IDR пептиды – регуляторы врожденного иммунитета. Антимикробные свойства

Прамлинтид (Pramlintide, Симлин, Symlin)
05.02.2019
TB-500 – вездесущий заживляющий пептид
04.03.2019

            Устойчивость к лекарственным средствам остается препятствием для непрекращающихся усилий по борьбе с инфекцией. Например, пенициллин был эффективен при лечении Staphylococcus aureus до тех пор, пока бактерии не приобрели устойчивость к нему. На протяжении второй половины 20-го века были разработаны новые антибиотики, такие как ванкомицин и метициллин; ими успешно лечили инфекции, вызванные S. aureus. Тем не менее, устойчивый к метициллину штамм S. aureus появился в 1970-х и до сих пор является настоящим бедствием в больницах по всему миру. Совсем недавно стали известны штаммы S. Aureus устойчивые и к ванкомицину.

            В связи с ростом угрозы развития устойчивости к противомикробным препаратам и появления новых инфекционных заболеваний существует постоянная потребность в новых терапевтических соединениях. Желательными являются терапевтические средства, которые действуют на организм-хозяин, а не на патоген, так как они не способствуют развитию устойчивости патогенов. В частности, лекарственные средства, действующие на организм-хозяин посредством врожденной иммунной системы, являются многообещающим источником терапевтических средств. Существуют данные, указывающие на то, что врожденный иммунный ответ играет важную роль в борьбе с большинством инфекций, а также способствует воспалительному ответу. Воспалительный ответ, запускаемый инфекцией, как известно, является центральным компонентом патогенеза заболеваний. Способность повышать резистентность организма-хозяина, контролируя при этом воспаление, была бы очень полезна в продолжающейся борьбе против инфекций, включая инфекции, вызванные резистентными организмами.

            Врожденный иммунный ответ представляет собой эволюционно закрепившуюся защитную систему, связанную с барьерами между тканями и внешней средой, такими как кожа, слизистая оболочка от полости рта до желудка и дыхательные пути. Обеспечивая быстрое распознавание и уничтожение проникших патогенов, а также ответ на повреждение клеток, врожденный иммунный ответ часто связан с воспалительными ответами и является ключевым участником активации приобретенного иммунитета. Врожденная защита запускается путем связывания патоген-ассоциированных и/или ассоциированных с повреждением молекул (РАМР, англ.: pathogen-associated molecular patterns или DAMP, англ.: danger-associated molecular patterns) с паттерн-распознающими рецепторами, включая Toll-подобные рецепторы ((TLR) англ.: Toll-like receptors). Паттерн-распознающие рецепторы обнаружены внутри и на поверхности многих типов клеток, расположенных по всему телу и служат для обеспечения ранних сигналов «опасности», которые приводят к высвобождению неспецифических антимикробных молекул, цитокинов, хемокинов, а также белков и пептидов для защиты организма-хозяина, а также к рекрутированию иммунных клеток (нейтрофилов, макрофагов, моноцитов). Кроме того, система врожденного иммунитета непосредственно участвует в выработке толерантности к комменсальной микробиоте в желудочно-кишечном тракте и в репарации и иммунной защите желудочно-кишечного тракта. Частью системы врожденного иммунитета выступают молекулы пептидной природы.

            Регуляторы врожденного иммунитета (IDR, Immunomodulatory Innate Defence Regulator) взаимодействуют с механизмами внутриклеточной передачи сигнала и модулируют врожденный иммунный ответ. В то время как большая часть работ по IDR была сфокусирована на их роли в борьбе с инфекцией в процессе управления воспалением, недавние результаты, полученные на моделях индуцированного химиотерапией или облучением мукозита и заживления ран у животных, позволяют предположить, что IDR могут оказывать благоприятное воздействие в ходе ответов на широкий спектр индуцирующих повреждения агентов помимо патогенов. IDR лечат и предотвращают инфекции посредством селективной модификации ответов врожденной иммунной системы организма при их активации РАМР или DAMP, без инициации ассоциированных воспалительных ответов. Те же механизмы лежат в основе положительных эффектов, наблюдаемых в моделях мукозита и заживления ран, в которых затронута передача сигнала, находящаяся под контролем распознавания DAMP. Для пептида RIVPA  была продемонстрирована его безопасность для людей и эффективность в моделях индуцированного фракционированным облучением или индуцированного химиотерапией мукозита полости рта у животных, в моделях индуцированного химиотерапией повреждения желудочно-кишечного тракта, а также в моделях местной и системной грамположительной и грамотрицательной инфекций у иммунокомпетентных и иммунокомпрометированных организмов-хозяев.

