Synthetische giftige antimikrobielle Peptide (AMPs): Der Stachel gegen Antibiotikaresistenz.
Bakterielle Infektionen stellen aufgrund des Auftretens antimikrobieller arzneimittelresistenter Stämme ein erhebliches globales Problem für die öffentliche Gesundheit dar [1]. Sogar hochwirksame Antibiotika, die für die Behandlung von persistierenden, arzneimittelresistenten bakteriellen Infektionen vorgesehen sind, verlieren an Wirksamkeit. Dies zeigt sich im Auftreten von Vancomycin-resistenten Staphylococcus aureus, Methicillin-resistenten Staphylococcus epidermis, Ampicillin-resistenten und Carbapenemase-resistenten Escherichia coli-Stämme [2]. Dies ist zum Teil auf Virulenzfaktoren zurückzuführen, die Bakterien als Überlebensmechanismus gegen Antibiotika und die angeborene wirtsspezifische Immunität entwickelt haben [3]. Während Vorbeugen immer besser ist als Heilen, ist die Entwicklung neuer antibakterieller Wirkstoffe wie synthetischer antimikrobieller Giftpeptide (AMPs) ein positiver Schritt zur Überwindung der Resistenz gegen antimikrobielle Wirkstoffe.
Tiergifte wurden entwickelt, um die Tiere vor Raubtieren zu schützen oder um ihre Beute zu immobilisieren. Gifte enthalten eine heterogene Mischung aus anorganischen Salzen, niedermolekularen organischen Molekülen, Peptiden (2-10 kDa) und Enzymen (> 10 kDa) und kommen häufig bei Anneliden (bärtiger Feuerwurm), Nesseln (Seeanemonen, Quallen und Hydra), Stachelhäutern (Seeigel und Seesterne), Weichtieren (Zapfenschnecken und Kraken), Arthropoden (Spinnen, Ameisen, Tausendfüßler, Bienen, Wespen, Skorpione, Mücken und Zecken) und Wirbeltieren (Fische, Frösche, Kröten, Schlangen, Eidechsen, Vögel und Säugetiere) vor. [4, 5].
AMPs are an important constituent of animal venoms, and are essential mediators of innate immunity in many different organisms [6]. AMPs have been classified according to their source and peptide family, biological activity, peptide characteristics, type of chemical modification, 3-D structure, binding targets and mechanism of action [3]. AMPs exhibit diverse modes of action against many different types of pathogens, including Gram-positive and Gram–negative bacteria. Most AMPs are between 12-100 amino acid residues in length, carry a net positive charge and are amphipathic. They have been further classified into four main groups, based on their structure and composition, namely: alpha-helix peptides, beta-sheet peptides, mixed structure peptides and specific amino acid-rich peptides [2].
AMPs sind ein wichtiger Bestandteil von Tiergiften und wesentliche Vermittler der angeborenen Immunität in vielen verschiedenen Organismen [6]. AMPs wurden nach Quelle und Peptidfamilie, biologischer Aktivität, Peptideigenschaften, Art der chemischen Modifikation, 3-D-Struktur, Bindungszielen und Wirkungsmechanismus klassifiziert [3]. AMPs zeigen verschiedene Wirkmechanismen gegen viele verschiedene Arten von Krankheitserregern, einschließlich grampositiver und gramnegativer Bakterien. Die meisten AMPs sind zwischen 12 und 100 Aminosäurereste lang, tragen eine positive Ladung und sind amphipathisch. Sie wurden aufgrund ihrer Struktur und Zusammensetzung in vier Hauptgruppen eingeteilt: Alpha-Helix-Peptide, Beta-Faltblatt-Peptide, Mischstruktur-Peptide und spezifische aminosäurereiche Peptide [2].
AMPs verändern die Organisation der Zielzellmembran und induzieren Depolarisation durch elektrostatische und hydrophobe Wechselwirkungen mit negativ geladenen Lipiden. Sobald die Zellmembran verletzt ist, können AMPs in die Zelle gelangen, wo sie auf DNA, Enzyme und Zellstrukturen abzielen, die für die Zellwand-, Nukleinsäure- und Proteinbiosynthese erforderlich sind. Allerdings sind nicht alle Krankheitserreger für die Wirkung von AMPs anfällig [7].
