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 кишечной палочки до MRSA (метициллин-устойчивый золотистый стафилококк).
Группа исследователей из Принстона сообщила сегодня в журнале Cell, что они обнаружили соединение SCH-79797, которое может одновременно пробивать бактериальные стенки и разрушать фолиевую кислоту в их клетках, будучи невосприимчивым к антибиотикорезистентности.
Бактериальные инфекции бывают двух видов: грамположительные и грамотрицательные, названные в честь ученого, который обнаружил, как их различать. Ключевое отличие заключается в том, что грамотрицательные бактерии защищены внешним слоем, который игнорирует большинство антибиотиков. Фактически, за последние 30 лет на рынке не появилось ни одного нового класса препаратов для уничтожения грамотрицательных возбудителей.
«Это первый антибиотик, который может воздействовать на грамположительные и грамотрицательные бактерии без резистентности», - сказал Земер Гитай, профессор биологии Эдвина Гранта Конклина из Принстона и старший автор статьи. «С точки зрения «почему это полезно», это главное. Но что нас больше всего волнует, как ученых, так это то, что мы обнаружили то, как работает этот антибиотик - атакуя с помощью двух разных механизмов в одной молекуле - что, как мы надеемся, можно обобщить, что приведет к созданию лучших антибиотиков и новых типов антибиотиков в будущем».
Самая большая слабость антибиотиков заключается в том, что бактерии быстро эволюционируют, чтобы противостоять им, но команда из Принстона обнаружила, что даже с чрезвычайными усилиями они не смогли выработать какую-либо устойчивость к этому соединению.«Это действительно многообещающе, поэтому мы называем производные соединения «Иррезистин», - сказал Гитаи.
Это святой Грааль исследований в области антибиотиков: антибиотик, который эффективен против болезней и невосприимчив к ним, но при этом безопасен для человека (в отличие от медицинского спирта или отбеливателя, которые непреодолимо фатальны как для клеток человека, так и для бактериальных клеток).
Для исследователя антибиотиков это похоже на открытие формулы превращения свинца в золото или катание на единороге - то, чего все хотят, но никто на самом деле не верит, - сказал Джеймс Мартин, доктор философии 2019 года. выпускник, который провел большую часть своей аспирантской карьеры, работая над этим соединением. «Моей первой задачей было убедить лабораторию, что это правда», - сказал он.
Но неотразимость - палка о двух концах. Типичные исследования антибиотиков включают в себя поиск молекулы, которая может убивать бактерии, размножение нескольких поколений, пока бактерии не выработают устойчивость к нему, изучение того, как именно действует эта устойчивость, и использование этого для обратного проектирования того, как молекула работает в первую очередь.
Но поскольку SCH-79797 неотразим, исследователям не из чего было реконструировать.
"Это был настоящий технический подвиг", - сказал Гитай. «Отсутствие сопротивления - это плюс с точки зрения использования, но проблема с научной точки зрения».
Перед исследовательской группой стояли две огромные технические задачи: попытаться доказать отрицательный факт, что ничто не может противостоять SCH-79797, а затем выяснить, как работает это соединение.
Чтобы доказать его устойчивость к устойчивости, Мартин испробовал множество различных анализов и методов, ни один из которых не выявил частиц устойчивости к соединению SCH. Наконец, он применил грубую силу: в течение 25 дней он «последовательно пассировал» его, то есть подвергал бактерии воздействию препарата снова, и снова, и снова. Поскольку бактериям требуется около 20 минут на поколение, у микробов были миллионы шансов выработать устойчивость, но они этого не сделали. Чтобы проверить свои методы, команда также последовательно пассировала другие антибиотики (новобиоцин, триметоприм, низин и гентамицин) и быстро выработала устойчивость к ним.
Доказать отрицательный результат технически невозможно, поэтому исследователи используют такие фразы, как «частоты с необнаружимо низким сопротивлением» и «отсутствие обнаруживаемого сопротивления», но в результате получается, что SCH-79797 неотразим - отсюда и название, которое они дали его производные соединения, Иррезистин.
Они также пытались использовать его против видов бактерий, известных своей устойчивостью к антибиотикам, включая Neisseria gonorrhoeae, которая входит в пятерку основных угроз, опубликованных Центром по контролю и профилактике заболеваний.
