Нові антибіотики: механізми дії та резистентності

Розвиток резистентності мікроорганізмів призводить до зниження ефективності антибактеріальних препаратів та викликає серйозне занепокоєння при лікуванні пацієнтів з інфекційними захворюваннями. В останні роки пропонуються різні стратегії для вирішення цієї проблеми. Однією з них є створення комбінації інших речовин, які мають потенційні антибактеріальні властивості, з неефективними антибіотиками. Усе це приводить до виявлення інноваційних терапевтичних підходів.

16 липня 2019 р. вчені-фармацевти з Ірану в журналі «Antimicrobial Resistance & Infection Control» опублікували огляд літератури щодо взаємозв’язку між структурою рослинних речовин та їх можливими механізмами дії.

Механізми антибактеріальної дії

Антибактеріальна дія препарату в основному пояснюється двома механізмами: хімічне втручання в синтез або функцію життєво важливих компонентів бактерій та/чи уникнення звичайних механізмів антибактеріальної резистентності.

Існує кілька мішеней для антибактеріальних препаратів:

1. Біосинтез білка бактерії

Велика кількість стадій охоплюють ініціацію, елонгацію і термінацію синтезу білка бактеріальною рибосомою. Тому інгібування біосинтезу білка, впливаючи на рибосомні субодиниці, є ефективним підходом для боротьби з бактеріальними інфекціями. Важливі класи антибіотиків, такі як макроліди, тетрацикліни, аміноглікозиди та оксазолідинони, демонструють антибактеріальну дію завдяки цьому конкретному механізму.

2. Біосинтез клітинної стінки бактерій

Шар бактеріальної клітинної стінки складається з ланцюгів пептидів та гліканів, що ковалентно зшиті один з одним і можуть забезпечити вищу механічну міцність для запобігання осмотичному лізису. Трансглікозилаза і транспептидаза — обидва ферменти — відіграють вирішальну роль у формуванні цього шару та є мішенями для бактерицидних антибіотиків, включаючи пеніциліни та цефало­спорини. Також виявлено, що такі глікопептидні антибіотики, як ванкоміцин, спрямовані на пептидоглікановий шар клітинної стінки та здатні зв’язати пептидний субстрат шару і, таким чином, запобігти виникненню реакції з ферментами.

Філаментний температурно-чутливий мутант Z (Filamenting temperature-sensitive mutant Z) — перший білок, який переміщається до місця поділу клітини. Цей білок необхідний для набору інших білків, що надалі виробляють нову клітинну стінку між поділами бактеріальних клітин. Досі одним із перспективних підходів до боротьби з бактеріальними інфекціями є процедура націлювання на інгібування поділу бактеріальних клітин, яка здійснюється шляхом контролю функціонування філаментного температурно-чутливого мутанта Z.

3. Інгібування синтезу нуклеїнових кислот

ДНК-гіраза відома як фермент, який відповідає за суперскручення та розмотування ДНК і реплікацію ДНК. Цей фермент необхідний для синтезу, реплікації, репарації та транскрипції, отже гіразу можна розглядати як прекрасну мішень для антибактеріальних речовин, включаючи налідиксову кислоту, а також фторхінолони, такі як ципрофлоксацин.

4. Руйнування бактеріальної мембрани

Різні антибіотики, такі як поліміксини, можуть зв’язуватися з ліпід А-компонентом ліпополісахариду і викликати структурні зміни за допомогою фосфоліпідної заміни, що може призвести до осмотичного дисбалансу та в подальшому — до швидкої загибелі бактерій. Деструкція бактеріальних клітинних мембран відбувається також під дією місцевих анестетиків, дезінфікуючих засобів. Руйнування зовнішньої мембрани, цитоплазматичної мембрани та порушення енергетичного обміну речовин може призвести до зниження проникності, витікання внутрішньоклітинних компонентів і коагуляції цитоплазми.