Ein Merkmal von von Gift abgeleiteten AMPs ist ihre Tendenz, Hämolyse und Zytotoxizität in kultivierten Säugetierzellen zu verursachen. Infolgedessen sind Gift-AMPs in ihrem nativen Zustand für den Menschen von begrenztem therapeutischem Wert. Die Suche nach synthetischen Analoga von Gift-AMPs hat zu einem neuen Gebiet der „Venomik“ geführt, das genomische, transkriptomische, proteomische, bioinformatische und funktionelle Analysen von Giftpeptiden umfasst. Es hat auch die Bemühungen angeregt, synthetische Derivate nativer AMPs zu entwickeln, die gleichzeitig Zielspezifität und bakterizide Aktivität aufweisen, ohne beim Menschen Hämolyse und Zytotoxizität zu induzieren [6, 8]. Tabelle 1 vergleicht die Aminosäuresequenzen und die mikrobiziden, zytotoxischen und therapeutischen Indizes einiger nativer Skorpion-AMPs und ihrer synthetischen Analoga, die für klinische Studien in Betracht gezogen werden.
Tabelle 1 - Native und Engineered AMPs. Aus dem Skorpion Urodacus yaschenkoi wurden native AMPs isoliert. Alle AMPs waren C-terminal amidiert. Daten gemittelt aus mindestens 3 unabhängigen Experimenten (n> 3);
MIC: Antimikrobielle Aktivität; EC50: Das AMP concn, das die Lebensfähigkeit der Zellen in der Baby-Hamster-Nieren-Zelllinie BHK-21 um 50% verringert; HC50: Die AMP-Konzentration verursacht 50% Hämolyse in Schweineerythrozyten. n.c. (100): bei 100 uM nicht konvergierend; Spalte 3: hinzugefügte oder substituierte Aminosäurereste sind fett gedruckt; Spalte 5: Der Bindestrich (-) zeigt vermutlich an, dass der Wert über dem Erfassungsschwellenwert lag [nach Lit. 6].
| AMP | NATIVE or SYNTHETIC | AMP SEQUENCE | MIC | EC50 [μM] | HC50 [μM] | |
| M. luteus[Gram+] | E. coli[Gram-] | |||||
| UyCT3 D1 | N S | ILSAIWSGIKSLF IFGAIWSGIKSLF | 4 4 | 8 8 | 15.37 18.58 | 58.15 48.00 |
| Uy192 D2 | N S | FLSTIWNGIKGLL FLSTIWNGIKSLF | 15 4 | 15 - | 51.95 376.70 | 155.60 24.48 |
| UyCT1 D4 D5 D11 | N S S S | GFWGKLWEGVKNAI GFWGKLWKPVKKAI GFWGKLLEGVKKAI GFWGKLWEGVKNAIKKK | 1 2 8 0.25 | 4 - 15 4 | 17.37 980.00 67.63 17.81 | 142.50 n.c. (100) 1636.00 1110.00 |
| Uy234 D10 | N S | FPFLLSLIPSAISAIKRL FPFLKLSLKIPKSAIKSAIKRL | 2 0.25 | - 8 | 6.29 141.40 | 104.50 1726.00 |
Viele Variablen bestimmen das therapeutische Potenzial von AMPs. Die folgenden Überlegungen sollen das Peptiddesign, die Synthese und die experimentelle Validierung stützen:
1. AMP-Aktivität und Wirkungsmechanismus hängen mit ihrer Aminosäuresequenz, Konzentration, Nettoladung, kinetischen Aktivität, Sekundärstruktur, Hydrophobizität und Bakterienmembranzusammensetzung zusammen.
2. Es ist wichtig, Tests der synthetischen AMP-Bioaktivität zu entwerfen, die bestätigen, ob das Peptid bakteriostatisch oder bakterizid ist.
3. Kleine Unterschiede in der Sequenz können größere Unterschiede in der Bioaktivität bedeuten.
4. Eine Erhöhung der positiven Nettoladung und die Einführung sperriger Seitenketten kann die Spezifität des mikrobiellen Ziels erhöhen.
4. Aminosäuresubstitutionen / -additionen, die zur Erhöhung der mikrobiellen Zielspezifität bestimmt sind, können die hämolytische Aktivität und / oder Zytotoxizität des Menschen verringern oder nicht und umgekehrt.
5. Das Erhöhen der positiven Nettoladungsverteilung von amphipathischen Helices kann die Wirksamkeit von AMPs erhöhen, jedoch nur, wenn die Ladung am Ende des Peptids und nicht in der gesamten Sequenz konzentriert ist.
6. Der hämolytische Effekt von AMPs kann mehr von der Stereochemie der Reste abhängen als von der Art der Substitution (d. H. L- zu D-Substitutionen können eine bessere Strategie zur Verringerung der hämolytischen Aktivität bieten) [2, 6].
Auf diese Weise können mithilfe von Biosyntheseplattformen für Giftstoffe und Proteine synthetische Analoga von Gift-AMPs entwickelt und hergestellt werden, die zielspezifisch sind, eine wirksame bakterizide Aktivität aufweisen und klinisch unbedenklich sind.
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REFERENZEN