Катионные пептиды как перспективные соединения для терапии бактериальных осложнений при атопическом дерматите: оценка антибактериальной активности
- Авторы: Галкина А.А.1, Болякина Д.К.1, Шатилова А.В.1, Шатилов А.А.1, Бабихина М.О.1, Голомидова А.К.2, Никонова А.А.1, Андреев С.М.1, Кудлай Д.А.1, Шершакова Н.Н.1, Хаитов М.Р.1,3
-
Учреждения:
- Государственный научный центр «Институт иммунологии»
- Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии»
- Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова
- Выпуск: Том 20, № 4 (2023)
- Страницы: 387-401
- Раздел: Оригинальные исследования
- URL: https://journal-vniispk.ru/raj/article/view/253259
- DOI: https://doi.org/10.36691/RJA15038
- ID: 253259
Цитировать
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.
Полный текст
Открыть статью на сайте журналаОб 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, МоскваАлександра 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, МоскваСергей 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, МоскваДмитрий 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, МоскваНадежда 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, МоскваМуса 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; МоскваСписок литературы
- Клинические рекомендации «Атопический дерматит». Российское общество дерматовенерологов и косметологов, Российская ассоциация аллергологов и клинических иммунологов, Союз педиатров России, 2020. 81 с.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- Kim C.H. Immune regulation by microbiome metabolites // Immunology. 2018. Vol. 154, N 2. P. 220–229. doi: 10.1111/imm.12930
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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
- Roesner L.M., Werfel T. Autoimmunity (or Not) in atopic dermatitis // Front Immunol. 2019. N 10. P. 2128. doi: 10.3389/fimmu.2019.02128
- 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
- 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
- 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