Механізми резистентності до антибактеріальних засобів

Деякі мікроорганізми є історично стійкими до одного або декількох класів антимікробних засобів. У цих випадках усі штами цього бактеріального виду мають резистентність до всіх представників одного антибактеріального класу. Основне занепокоєння полягає в тому, що бактеріальні популяції, які були спочатку сприйнятливі, згодом стають стійкими до антибіотиків. Резистентність до антибактеріальних засобів може бути пов’язана з одним або різними механізмами:

1. Ефлюксні насоси

Антибактеріальний засіб може бути ефективним після досягнення ним конкретного місця дії у клітині та накопичення в певній концентрації. Ефлюксні насоси виконують функцію експорту та викликають розвиток резистентності до антибіотиків широкого спектра дії, тому що під час цього механізму антибактеріальний засіб експортується швидше, ніж відбувається його дифузія в бактеріальні клітини та внутрішньобактеріальна концентрація не досягає ефективного значення.

2. Структурна модифікація поринів

Внутрішньоклітинний доступ антибіотика може бути обмежений зменшенням інфлюксу — транспорту речовин усередину клітини. Інфлюкс в основному контролюється поринами — білками, здатними утворювати наповнені водою відкриті канали в ліпідному бішарі мембрани, через які відбувається пасивний транспорт молекул. Варіація структури порину призводить до зміни мембранної проникності й витікання антибактеріальних засобів. Це часто трапляється у грамнегативних бактеріях, таких як Acinetobacter spp. та Pseudomonas spp.

3. Інактивація антибактеріальних засобів

Інактивація антибактеріальних засобів — це хімічний розпад антибіотиків, при якому також змінюється хімічна формула. Наявність гідролітичного ферменту β-лактамази призводить до розпаду β-лактамного кільця пеніцилінів, цефалоспоринів та карбапенемів. Кожна молекула ферменту здатна гідролізувати 1000 молекул антибіотика за секунду, тому при секреції 100 тис. ферментів резистентною бактерією 100 млн молекул антибактеріального засобу руйнується щосекунди, що призводить до повної неефективності лікарського засобу.

4. Модифікація антибіотиків

Представники класу аміноглікозидів дезактивуються шляхом модифікації функціональних груп на трьох ділянках, використовуючи три ферменти. Ці модифіковані речовини виявляють значно нижчу спорідненість до РНК і, оскільки вони не здатні зв’язуватися з рибосомами, спричиняють блокування синтезу білка і тим самим запобігають інгібуючій дії антибіотиків.

5. Змінена мішень

Зміна центра зв’язування лікарського засобу може також розглядатися як механізм резистентності. Якщо місце впливу антибактеріального засобу побудоване певною формою, з якою лікарський засіб уже не здатний реагувати, це призведе до різкого зниження антибактеріальної активності. Цей механізм резистентності трапляється у штамів Staphylococcus aureus.

Сполуки рослинного походження

Синтетичні антибактеріальні засоби схвалені в багатьох країнах, проте застосування природних лікарських речовин, отриманих з мікробів, тварин або рослин привертає увагу багатьох дослідників. Враховуючи хімічну структуру їх можна класифікувати на кілька основних груп: алкалоїди, сіркоорганічні сполуки, терпеноїди та поліфеноли.

Алкалоїди

Алкалоїди — це гетероциклічні сполуки, які містять азот і мають надзвичайно мінливу хімічну структуру. Антибактеріальна властивість алкалоїдів уже доведена. Більшість із них діють завдяки інгібуванню ефлюксних насосів. Нижче представлені найважливіші алкалоїди, їх рослинна сировина, мінімальна інгібуюча концентрація (МІК), механізм дії, також зазначені досліджені комбінації з антибіотиками та названі збудники, проти яких вони мають антибактеріальну дію (табл. 1).

Скваламін — природна стероїдно-поліамінова сполука, уперше виділена з чорної собачої акули. Скваламін руйнує бактеріальні мембрани та впливає на їх проникність. У грамнегативних бактеріях цей алкалоїд взаємодіє з негативно зарядженими фосфатними групами в бактеріальній зовнішній мембрані. У грампозитивних бактеріях викликає деполяризацію цитоплазматичної мембрани, що призводить до витікання цитоплазматичного вмісту та загибелі бактерії.

Сіркоорганічні сполуки

Виявлено, що рослини з високою концентрацією полісульфідів здатні проявляти широкий спектр антимікробної дії, а також володіють протигрибковими властивостями. Сіркоорганічні сполуки, такі як аліцин, аджоен, діалкенін та діалкілсульфіди, S-аліцистеїн та S-алі меркапто цистеїн, а також ізотіоціанати (ІТЦ) мають антибактеріальну дію проти грампозитивних та грамнегативних бактерій.

