3654. doi: 10.3390/molecules24203654
  39. Migoń D., Neubauer D., Kamysz W. Hydrocarbon stapled antimicrobial peptides // Protein J. 2018. Vol. 37, N 1. P. 2–12. doi: 10.1007/s10930-018-9755-0
  40. Verdine G.L., Hilinski G.J. Stapled peptides for intracellular drug targets // Methods Enzymol. 2012. N 503. P. 3–33. doi: 10.1016/B978-0-12-396962-0.00001-X
  41. Gan B.H., Gaynord J., Rowe S.M., et al. The multifaceted nature of antimicrobial peptides: Current synthetic chemistry approaches and future directions // Chem Soc Rev. 2021. Vol. 50, N 13. P. 7820–7880. doi: 10.1039/d0cs00729c
  42. Park C.B., Yi K.S., Matsuzaki K., et al. Structure-activity analysis of buforin II, a histone H2A-derived antimicrobial peptide: The proline hinge is responsible for the cell-penetrating ability of buforin II // Proc Natl Acad Sci USA. 2000. Vol. 97, N 15. P. 8245–8250. doi: 10.1073/pnas.150518097
  43. Li D., Yang Y., Li R., et al. N-terminal acetylation of antimicrobial peptide L163 improves its stability against protease degradation // J Pept Sci. 2021. Vol. 27, N 9. P. e3337. doi: 10.1002/psc.3337
  44. Vineeth Kumar T., Asha R., George S. Identification and functional characterisation of Esculentin-2 HYba peptides and their C-terminally amidated analogs from the skin secretion of an endemic frog // Nat Prod Res. 2021. Vol. 35, N 8. P. 1262–1266. doi: 10.1080/14786419.2019.1644636
  45. Hirano M., Saito C., Yokoo H., et al. Development of antimicrobial stapled peptides based on magainin 2 sequence // Molecules. 2021. Vol. 26, N 2. P. 444. doi: 10.3390/molecules26020444
  46. Nguyen H.L., Trujillo-Paez J.V., Umehara Y., et al. Role of antimicrobial peptides in skin barrier repair in individuals with atopic dermatitis // Int J Mol Sci. 2020. Vol. 21, N 20. P. 7607. doi: 10.3390/ijms21207607
  47. Sroka-Tomaszewska J., Trzeciak M. Molecular mechanisms of atopic dermatitis pathogenesis // Int J Mol Sci. 2021. Vol. 22, N 8. P. 4130. doi: 10.3390/ijms22084130
  48. Leung D.I. Staphylococcus aureus in atopic dermatitis // Reitamo S., Luger T.A., Steinhoff M., eds. Textbook of atopic dermatitis. London: Informa Healthcare, 2008. P. 59–68.
  49. Lin Y.T., Wang C.T., Chiang B.L. Role of bacterial pathogens in atopic dermatitis // Clin Rev Allergy Immunol. 2007. Vol. 33, N 3. P. 167–177. doi: 10.1007/s12016-007-0044-5
  50. Byrd A.L., Deming C., Cassidy S.K., et al. Staphylococcus aureus and Staphylococcus epidermidis strain diversity underlying pediatric atopic dermatitis // Sci Transl Med. 2017. Vol. 9, N 397. P. eaal4651. doi: 10.1126/scitranslmed.aal4651
  51. Chng K.R., Tay A.S., Li C., et al. Whole metagenome profiling reveals skin microbiome-dependent susceptibility to atopic dermatitis flare // Nat Microbiol. 2016. Vol. 1, N 9. P. 16106. doi: 10.1038/nmicrobiol.2016.106
  52. Hanski I., von Hertzen L., Fyhrquist N., et al. Environmental biodiversity, human microbiota, and allergy are interrelated // Proc Natl Acad Sci USA. 2012. Vol. 109, N 21. P. 8334–8339. doi: 10.1073/pnas.1205624109
  53. Grice K., Sattar H., Baker H., Sharratt M. The relationship of transepidermal water loss to skin temperature in psoriasis and eczema // J Invest Dermatol. 1975. Vol. 64, N 5. P. 313–315. doi: 10.1111/1523-1747.ep12512258
  54. Ong P.Y., Ohtake T., Brandt C., et al. Endogenous antimicrobial peptides and skin infections in atopic dermatitis // N Engl J Med. 2002. Vol. 347, N 15. P. 1151–1160. doi: 10.1056/NEJMoa021481
  55. Gupta R., Gupta N. Quorum sensing, bioluminescence and chemotaxis // Gupta R., Gupta N., eds. Fundamentals of bacterial physiology and metabolism. Springer: Singapore, 2021. P. 633–652.
  56. Kanda N., Hau C., Tada Y., et al. Decreased serum LL-37 and vitamin D3 levels in atopic dermatitis: Relationship between IL-31 and oncostatin M // Allergy. 2012. Vol. 67, N 6. P. 804–812. doi: 10.1111/j.1398-9995.2012.02824.x
  57. Glatz M., Bosshard P.P., Hoetzenecker W., Schmid-Grendelmeier P. The role of Malassezia spp. in atopic dermatitis // J Clin Med. 2015. Vol. 4, N 6. P. 1217–1228. doi: 10.3390/jcm4061217
  58. Roesner L.M., Werfel T. Autoimmunity (or Not) in atopic dermatitis // Front Immunol. 2019. N 10. P. 2128. doi: 10.3389/fimmu.2019.02128
  59. Badloe F.M., de Vriese S., Coolens K., et al. IgE autoantibodies and autoreactive T cells and their role in children and adults with atopic dermatitis // Clin Transl Allergy. 2020. N 10. P. 34. doi: 10.1186/s13601-020-00338-7
  60. Pellefigues C. IgE autoreactivity in atopic dermatitis: Paving the road for autoimmune diseases? // Antibodies (Basel). 2020. Vol. 9, N 3. P. 47. doi: 10.3390/antib9030047.38
  61. Machado M., Silva S., Costa E.M. Are antimicrobial peptides a 21st-century solution for atopic dermatitis? // Int J Mol Sci. 2023. Vol. 24, N 17. P. 13460. doi: 10.3390/ijms241713460

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Интенсивность роста колоний E. coli Dh5α под воздействием пептида AB-18.

Скачать (298KB)
3. Рис. 2. Интенсивность роста колоний E. coli Dh5α под воздействием пептида AB-17.

Скачать (294KB)
4. Рис. 3. Интенсивность роста колоний E. coli Dh5α под воздействием пептида AB-14.

Скачать (268KB)

© Фармарус Принт Медиа, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».