Созданное соединение лишает болезнетворные бактерии защиты от иммунитета человека. При этом оно не затрагивает полезные микроорганизмы кишечника, открывая путь к новым методам борьбы с устойчивостью к антибиотикам.
Устойчивость бактерий к антибиотикам — серьезная проблема здравоохранения во всем мире. По оценкам Всемирной организации здравоохранения, ежегодно примерно пять миллионов человек умирают из-за инфекций, вызванных бактериями, которые не поддаются лечению существующими препаратами. Эксперты опасаются, что к 2050 году эта проблема может стать главной причиной смертей на планете.
Антибиотики значительно снизили смертность от инфекционных болезней, но их частое и не всегда оправданное применение привело к появлению устойчивых бактерий. К тому же антибиотики обычно действуют на жизненно важные процессы бактерий широкого спектра. Из-за этого они уничтожают не только вредные, но и полезные микроорганизмы, которые составляют микробиоту человека.
Это нарушает баланс микрофлоры и может привести к другим проблемам со здоровьем. Поэтому поиск новых мишеней в бактериальных клетках и разработка инновационных противоинфекционных средств — приоритетная научная и медицинская задача. Один из перспективных подходов — не убивать бактерии напрямую, а лишать их способности вызывать болезнь или приобретать устойчивость.
Международный консорциум ученых сосредоточился на белке Mfd (Mutation Frequency Decline). Он присутствует у многих бактерий, но отсутствует у человека и животных. Mfd помогает патогенам противостоять иммунной системе хозяина. Из-за этого белка могут появляться случайные мутации, которые повышают способность бактерий развивать устойчивость к лекарствам. Это делает Mfd привлекательной мишенью для новых препаратов.
Исследователи поставили задачу найти вещество, которое блокирует Mfd. С помощью компьютерного моделирования они проанализировали библиотеку почти из пяти миллионов молекул на способность связываться с активным центром Mfd — участком, где к белку присоединяется молекула АТФ, источник энергии для Mfd. Виртуальный скрининг выявил 95 перспективных кандидатов.
Последующие лабораторные тесты показали, что одна молекула, названная NM102, наиболее эффективно подавляет активность Mfd — на 85%. Дальнейшие эксперименты подтвердили, что NM102 соединяется именно с АТФ-связывающим участком белка Mfd и конкурирует с АТФ за это место. Сродство NM102 к Mfd оказалось даже выше, чем у самой АТФ. Проверка показала, что NM102 специфично действует на Mfd и не влияет на работу схожих АТФ-зависимых белков человека или других бактериальных белков.
Эффективность NM102 проверили на моделях инфекций 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 значительно снижала в инфицированных органах количество патогенных бактерий, таких как Klebsiella pneumoniae и Pseudomonas aeruginosa, включая штаммы, устойчивые к антибиотикам. Например, у гусениц, зараженных P. aeruginosa, обработка NM102 снизила бактериальную нагрузку примерно в 300 раз.
Для удобства введения и повышения растворимости молекулу заключили в биоразлагаемые наночастицы из полимера PLGA. Дополнительные тесты на культурах клеток человека и на животных моделях показали отсутствие токсичности для организма хозяина.
Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, показали три ключевых эффекта NM102. Во-первых, молекула не убивает бактерии напрямую, а делает их уязвимыми для иммунной системы хозяина. Во-вторых, она снижает количество патогенов в организме, не нанося вреда полезной микробиоте — анализ состава кишечной микробиоты мышей не выявил значимых изменений после введения NM102.
В-третьих, NM102 блокирует механизм, который помогает бактериям вырабатывать устойчивость к лекарствам. Молекула подавляла способность Mfd ускорять мутации, снижая частоту возникновения устойчивости бактерий к антибиотикам рифампицину и стрептомицину в лабораторных условиях в восемь и два раза соответственно.
Открытие NM102 представляет собой новый подход к борьбе с инфекциями. Вместо прямого уничтожения бактерий предлагается стратегия их «разоружения», которая одновременно помогает иммунной системе справиться с патогеном и защищает полезную микробиоту. Способность NM102 снижать вероятность развития лекарственной устойчивости делает ее особенно перспективной.
Ученые уже запатентовали мишень — белок Mfd — и саму молекулу. Далее планируют оптимизировать NM102 и создать эффективные и безопасные лекарства на ее основе.