Аліцин — відомий діаліл тіосульфінат — отримується з Allium sativum. Антибактеріальна дія спостерігається щодо широкого спектра бактерій, таких як Staphylococcus epidermidis, Streptococcus agalactiae, MRSA та мікроорганізмів, що викликають періодонтит. Дослідження підтвердило, що аліцин може посилювати антибактеріальну активність деяких антибіотиків, включаючи цефоперазон, тобраміцин, ципрофлоксацин проти Pseudomonas aeruginosa. Механізм дії аліцину зумовлений інгібуванням сульфгідрилзалежних ферментів, а також синтезу ДНК та білка.

Аджоен — сіркоорганічна сполука, виявлена в екстрактах часнику, складається із суміші двох основних стереоізомерів: E- та Z-аджоен. Аджоен здатен впливати на грампозитивні, грамнегативні бактерії, гриби та найпростіші, а також має потужнішу противірусну дію порівняно з аліцином.

ІТЦ — леткі сіркоорганічні сполуки, які виявлено в рослинах порядку Capparales та родини Brassicaceae. ІТЦ зумовлюють сильну бактерицидну дію проти Helicobacter pylori шляхом інгібування уреази та зменшення вираженості запального компонента хелікобактерної інфекції.

Сульфорафан — ІТЦ, який виявлено в Diplotaxis harra, має потужну антиканцерогенну та антибактеріальну дію, особливо стосовно Helicobacter pylori. Також ця речовина ефективна проти Staphylococcus aureus та Listeria monocytogenes.

Алільні ІТЦ часто трапляються в рослинах Armoracia rusticana та Eutrema japonicum. Доведено, що вони здійснюють бактеріо­статичну та бактерицидну дії проти Escherichia coli та Staphylococcus aureus. Разом з ефективністю у зниженні МІК еритроміцину проти Streptococcus pyogenes, алільні ІТЦ також показали синергетичний ефект зі стрептоміцином проти Escherichia coli та Pseudomonas aeruginosa. Вчені повідомляють, що алільні ІТЦ можуть викликати інактивацію важливих внутрішньоклітинних ферментів шляхом окисного розщеплення дисульфідних зв’язків та утворення отворів на клітинній мембрані, які призводять до витікання внутрішньоклітинних речовин.

Бензил ІТЦ виявляють у Alliaria petiolata. Вони мають ліпофільні та електрофільні властивості, можуть проникати через зовнішню мембрану та порушувати здатність бактерій підтримувати цілісність мембрани. Бензил ІТЦ має бактерицидну дію проти MRSA.

Фенетилізотіоціанат — інший тип ІТЦ, який можна виділити з Brassica campestris та Brassica rapa, проявляє антимікробну дію щодо грампозитивних бактерій та інгібуючу активність стосовно грамнегативних бактерій. Також вивчені протигрибкові властивості фенетилізотіоціанату проти Alternaria brassicicola, пов’язані з різними факторами, включаючи зниження швидкості споживання кисню, внутрішньоклітинне накопичення активних форм кисню та деполяризацію мембрани мітохондрій.

Похідні фенолу

Похідні фенолу включають широкий спектр біологічно активних природних речовин, які широко використовують у медицині. Ці сполуки відіграють важливу роль у посиленні дії антибіотиків проти стійких патогенів. Зниження активності та інгібування ефлюксних насосів є одними з найбільш значущих механізмів дії фенольних сполук.

Резвератрол відомий як природна фенольна сполука, яка інгібує ефлюксні насоси Mycobacterium smegmatis та Campylobacter jejuni. Байкалеїн — флавон, відокремлений із коренів Thymus vulgaris, Scutellaria baicalensis та Scutellaria lateriflora. Екстракт, отриманий із наземних частин Scutellaria litwinowii, має антиоксиданті та антимікробні властивості. Байкалеїн може також відновити ефективність β-лактамних антибіотиків, тетрацикліну та ципрофлоксацину проти MRSA шляхом інгібування ефлюксних насосів. Крім того, синергічні ефекти спостерігали в результаті комбінації байкалеїну з тетрацикліном проти Escherichia coli. Біоханін А є потужним інгібітором Chlamydia spp., який також показав свою активність проти Mycobacterium smegmatis та MRSA.

