«Отравленная стрела» уничтожает бактерии, устойчивые к антибиотикам

Яд сам по себе смертелен — как и стрелы — но их комбинация больше, чем сумма их частей. Оружие, которое одновременно атакует изнутри и снаружи, может уничтожить даже самых сильных противников, от E.coli до MRSA (Staphylococcus aureus, устойчивый к метициллину).

Команда исследователей из Принстона сообщила сегодня в журнале Cell, что они обнаружили соединение, SCH-79797, которое может одновременно прокалывать стенки бактерий и разрушать фолат в своих клетках, при этом будучи невосприимчивым к устойчивости к антибиотикам.

Бактериальные инфекции бывают двух видов — грамположительные и грамотрицательные — названы в честь ученого, который обнаружил, как их отличить. Ключевое отличие состоит в том, что грамотрицательные бактерии защищены внешним слоем, который избавляет от большинства антибиотиков. На самом деле, за последние 30 лет на рынке не появилось новых классов препаратов, которые убивали грамотрицательные вещества.

«Это первый антибиотик, который может воздействовать на грамположительные и грамотрицательные вещества без сопротивления», — сказал Земер Гитай, профессор биологии Эдвина Гранта Конклина из Принстона и старший автор статьи. «С точки зрения« Почему это полезно », в этом суть. Но мы, ученые, больше всего взволнованы тем, как работает этот антибиотик — атакуя с помощью двух разных механизмов в одной молекуле — что мы являемся надежды можно обобщить, что приведет к появлению лучших антибиотиков — и новых типов антибиотиков — в будущем ».

Самая большая слабость антибиотиков заключается в том, что бактерии быстро развиваются, чтобы противостоять им, но команда Принстона обнаружила, что даже при чрезвычайных усилиях они не смогли создать какую-либо устойчивость к этому соединению. «Это действительно многообещающе, поэтому мы называем производные соединения« Иррезистин », — сказал Гитай.

Это священный грааль исследований антибиотиков: антибиотик, который эффективен против болезней и невосприимчив к устойчивости, но при этом безопасен для людей (в отличие от спирта или отбеливателя, которые неотразимо смертельны для человеческих и бактериальных клеток).

Для исследователя антибиотиков это все равно, что открывать формулу для преобразования свинца в золото или ездить на единороге — то, чего все хотят, но никто не верит, что существует, сказал Джеймс Мартин, доктор философии 2019 года. выпускник, который провел большую часть своей выпускной карьеры, работая над этим соединением. «Моим первым испытанием было убедить лабораторию, что это правда», — сказал он.

Но неотразимость — это обоюдоострый меч. Типичное исследование антибиотиков включает в себя поиск молекулы, способной убивать бактерии, размножение нескольких поколений, пока у бактерий не развивается устойчивость к ней, наблюдение за тем, как именно действует эта устойчивость, и использование этого для обратного инжиниринга работы молекулы в первую очередь.

Но поскольку SCH-79797 неотразим, исследователям было нечего реконструировать.

«Это был настоящий технический подвиг», — сказал Гитай. «Никакое сопротивление не является плюсом со стороны использования, но является проблемой с научной стороны».

Исследовательская группа столкнулась с двумя огромными техническими проблемами: пытаясь доказать, что минус — что ничто не может противостоять SCH-79797, — а затем выяснить, как работает соединение.

Чтобы доказать свою устойчивость к устойчивости, Мартин попробовал бесконечные различные анализы и методы, ни один из которых не выявил частичку устойчивости к соединению SCH. Наконец, он попробовал грубую силу: в течение 25 дней он «последовательно проходил» его, что означало, что он снова и снова подвергал бактерии воздействию препарата. Так как бактерии тратят около 20 минут на поколение, микробы имели миллионы шансов развить резистентность — но они этого не сделали. Чтобы проверить их методы, команда также серийно перенесла другие антибиотики (новобиоцин, триметоприм, низин и гентамицин) и быстро выявила устойчивость к ним.

Доказательство отрицания технически невозможно, поэтому исследователи используют такие фразы, как «необнаружимо низкие частоты сопротивления» и «не обнаруживаемое сопротивление», но в результате SCH-79797 является неотразимым — отсюда и название, которое они дали своим производным соединениям, Irresistin. ,

Они также пытались использовать его против видов бактерий, которые известны своей устойчивостью к антибиотикам, включая Neisseria gonorrhoeae , которая входит в топ-5 списка неотложных угроз, опубликованных Центром по контролю и профилактике заболеваний.

«Гонорея представляет собой огромную проблему в отношении множественной лекарственной устойчивости», — сказал Гитай. «У нас закончились лекарства от гонореи. При большинстве распространенных инфекций дженерики старой школы все еще работают. Когда два года назад у меня появилась фарингит, мне дали пенициллин-G — пенициллин, обнаруженный в 1928 году! Но для N. gonorrhoeae , стандартные штаммы, которые циркулируют в кампусах колледжа, обладают суперрезистентностью к лекарствам. То, что раньше было последней линией защиты, лекарством от осколков в случае чрезвычайной ситуации для Neisseria, теперь является передовой стандарт заботы, и на самом деле больше нет резервной копии разбитого стекла. Вот почему эта особенно важная и захватывающая, которую мы могли бы вылечить «.

