Экспериментальный антибиотик уничтожил устойчивые грамотрицательные бактерии

Визуализация ко-кристаллической структуры фабимицина и его энантиомера в активном центре FabI

Erica N. Parker et al. / ACS Central Science, 2022

Американские исследователи разработали новый антибиотик, эффективный в отношении лекарственно-устойчивых грамотрицательных бактерий. В экспериментах на изолятах внутрибольничных бактерий и на мышиных моделях вызванных ими инфекций он продемонстрировал высокую активность, при этом практически не действовал на компоненты нормальной микробиоты человека. Отчет о работе опубликован в журнале ACS Central Science.

Устойчивость к противомикробным препаратам возникает в результате быстрой эволюции возбудителей инфекций в условиях широкого и зачастую бесконтрольного применения соответствующих лекарств в медицине, ветеринарии и сельском хозяйстве. Всемирная организация здравоохранения назвала эту проблему одной из 10 стоящих перед человечеством глобальных угроз здоровью населения, ее выносили на обсуждение Генеральной ассамблеи ООН. При этом в 2019 году эксперты ВОЗ выявили всего 32 антибиотика, которые находятся на этапе клинической разработки и предназначены для лечения приоритетных патогенов, из них лишь шесть отнесли к категории инновационных.

В последние два десятилетия были достигнуты определенные успехи в разработке лекарственных средств для борьбы с грамположительными микроорганизмами, таких как оксазолидиноны, плевромутилины и липопептиды. Против грамотрицательных бактерий с их плотной липиполисахаридной наружной мембраной и эффлюксными насосами новых препаратов фактически не появлялось в течение полувека. При этом подавляющее большинство наиболее распространенных и опасных лекарственно-устойчивых возбудителей (включая ESKAPE) относятся именно к этой группе.

Большинство имеющихся антибиотиков тем или иным способом подавляют либо трансляцию белка, либо репликацию ДНК, либо построение клеточной стенки бактерий. В последние годы были найдены и другие перспективные мишени для антибактериальных препаратов, в том числе один из ключевых ферментов биосинтеза жирных кислот редуктаза FabI. Путем высокопроизводительного скрининга был получен его ингибитор Debio-1452, который в виде пролекарства под названием афабицин проходит II фазу клинических испытаний при инфекциях, вызванных золотистым стафилококком (Staphylococcus aureus). Против грамотрицательных микроорганизмов этот препарат неэффективен, поскольку не накапливается в их клетках в достаточной концентрации.

В поиске решения этой проблемы сотрудники Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне под руководством Пола Хергенротера (Paul Hergenrother) создали приложение eNTRyway, которое по данным поиска количественных взаимосвязей «структура-активность» (QSAR) предсказывает накопление низкомолекулярных веществ в грамотрицательных клетках. В ходе предварительных исследований были определены химические группы Debio-1452, поддающиеся замещению, и получено вещество Debio-1452-NH3 с умеренной активностью против этого класса бактерий при применении в максимальной переносимой мышами дозе.

В поисках более эффективного и безопасного антибиотика исследователи с коллегами из Броудовского института и Армейского исследовательского института имени Уолтера Рида воспользовались QSAR и рентгеноструктурным анализом для поиска молекул-кандидатов и синтезировали наиболее перспективные из них. Полученные соединения протестировали in vitro на референсных штаммах S. aureus ATCC 29213 (грам+) и Escherichia coli MG1655 (грам-), а также эффлюкс-дефицитном E. coli JW5503 и 10 штаммах E. coli, Klebsiella pneumoniae и Acinetobacter baumannii, против которых Debio-1452-NH3 показал лишь незначительную эффективность (минимальная подавляющая концентрация от 16 до 32 микрограмм на миллилитр). Наиболее выраженную активность в отношении всех них проявило одно вещество, получившее название фабимицин.

Как селективный ингибитор FabI фабимицин проявлял прицельную активность в отношении вырабатывающих его микроорганизмов, но не патогенов и (что главное) бактерий-комменсалов из нормальной микробиоты кишечника, которые продуцируют другие изоформы этого фермента.

В эксперименте на клинических изолятах A. baumannii (15 штаммов), E. Coli (18 штаммов), и K. pneumoniae (15 штаммов) фабимицин продемонстрировал преимущество перед Debio-1452 и Debio-1452-NH3; против 12 штаммов S. aureus эффективными были все три препарата. Дополнительный опыт на 100 изолятах K. pneumoniae и 100 изолятах A. baumannii показал, что новый препарат не уступает левофлоксацину и отличается лучшим профилем минимальной подавляющей концентрации.

Эксперимент по выявлению спонтанных мутаций, обеспечивающих невосприимчивость к фабимицину E. coli MG1655, A. baumannii 19606 и S. aureus ATCC 29213, показал достаточно низкий потенциал развития устойчивости к этому препарату.

После этого исследователи выяснили, что экспериментальное вещество обладает низкой цитотоксичностью в отношении человеческих клеток HFF-1, A549 и HepG2, не вызывает гемолиз и сохраняет высокую стабильность в человеческой плазме крови, а также хорошо переносится мышами в эффективных дозировках, превосходя по этим показателям Debio-1452-NH3.

Для проведения эксперимента in vivo выбрали инфекцию мочевыводящих путей (ИМП), поскольку подобные заболевания представляют один из наибольших рисков контакта здорового в остальном человека с лекарственно-устойчивыми микроорганизмами (хотя бы раз в течение жизни с ИМП сталкиваются примерно каждая вторая женщина и каждый восьмой мужчина).

Мышам интрауретрально вводили по 1,38 × 109 колониеобразующих единиц (КОЕ) полирезистентного штамма E. coli AR-0055. После этого им назначали внутривенно либо плацебо, либо фабимицин в дозах 8,3; 16,7 или 33,3 миллиграмма на килограмм массы тела трижды в сутки, либо антибиотик последнего резерва колистин (полимиксин Е) по 20 миллиграммов на килограмм дважды в сутки. Через 168 часов после заражения исследователи подсчитали число КОЕ в различных внутренних органах. Выяснилось, что в максимальной дозе экспериментальный препарат уменьшает этот показатель на 3,0; 2,8; 2,9 и 1,9 десятичного логарифма в тканях селезенки, мочевого пузыря, печени и почек соответственно, практически не уступая в этом колистину.

Помимо прочего исследователи оптимизировали химический синтез фабимицина для масштабирования производства его активного (S-)-энантиомера.

На основании полученных результатов авторы работы заключили, что фабимицин имеет перспективы внедрения в клиническую практику, а его получение служит еще одним доказательством того, что антибиотики можно систематически модифицировать для накопления в грамотрицательных бактериях и борьбы с этими проблемными патогенами.

В 2020 году другая научная группа представила кандидатный антибиотик SCH-79797 и его производное IRS-16, которые обладают двойным действием на грамположительные и грамотрицательные бактерии: нарушают целостность клеточной стенки и блокируют метаболизм фолатов.

О том, как у бактерий впервые обнаружили ген устойчивости к колистину, и о природе антибиотикоустойчивости в целом можно почитать в материале «Конец прекрасной эпохи».

Олег Лищук

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.