Кемпферол — флавоноїд, ефективний проти MRSA та Candida albicans, що резистентна до флуконазолу. Кемпферол рамнозид — природне похідне кемпферолу — може підвищувати антимікробну активність ципрофлоксацину проти штамів Staphylococcus aureus.

Халкони — інша група фенольних сполук, які можуть пригнічувати ефлюксні насоси та підвищувати активність антибіотиків. 4΄,6΄-дигідрокси-3΄,5΄-диметил-2΄-метоксіхалкон виділений з Dalea versicolor зменшує МІК еритроміцину з 0,4 до 0,1 мкг/мл.

Галати катехіну, такі як галат епігалокатехін, становлять ще одну групу похідних фенолу, які забезпечують сильну антимікробну дію проти стійких патогенів, таких як MRSA.

Антимікробна активність природних фенольних сполук не обмежується їх здатністю інгібувати ефлюксні насоси. Декілька похідних фенолу з різними механізмами дії ідентифіковані вже сьогодні. Наприклад, клінічно схвалений антибіотик амінокумарину — новобіо­цин, який інгібує ДНК-гіразу. Але оскільки ці сполуки не були вилучені з рослин, вони не розглядалися в зазначеному огляді.

Поліфеноли зеленого чаю (дубильні речовини), хебулінова кислота, антрахінони є природними фенольними сполуками, які проявляють інгібуючу дію щодо ДНК-гірази. Хебулінова кислота є ще одним таніном, який був спочатку виділений з Terminalia chebula. Віртуальний скринінг показав, що хебулінова кислота може ефективно пригнічувати стійкі до хінолонів мутанти ДНК-гірази Mycobacterium tuberculosis. Майбутні дослідження in vitro повинні бути спрямовані на розкриття значення хебулінової кислоти як інгібітора ДНК-гірази та протитуберкульозного засобу.

Галоемодини — це напівсинтетичні природні похідні антрахінону, які сильно пригнічують ДНК-гіразу в MRSA і резистентному до ванкоміцину Enterococcus faecium.

Нове фенольне з’єднання (3-p-транс-кумароїл-2-гідроксихінінова кислота), виділене з Cedrus deodara, демонструє потужну антибактеріальну активність щодо одинадцяти харчових патогенів. Механізм дії проти Staphylococcus aureus (значення MIК у діапазоні від 2,5 до 10 мг/мл) полягає в пошкодженні цитоплазматичної мембрани, що викликає значну гіперполяризацію мембрани та витікання внутрішньоклітинних компонентів.

Дослідження структурно-функціонального взаємозв’язку щодо впливу флавоноїдів на мембранну взаємодію довело, що антибактеріальна активність флавоноїдів має позитивну кореляцію з їх здатністю укріплювати мембрану Escherichia coli, що свідчить про те, що один із можливих механізмів дії флавоноїдів є зниження плинності мембран.

Фенольні сполуки також можуть взаємодіяти з деякими критично важливими ферментами, які відповідають за виробництво попередників бактеріальної клітинної мембрани, включаючи бета-кетоацил ацилпереносний протеїн синтазу II та III або ферменти, які залучені в цикл подовження біосинтезу жирних кислот. Наприклад, галат епігалокатехін із зеленого чаю може інактивувати бета-кетоацил ацилпереносний протеїн редуктазу в Escherichia coli шляхом ковалентного зв’язування з білком, що призводить до агрегації бета-кетоацил ацилпереносного протеїну редуктази.

Куркумін — відома сполука, яку отримують із куркуми. Недавні дослідження показали, що він має бактерицидну дію шляхом проникнення в бішар мембрани Staphylococcus aureus та Escherichia coli.

Деякі фенольні сполуки можуть напряму взаємодіяти з пептидогліканом та інгібувати біосинтез клітинної стінки, наприклад софорафлаванон проти MRSA з МІК 15,6–31,25 мкг/мл.

Інгібування деяких ферментів, включаючи дигідрофолат редуктазу, уреазу та сортазу, також є механізмом дії деяких фенольних сполук. Інгібування дигідрофолат редуктази було визначено одним із різних механізмів дії галат епігалокатехіну проти Stenotrophomonas maltophilia, та оскільки значення МІК були дуже низькими, вчені припускають, що при проведенні більш клінічних досліджень антибіо­тик триметоприм можна буде замінити на галат епігалокатехін у пацієнтів, які не переносять триметоприм.