Исследователи даже получили образец наиболее устойчивого штамма N. gonorrhoeae из хранилищ Всемирной организации здравоохранения — штамма, который устойчив ко всем известным антибиотикам, — и «Джо показал, что наш парень все еще убил этот штамм», Gitai сказал, ссылаясь на Джозефа Шихана, соавтора статьи и руководителя лаборатории Gitai Lab. «Мы очень рады этому».

Ядовитая стрела

Без сопротивления реинженерам, исследователи потратили годы, пытаясь определить, как молекула убивает бактерии, используя огромное количество подходов, от классических методов, которые использовались с момента открытия пенициллина, до передовых технологий.

Мартин назвал это подходом «все, кроме кухонной раковины», и в конечном итоге выяснилось, что SCH-79797 использует два различных механизма в одной молекуле, как стрела, покрытая ядом.

«Стрела должна быть острой, чтобы проникнуть в яд, но яд должен убивать и сам по себе», — сказал Бенджамин Браттон, научный сотрудник в области молекулярной биологии и лектор Института интегративной геномики им. Льюиса Сиглера, который другой соавтор

Стрелка нацелена на внешнюю мембрану — пронизывающую даже сквозь толстую броню грамотрицательных бактерий — в то время как яд разрушает фолат, фундаментальный строительный блок РНК и ДНК. Исследователи были удивлены, обнаружив, что эти два механизма работают синергетически, объединяя в себе больше, чем сумму их частей.

«Если вы просто возьмете эти две половинки — есть коммерчески доступные препараты, которые могут атаковать любой из этих двух путей — и вы просто выбросите их в один и тот же горшок, который не убивает так же эффективно, как наша молекула, к которой они присоединились. вместе на одном теле «, сказал Браттон.

Была одна проблема: оригинальный SCH-79797 убивал клетки человека и бактериальные клетки примерно на одинаковом уровне, а это означало, что в качестве лекарства он рискует убить пациента до того, как убьет инфекцию. Производное Irresistin-16 исправило это. Он почти в 1000 раз сильнее бактерий, чем клетки человека, что делает его многообещающим антибиотиком. В качестве окончательного подтверждения, исследователи продемонстрировали, что они могут использовать Irresistin-16 для лечения мышей, инфицированных N. gonorrhoeae .

Новая надежда

Эта парадигма отравленной стрелы может революционизировать разработку антибиотиков, сказал К.С. Хуанг, профессор биоинженерии, микробиологии и иммунологии в Стэнфордском университете, который не принимал участия в этом исследовании.

«То, что нельзя переоценить, заключается в том, что исследования антибиотиков зашли в тупик в течение многих десятилетий», — сказал Хуан. «Редко можно найти научную область, которая так хорошо изучена, и все же так нуждается в толчке новой энергии».

Отравленная стрела, синергия между двумя механизмами нападения на бактерии, «может обеспечить именно это», сказал Хуан, который был докторантом в Принстоне с 2004 по 2008 год. «Это соединение уже само по себе так полезно, но и люди могут начать разработку новых составов, которые вдохновлены этим. Именно это сделало эту работу такой захватывающей ».

В частности, каждый из двух механизмов — стрелка и яд — нацелены на процессы, которые присутствуют как в бактериях, так и в клетках млекопитающих. Фолат жизненно важен для млекопитающих (именно поэтому беременным женщинам предписывается принимать фолиевую кислоту), и, конечно, и у бактерий, и у клеток млекопитающих есть мембраны. «Это дает нам большую надежду, потому что есть целый класс целей, которыми люди в основном пренебрегали, потому что они думали:« О, я не могу нацеливаться на это, потому что тогда я бы просто убил человека », — сказал Гитай. ,

«Подобное исследование говорит о том, что мы можем вернуться и вернуться к тому, что, как мы думали, были ограничениями в разработке новых антибиотиков», — сказал Хуан. «С социальной точки зрения, фантастически иметь новую надежду на будущее».

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Принстонским университетом . Оригинал написан Лиз Фуллер-Райт. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Джеймс К. Мартин, Джозеф П. Шихан, Бенджамин П. Браттон, Габриэль М. Мур, Андре Матеус, София Син-Юнг Ли, Хан Ким, Джошуа Д. Рабиновиц, Афанасиос Типас, Михаил М. Савицкий, Максвелл З. Уилсон, Земер Гитай. Двойной антибиотик убивает грамотрицательные бактерии и предотвращает лекарственную устойчивость . Cell , 2020; DOI: 10.1016 / j.cell.2020.05.005