Peptydy przeciwdrobnoustrojowe – sposób na lekooporność

Inspiracją do podjęcia tematyki zgłębianej przez nas w ramach projektu finansowanego w konkursie SONATA BIS jest znaczący wzrost lekooporności u mikroorganizmów, który obserwuje się od ponad 30 lat. Leki, na których dotąd polegaliśmy, przestają działać, ponieważ patogenne bakterie i grzyby wykształcają specyficzne mechanizmy obronne, dzięki którym stają się odporne na ich działanie. W naszych badaniach skupiamy się na zrozumieniu korelacji między sposobem koordynacji, termodynamiczną stabilnością, strukturą i mechanizmem działania kompleksów peptydów przeciwdrobnoustrojowych z jonami metali.

fot. Michał Łepecki Peptydy przeciwdrobnoustrojowe (ang.: antimicrobial peptides, AMP) są często uważane za potencjalnie nową klasę terapeutyków. Nadzieją napawa fakt, że pomimo tego, że istnieją od milionów lat to, poza nielicznymi wyjątkami, mikroby nie wykazują wobec nich oporności.

Biologicznie niezbędne metale, takie jak cynk – Zn(II) i miedź – Cu(II), mają dwojaki wpływ na aktywność peptydów przeciwdrobnoustrojowych: (1) AMP wiążą je, dzięki czemu mikroby nie dostają wystarczającej ilości metali istotnych dla ich przeżycia i zjadliwości (wychwytywanie jonów metali, odporność odżywcza) lub (2) AMP potrzebują danego jonu metalu do wzmocnienia ich działania przeciwdrobnoustrojowego (jony metali wpływają na ładunek/strukturę AMP). Zgodnie z moją najlepszą wiedzą, wcześniej nie istniały żadne badania dokumentujące związek między zdolnością AMP do wiązania jonów metali, ich strukturą, sposobem działania i aktywnością biologiczną – ta nowatorska tematyka stała się główną domeną badawczą mojego zespołu, wspomaganego zespołem naszej konsorcjantki, dr Agnieszki Matery-Witkiewicz z Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu.

Skupiliśmy się na termodynamice, strukturze i chemii koordynacyjnej wybranych AMP z Zn(II) i/lub Cu(II). Porównaliśmy te dane z wynikami aktywności biologicznej kompleksów metal-AMP z wybranymi szczepami bakterii i grzybów oraz z wynikami testów cytotoksyczności na odpowiednich liniach komórkowych, co pozwoliło nam wyciągnąć wnioski dotyczące zależności pomiędzy strukturą i stabilnością kompleksu metal-AMP, a jego sposobem działania i skutecznością.

Badania, finansowane omawianym projektem SONATA BIS i otrzymanymi później PRELUDIUM BIS, PRELUDIUM i OPUS (kierownikiem ostatniego z wymienionych jest dr Joanna Wątły), zaowocowały szeregiem istotnych osiągnięć. Odkryliśmy między innymi, że koordynacja cynku(II) do niektórych AMP pociąga za sobą specyficzną zmianę strukturalną i morfologiczną, która z kolei sprawia, że kompleksy efektywnie zwalczają grzybowe patogeny. Tego typu zjawiska zaobserwowaliśmy dla analogów ludzkiej amyliny i dla peptydów z grupy szeferyn.

Ekscytujące wyniki uzyskaliśmy w przypadku kompleksów Cu(II) i Zn(II) z PvHCt, peptydem przeciwdrobnoustrojowym wyizolowanym z krewetki. Koordynacja miedzi(II) bardzo silnie wpływa na jego strukturę i właściwości przeciwdrobnoustrojowe, wykazując wyraźny i fascynujący związek między koordynacją metalu, strukturą i funkcją. Intryguje fakt, że PvHCt hamuje wzrost mikroorganizmów tylko w obecności jonów metali, w szczególności Cu(II), która koordynuje do centralnej części peptydu i do jego C-końcowej części, indukując zmianę strukturalną, zwiększając odsetek α-helisy i inicjując tworzenie się reaktywnych form tlenu. Koordynacja Cu(II) ma bardzo wyraźny wpływ na aktywność przeciwdrobnoustrojową kompleksu, czyniąc go aktywnym przeciwko E. coli, MRSA i E. faecalis, z dość obiecującą wartością MIC = 16 µg/ml.

Zespół Biologicznie Aktywnych Metalopeptydów. Na zdjęciu, od lewej stoją: Kinga Garstka, Emilia Dzień, Silke Andra, Natalia Nogala, Dorota Dudek, Aleksandra Hecel-Czaplicka; siedzą, od lewej: Adriana Miller, Magdalena Rowinska-Żyrek, Valentyn Dzyhovskyi, Joanna Wątły. Fot. Dominika Hull, UWr

Wskazaliśmy również wpływ lokalnej zmiany ładunku kompleksów AMP na ich aktywność biologiczną oraz opisaliśmy rolę pre-organizacji miejsca wiążącego Zn(II) na właściwości biologiczne tworzącego się kompleksu z klawaniną. Wyniki prac opisaliśmy w ponad dwudziestu renomowanych publikacjach, a naszej fascynacji kompleksami peptydów przeciwdrobnoustrojowych nie widać końca – obecnie próbujemy „iść o krok dalej” i wzmocnić ich stabilność proteolityczną, czyniąc omawiane kompleksy bardziej stabilnymi biologicznie. Dłuższy czas półtrwania w organizmie przełożyłby się na realną możliwość wykorzystania kompleksów AMP w terapii, dlatego obecnie pracujemy nad tym, żeby rozwiązać ten problem za pomocą tzw. peptydów-inverso, które mają odwrócone sekwencje i chiralność w stosunku do ich cząsteczek macierzystych, jednocześnie zachowują identyczny układ łańcuchów bocznych, a w niektórych przypadkach podobną strukturę. Obecność D-aminokwasów, która skutkuje odwróconą chiralnością, czyni je mniej podatnymi na degradację proteolityczną, przezwyciężając główną wadę leków opartych na peptydach – ich brak stabilności.

Wydaje się, że zarówno AMP, jak i peptydy retro-inverso są prawdziwą skarbnicą do odkrywania nowych, bezpiecznych leków o wydłużonym okresie półtrwania i zwiększonym potencjale jako nowe leki, ale to nie jedyny powód, dla którego nad nimi pracujemy. Z punktu widzenia chemika nasza praca to również wybitnie ciekawy poznawczo, solidny wkład w ogólną wiedzę o pięknej, podstawowej chemii bionieorganicznej (jeszcze nie zbadanych) kompleksów peptydów retro-inverso z Zn(II) i Cu(II).