Фенольні сполуки продемонстрували різноманітні механізми дії проти різних бактеріальних штамів: інгібування ефлюксних насосів, взаємодія з клітинною мембраною та пригнічення біосинтезу клітинної стінки через інгібування ферментів. Галат епігалокатехін та куркумін — хороші приклади таких сполук, які мають різноманітні механізми дії. Таким чином бактерії не зможуть стати резистентними до лікування.

Кумарини

До сьогодні повідомлялося про декілька властивостей кумаринів, включаючи судинорозширювальні, естрогенні, антикоагулянтні, анальгезивні, протизапальні, седативні та снодійні, гіпотермічні, антигельмінтні, протиракові, антиоксидантні, фотосенсибілізуючі. Антимікробна дія виявляється як у природних, так і у синтетичних похідних кумаринів.

У табл. 2 представлені найважливіші кумарини, їх рослинна сировина, МІК, механізм дії, перелічені збудники, проти яких вони зумовлюють антибактеріальну дію.

Вчений із Великобританії досліджував структурно-функціональний взаємозв’язок трьох сполук зі структурою кумарину: клоробіоцин, новобіоцин і кумерміцин, які походять від різних видів Streptomyces та зумовлюють антибактеріальну дію. Він зробив вис­новок, що в хімічній структурі кожної сполуки є окрема новіозил-цукрова складова, важлива для біологічної активності, не враховуючи частину кумарину. Він також презентував кумарини як потужні інгібітори ДНК-гірази.

Дослідження структурно-функціонального взаємозв’язку кумаринів показало, що як ліпофільні характеристики, так і планарна структура, необхідні для високих антибактеріальних ефектів. Оскільки антимікробна дія кумаринів зумовлена пасивним дифузійним механізмом, ці характеристики можуть сприяти проникненню в клітину, особливо для грампозитивних бактерій. Більше того, вільний 6-ОН та 7-ОН в ядрі кумарину відіграє важливу роль для протигрибкової та антибактеріальної активності відповідно. Також системний аналіз показав, що кумарини з метоксифункцією у С-7, не враховуючи гідроксильну частину в C-6 або C-8, надають антибактеріальну дію проти широкого спектра бактерій. У свою чергу, існування ароматичної диметоксигрупи свідчить про розроблення перспективних лікарських засобів проти Haemophilus influenza, бета-гемолітичного Streptococcus и Streptococcus pneumonia.

Деякі похідні кумаринів також здатні інгібувати ефлюксні насоси у штамі MSRA. Наприклад, епоксид бергамотин та фуранокумарин із Citrus paradisi (грейпфрут) привели до 20-кратного зниження значення MІК норфлоксацину проти MRSA, але не проти MSSA, шляхом пригнічення ефлюксних насосів.

Кумарини здатні зв’язуватися з ізопреновими ланками в рослинних клітинах та утворювати складніші структури. 6-гераніл кумарин та галбанова кислота — терпеноїдні кумарини, які значно інгібують ефлюксні насоси в Staphylococcus aureus. Спостерігалося до 8-кратного зниження МІК ципрофлоксацину при використанні гальбанової кислоти.

Терпени

Терпени, або ізопреноїди — поширені сполуки, які виконують різні функції. Наприклад, беруть участь у первинній структурі клітин (холестерин і стероїди у клітинних мембранах), функціонуванні клітин (ретиналь, каротиноїди). Грампозитивні бактерії більш сприйнятливі до терпенів, ніж грамнегативні. Механізм дії терпенів тісно зв’язаний з їх ліпофільними властивостями. Монотерпени переважно діють на структури мембран, збільшують її рухливість та проникливість, змінюючи топологію білків та порушуючи дихальний ланцюг.

Вчені проводили дослідження інгібуючої дії різних терпенових спиртів із різними аліфатичними вуглеводними ланцюгами. Фарнезол (С12) та неволідол (С10) з мінімальною бактерицидною концентрацією 20 та 40 мг/мл відповідно, виявилися найбільш ефективними сполуками, та довжина вуглеводного ланцюга, який з’єднується з гідроксильною групою, відіграє важливу роль в антибактеріальній активності та повинен бути між С10 та С12, щоб впливати на Staphylococcus aureus.