            Механизм действия антимикробных пептидов, которые носят название Host Defence Peptides (HDP), связан с наличием в их структуре положительно заряженных аминокислотных остатков, которые вступают в контакт с отрицательно заряженной мембраной микроорганизмов и проникают внутрь клетки. Сравнение действия антимикробных пептидов с антибиотиками показало, что бактерицидный эффект первых достигается буквально за несколько минут, а требуемая концентрация в 10 раз меньше, чем для антибактериальных препаратов. Антимикробные пептиды действуют не только на бактерии и грибы, но и на вирусы, имеющие оболочку, и при этом никак не влияют на клетки человеческого организма. В принципиально новых препаратах заинтересована и пищевая промышленность. Добавляя антимикробные пептиды в состав продуктов питания, возможно увеличить срок годности продуктов. В ходе испытания пептидов, аллергического воздействия отмечено не было.

            Эффект некоторых HDP в усилении врожденных иммунных реакций на инфекции и в то же время их способность контролировать воспаление делает эти пептиды привлекательными кандидатами для противоинфекционной и противовоспалительной терапии. В последние годы были разработаны небольшие синтетические катионные пептиды на основе широко варьирующихся последовательностей HDP пептидов, используемых в качестве шаблонов. Эти новые синтетические ионные пептиды известны как врожденные защитные регуляторные (IDR) пептиды. Они, как правило, проявляют усиленную иммуно-модулирующую активность в наномолярных концентрациях, в отличие от микромолярных концентраций, необходимых для прямого антибактериального эффекта.

IDR пептиды IDR-1, IDR-1002, IDR-1018, IDR HH-2 являются линейными производными кателицидинов и были отобраны на основе их способности стимулировать производство хемокинов в моноядерных клетках периферической крови человека.

            Было продемонстрировано что данные пептиды защищают от эндотоксинов и инфекций и, в отличие от природных кателицидинов, проявляют ограниченную цитотоксичность. Они состоят из 12–14 остатков аминокислот и представляют собой положительно заряженные за счет аммонийных и гуанидиновых групп линейные последовательности.

IDR-1

            У пептида IDR-1, последовательность которого была синтезирована на основе небольшого бычьего HDP бактенецина, полностью отсутствовала прямая антимикробная активность, но он оказывал противомикробную защиту широкого спектра в моделях на мышах против инфекций бактериями с множественной лекарственной устойчивостью, включая устойчивые к метициллину S. aureus и устойчивые к ванкомицину энтерококки и грамотрицательных сальмонелл.

            Были представлены доказательства того, что IDR-1 осуществляет противобактериальную защиту посредством избирательного усиления врожденного иммунитета у организма-хозяина, например, путем стимуляции производства хемокинов. Для IMX-942, который основан на IDR-1, недавно завершен I этап клинических испытаний безопасности на пациентах с иммунотерапией, вызванной химиотерапией рака.

IDR-1002

            Пептид IDR-1002, не обладающий сходством последовательности с IDR-1, продемонстрировал улучшенную защиту в модели на мышах, зараженных S. aureus или Escherichia coli. Подобно IDR-1 для иммуномодулирующий активности пептида IDR-1002 предлагается механизм действия посредством индукции хемокинов и рекрутирования лейкоцитов. Для обоих пептидов были идентифицированы моноциты и макрофаги как ключевые клетки, опосредующие защиту. Пептид IDR-1002 усиливает хемотаксис моноцитов по отношению к хемокинам CCL3 и CCL5, феномен, который коррелирует с избирательной регуляцией поверхностной экспрессии CCR5.  Два других аналога, пептиды IDR-HH2 и IDR-1018 снижают бактериальную нагрузку при туберкулезной инфекции, хотя не убивают туберкулезную палочку в опытах in vitro. IDR-1018 также уменьшает воспаление легких, что определяется уменьшенной пневмонией. В человеческих нейтрофилах IDR-пептиды увеличивают высвобождение генерируемых нейтрофилами HDP (антимикробных), α-дефензинов человека и LL-37 и ускоряют нейтрофильно-опосредованное уничтожение E. coli. 

IDR-1018

            Еще одним шагом вперед в этой области стало недавнее открытие способности синтетического пептида IDR-1018 обеспечивать защиту от церебральной малярии. IDR-1018 представляет собой аналог врожденного защитного регулятора бактенецина – кателицидина из бычьих нейтрофилов. Предполагается, что он обязан своим действием транслокации через клеточную мембрану. IDR-1018 был выбран для скрининга на церебральную малярию с учетом его противовоспалительных свойств и низкой токсичности, и было установлено, что он защищает 56% инфицированных мышей от церебральной малярии после профилактического внутривенного введения. В сочетании с противомалярийным препаратом пириметамин-хлорохин IDR-1018 усиливал защиту от церебральной малярии у 41–68% инфицированных мышей.