«Гонорея представляет собой огромную проблему в отношении множественной лекарственной устойчивости», - сказал Гитаи. «У нас закончились лекарства от гонореи. С наиболее распространенными инфекциями до сих пор работают дженерики старой школы. Когда два года назад я заболел ангиной, мне дали пенициллин-G - пенициллин, открытый в 1928 году!.gonorrhoeae, стандартные штаммы, которые циркулируют в кампусах колледжей, обладают суперрезистентностью к лекарствам. То, что раньше было последней линией обороны, лекарством от Neisseria в экстренных случаях, теперь является передовым стандартом лечения, и на самом деле больше нет резервной копии. Вот почему это особенно важно и интересно, и мы можем его вылечить."
Исследователи даже получили образец самого устойчивого штамма N. gonorrhoeae из хранилищ Всемирной организации здравоохранения - штамма, устойчивого ко всем известным антибиотикам - и «Джо показал, что наш парень все же убил этот штамм », - сказал Гитаи, имея в виду Джозефа Шихана, соавтора статьи и руководителя лаборатории Gitai Lab. «Мы очень рады этому».
Стрела с ядовитым наконечником
Без сопротивления обратному инжинирингу 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 конце концов выяснилось, что SCH-79797 использует два различных механизма в одной молекуле, подобно стреле, покрытой ядом.
«Стрела должна быть острой, чтобы попасть в яд, но яд также должен убивать сам по себе», - сказал Бенджамин Брэттон, научный сотрудник в области молекулярной биологии и преподаватель Института Льюиса Сиглера. для интегративной геномики, который является вторым соавтором.
Стрела нацелена на внешнюю мембрану, пробивая даже толстую броню грамотрицательных бактерий, в то время как яд разрушает фолиевую кислоту, фундаментальный строительный блок РНК и ДНК. Исследователи были удивлены, обнаружив, что два механизма работают синергетически, объединяясь в нечто большее, чем сумма их частей.
Если вы просто возьмете эти две половинки - в продаже есть лекарства, которые могут воздействовать на любой из этих двух путей - и вы просто бросите их в один и тот же горшок, это не убивает так же эффективно, как наша молекула, которая соединены ли они вместе на одном теле», - сказал Брэттон.
Была одна проблема: оригинальный SCH-79797 убивал человеческие и бактериальные клетки примерно на одинаковых уровнях, а это означает, что как лекарство он рисковал убить пациента, прежде чем убьет инфекцию. Производное Иррезистин-16 зафиксировало это. Он почти в 1000 раз более эффективен против бактерий, чем человеческие клетки, что делает его многообещающим антибиотиком. В качестве окончательного подтверждения исследователи продемонстрировали, что они могут использовать иррезистин-16 для лечения мышей, инфицированных N. gonorrhoeae.
Новая надежда
Эта парадигма отравленной стрелы может произвести революцию в разработке антибиотиков, сказал Кей Си Хуанг, профессор биоинженерии, микробиологии и иммунологии в Стэнфордском университете, который не участвовал в этом исследовании.
«Нельзя переоценить тот факт, что исследования антибиотиков застопорились на протяжении многих десятилетий», - сказал Хуанг. «Редко можно найти научную область, которая так хорошо изучена, но при этом так нуждается в приливе новой энергии».
Отравленная стрела, синергия между двумя механизмами нападения на бактерии, «может обеспечить именно это», - сказал Хуан, который был научным сотрудником в Принстоне с 2004 по 2008 год. «Это соединение уже настолько полезно само по себе, но также люди могут начать разрабатывать новые составы, вдохновленные этим. Вот что сделало эту работу такой захватывающей».
В частности, каждый из двух механизмов - стрела и яд - нацелены на процессы, присутствующие как в бактериях, так и в клетках млекопитающих. Фолат жизненно важен для млекопитающих (именно поэтому беременным женщинам рекомендуется принимать фолиевую кислоту), и, конечно же, и бактерии, и клетки млекопитающих имеют мембраны. «Это дает нам большую надежду, потому что есть целый класс целей, которыми люди в значительной степени пренебрегают, потому что думают: «О, я не могу нацелиться на это, потому что тогда я просто убью и человека», - сказал Гитай..
«Исследование, подобное этому, говорит о том, что мы можем вернуться и пересмотреть то, что, по нашему мнению, было ограничениями в нашей разработке новых антибиотиков», - сказал Хуан. «С социальной точки зрения это фантастика - иметь новую надежду на будущее».