Одними з важливих терпенів, які можуть використовуватися в інфекційній терапії, є каврон. (4R)-(–)-карвон ефективний проти Campylobacter jejuni, Enterococcus faecium та Escherichia coli, (4S)-(+)-карвон — проти Listeria monocytogenes. Обидва оптичні ізомери активні стосовно різноманітних патогенних грибів. Загалом каврон інгібує перетворення клітинної дріжджової форми Candida albicans у ниткоподібну, яка відповідальна за патогенність гриба.

Іншою протигрибковою сполукою є тимол, який проявляє сильну активність проти Candida albicans, Сandida glabrata та Candida krusei окремо і в комбінації з флуконазолом. МІК тимолу становила 49,37; 51,25 і 70 мкг/мл для штамів Candida albicans, Сandida glabrata та Candida krusei відповідно. Тимол і карвакрол — основні компоненти Thymus capitatus. Тимол і карвакрол запропоновано використовувати, додаючи їх до евгенолу та ментолу, проти різних харчових грибів: Aspergillus niger, Aspergillus fumigatus, Aspergillus flavus, Aspergillus ochraceus, Alternaria alternata, Botrytis cinerea, Cladosporium spp., Penicillium citrinum, Penicillium chrysogenum, Fusarium oxysporum та Rhizopus oryzae. Антибактеріальну дію обох сполук оцінювали стосовно Escherichia coli, Enterobacter aerogenes, Staphylococcus aureus і Pseudomonas aeruginosa. Значення МІК склали 0,005–0,008 мг/мл для тимолу та 0,007–0,008 мг/мл для карвакролу. Під час формування біоплівки Salmonella spp. (Salmonella typhimurium, Salmonella enteritidis, Salmonella saintpaul) обидві речовини знижували кількість бактерій на поверхності поліпропілену.

Іншими відомими терпеноїдами є евгенол та цінамальдегід, які наявні в ефірних оліях декількох рослин та демонструють активність проти широкого спектра патогенних мікроорганізмів. Два біологічно активних з’єднання можуть запобігати зростанню Helicobacter pylori без розвитку резистентності до цих сполук. Згідно з данними евгенол інгібує конструкцію біоплівки, перериває міжклітинний зв’язок, вбиває бактерії в біоплівках для MRSA та MSSA. У дослідженні механізму дії цінамальдегіду проти Escherichia coli та Staphylococcus aureus виявили, що у присутності цінамальдегіду структура бактеріальної мембрани була пошкоджена, мембранний потенціал знизився та метаболічна активність порушилася, що в результаті призвело до інгібування росту бактерій.

Існує багато доказів щодо ефективності лікарських рослин при лікуванні інфекційних хвороб. Вони легкодоступні, дешеві, а також майже не мають побічних ефектів. Деякі з рослинних сполук проявляють власну антибактеріальну дію. Деякі з них неефективні самі по собі, але в комбінації з антибіотиками здатні подолати резистентність у бактерій. Спільне застосування призводить до зниження МІК антибіотиків.

Подібно до спільного введення антибіотиків з іншим механізмом дії, таких як амоксицилін-клавуланат й ізоніазид-рифампіцин-піразинамід-етамбутол комбінації звичайних антибіотиків та природних сполук, що діють на різні місця — мішені бактерії, може бути успішними. Перехід досліджень in vitro в експерименти in vivo та нарешті у клінічні дослідження за участю пацієнтів є основною проб­лемою при розробці нових фітохімічних речовин. Отже необхідно продовжити дослідження для розуміння точного механізму дії, а також фармакодинамічних та фармакокінетичних властивостей сполук.

Долучайтеся до нас у Viber-спільноті, Telegram-каналі, Instagram, на сторінці Facebook, а також Twitter, щоб першими отримувати найсвіжіші та найактуальніші новини зі світу медицини.

• Khameneh B., Iranshahy M., Soheili V., Fazly Bazzaz B.S. (2019) Review on plant antimicrobials: a mechanistic viewpoint. Antimicrob. Resist. Infect. Control., July 16, 8: 118.

Катерина Давіденко