            Также IDR-1018 препятствует образованию бактериальных биопленок. Биопленки представляют собой структурированные конгломераты микроорганизмов на колонизируемой поверхности. Адаптация бактерий к росту на поверхности в составе биопленок сопровождается значительными изменениями в экспрессии генов и метаболической активности. В результате существенно повышается выживаемость бактерий и их устойчивость к антибиотикам (в десятки, сотни, или даже тысячи раз). Учитывая, что формирование биопленок наблюдается более чем в 60% всех инфекций, последнее свойство представляет собой серьезнейшую проблему современной медицины. Формирование биопленок также является одним из основных факторов вирулентности, ответственных за хронический характер инфекции. IDR-1018 обладает выраженной активностью в отношении широкого спектра формирующих биопленки бактерий в концентрации значительно меньшей, чем у ранее описанных аналогичных пептидов. Использованные в эксперименте концентрации пептида 1018 не влияли на жизнеспособность бактерий, растущих диффузно (планктонный рост), однако полностью блокировали формирование биопленок. При этом ранее образовавшиеся биопленки также распадались. Этот эффект наблюдался как для грамположительных, так и для грамотрицательных микроорганизмов, включая такие распространенные патогены как Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Acinetobacter baumannii, Klebsiella pneumoniae, Salmonella typhimurium, Burkholderia cenocepacia и метициллин-устойчивые штаммы Staphylococcus aureus. Низкие дозы пептида вызывали рассеивание биопленок, в то время как высокие дозы приводили к гибели бактерий в биопленке. Данный пептид представляет собой первый пример вещества, специфически блокирующего формирование бактериальных биопленок и активного в отношении широкого спектра микроорганизмов.  Очевидно, что клиническое применение соответствующих препаратов в комплексе с классическими антибиотиками позволит эффективно бороться со многими бактериальными инфекциями.

IDR HH-2

            Пептид IMX942 к настоящему моменту проходит вторую фазу клинических испытаний как антибиотик для больных с фебрильной нейтропенией. Некоторые из этих пептидов, в том числе IDR-1018, обладают ингибирующей активностью iv vivo в отношении вируса герпеса. Показано, что их действие связано с блокировкой проникновения вирусной частицы внутрь клетки-мишени. Другие иммуномодулирующие катионные HDP, которые продемонстрировали безопасность и эффективность в клинических испытаниях на людях включают MX-226, hLF1-11, OP-215 и RDP58. Пептиды MX-226 и hLF1-11 были первоначально разработаны в качестве антимикробных пептидов, но также была продемонстрирована их иммуномодулирующая активность. MX-226 имеет доказанную эффективность в фазе II клинических испытаний против прыщей и розацеа. hLF1-11, N-концевой пептид человеческого лактоферрина, недавно прошел клинические испытания I фазы и продемонстрировал эффективность как системный антиинфекционный препарат с иммуномодулирующим действием. Для OP-215, синтетического производного из 24 аминокислот LL-37 завершены клинические испытания II фазы и продемонстрирована эффективность и безопасность при местном применении в виде ушных капель пациентам с хроническим гнойным отитом.

            При системном введении пептиды подвергаются протеолитической деградации, демонстрируют плохую фармакокинетику, что ограничивает их потенциальное применение.  Для обхода их уменьшенного периода полураспада был применен ряд различных стратегий, таких как различные способы введения или химические модификации в пептидах: введение D-аминокислот, амидирование на N-конце, конструирование пептидомиметиков и введение синтетических аминокислот.

            В последнее время исследование терапевтических пептидов переживает ренессанс по коммерческим причинам. Новые стратегии в дизайне пептидов вызвали волну пептидной терапии. В настоящее время приблизительно 140 терапевтических препаратов находятся в клинических испытаниях, и более 500 были в доклинических. По оценкам, рынок новых пептидных препаратов в 2015 году составлял $ 17,50 млрд. Согласно недавнему отчету о мировом рынке пептидов «Рынок пептидной терапии: глобальный анализ отрасли и оценка возможностей 2015–2025 гг», опубликованной консалтинговой фирмой Future Market Insights в течение 2015–2025 гг. прогнозируется рост рынка пептидных терапевтических препаратов более чем на 10%.