Антимикробные пептиды

Антимикробные пептиды (AMP) являются древними по происхождению. Они хорошо известны растениям, млекопитающим и человеку и выполняют множество функций. В клинических исследованиях AMP проявляют эффективность как противоинфекционные агенты. Кроме того, в сочетании с противовирусными средствами или антибиотиками они могут использоваться вместе с фармацевтическими препаратами для борьбы с лекарственной устойчивостью. AMP также демонстрируют потенциал как местные противоинфекционные и иммуностимулирующие агенты. Другие клинические испытания выявили применение AMP для нейтрализации токсинов, предотвращающей смертельные осложнения, такие как септический шок.

AMP часто классифицируются на основе их пептидных свойств, включая заряд, гидрофобность и длину. По суммарному заряду различают нейтральные, анионные и катионные пептиды. По гидрофобности — гидрофобные, гидрофильные и амфифильные. Кроме того, природные AMP можно классифицировать по размерам: ультракороткие (2–10 аминокислот), короткие (10–24), средние (25–50) и длинные (50–100). Пептиды длиной более 100 аминокислот классифицируются как антимикробные белки.

Антимикробные пептиды у человека

По своей сути антимикробные пептиды (AMP) действуют на микроорганизмы, чтобы остановить рост патогенных клеток. Уничтожая вредные микробы, AMP могут усиливать иммунную активность у животных, растений и человека.

У человека выделяют три основных AMP:
1. Дефенсины
2. Кателицидины
3. Гистатины

По мнению исследователей, каждая из этих групп пептидов оказывает иммуномодулирующее воздействие на инфекционные заболевания и воспалительные процессы у человека.

Выживание человека издавна зависело от AMP, защищающих от смертельно опасных факторов, таких как бактерии, грибки, вирусы и некоторые паразиты. Многофункциональные и разнообразные антимикробные пептиды оберегают от разрушительных патогенов.

AMP имеют множество типов, кодируются генами и обладают короткой структурой — менее 100 аминокислот. Они амфифильны — содержат как гидрофильные, так и гидрофобные участки. AMP обладают несколькими механизмами действия, зависящими от концентрации и последовательности, включая следующие свойства:
• Микробицидные
• Бактериостатические
• Цитолитические

Механизмы защиты, реализуемые человеческими антимикробными пептидами, имеют схожие биофизические свойства, однако последовательности даже у близкородственных AMP, как правило, различаются. При этом у некоторых AMP наблюдаются схожие аминокислотные участки или одинаковые области, как это отмечается у кателицидинов в их про-регионах или консервативных участках. Это может быть связано с эволюционной адаптацией видов к определённым микробным средам (Boman, 2000).

Дефенсины

Рассматривая три типа AMP у человека, начнём с дефенсинов, которые делятся на два типа: β-дефенсины и α-дефенсины. β-дефенсины появились раньше α-дефенсинов и встречаются в дефенсинах насекомых. Согласно Yang и др. (2004), α-дефенсины присутствуют в копиях у млекопитающих на отдельных участках хромосом и экспрессируются в очень ограниченном числе тканей.

Каждый тип дефенсинов состоит из 18–45 катионных (положительно заряженных) аминокислот, включая 6 консервативных цистеинов и 3 дисульфидные связи.

Четыре типа человеческих дефенсинов можно найти в:
• Нейтрофилах
• Клетках Панета
• Моноцитах
• Макрофагах
• Кератиноцитах или слизистых клетках
• Эпителиальных клетках

У человека дефенсины присутствуют в пищеварительной системе (антрум желудка), репродуктивной (яички), дыхательной и мочевыделительной системах, а также в плазме крови (Duits и др., 2002; Auvynet и Rosenstein, 2009; Lai и Gallo, 2009; Schneider и др., 2005). β-дефенсины — это пептиды длиной 36–42 аминокислоты с характерной ориентацией дисульфидных связей: 1-5, 2-4, 3-6. Они содержат более длинный N-концевой участок, чем α-дефенсины. β-структура стабилизируется тремя дисульфидными связями, а параллельная структура ориентации дисульфидов у α-дефенсинов позволяет им быть гибкими вдоль короткой оси. α-дефенсины имеют длину 18–45 аминокислот.

Все дефенсины — это мощные антимикробные агенты, обладающие широким спектром активности против грибков, оболочечных вирусов и бактерий.

Кателицидины

Кателицидины характеризуются наличием N-концевой области внутри центрального консервативного региона и переменной C-концевой области (Zanetti и др., 1995; Giuliani и др., 2007). Дефенсины и кателицидины могут синтезироваться в форме пропептидов для последующей активации. Существует только один тип человеческого кателицидина — пропептид hCAP18. В нейтрофилах он обрабатывается с образованием LL-37 или ALL-38. LL-37 — это пептид из 37 аминокислот с гидрофобной N-концевой областью и C-концевой областью, которая принимает α-спиральную структуру вблизи отрицательно заряженных липидов.

Обладая амфифильной природой, LL-37 связывается с бактериальными мембранами и липополисахаридами (LPS). Благодаря этим свойствам, он проявляет мощную антимикробную активность с широким спектром действия, эффективно защищая от инфекций и заболеваний (Sörensen и др., 2001; Sorensen и др., 2003; de Haar и др., 2006). Кателицидины также происходят от человеческого белка CAP18.

Гистатины

Третьей группой среди антимикробных пептидов человека являются гистатины — очень короткие пептиды, богатые гистидином. Они также являются катионными и обнаруживаются в человеческой слюне. Гистатины принимают форму случайной спирали в водных растворителях и α-спиральную структуру в неводных растворителях — последняя характерна также для кателицидинов.

Как и упомянутые выше человеческие дипептиды, также известные как защитные пептиды человека (HDPs), гистатины выполняют функцию защитных механизмов в иммунной системе человека.

Молекулярные мишени АМП

Антимикробные пептиды (АМП) можно классифицировать по их молекулярным мишеням следующим образом:
1. Пептиды, нацеленные на поверхность клетки, такие как низины и темпорины. Они воздействуют на клеточные поверхности, атакуя мембранные и немембранные компоненты. Их мишенями являются клеточные стенки (углеводы), мембраны (липиды) и рецепторы (белки).
2. Пептиды, нацеленные на внутриклеточные структуры, включая богатые пролином пептиды. Эти пептиды далее классифицируются по молекулам-мишеням, таким как ДНК, РНК и белки.

Структура и механизмы действия АМП

Нетрадиционные терапевтические подходы становятся всё более актуальными в рамках клинических испытаний, несмотря на то, что ни одно антимикробное средство ещё не получило одобрения FDA. Тем не менее, способность природных антимикробных пептидов уничтожать мультирезистентные микроорганизмы делает их ценным альтернативным решением на фоне всё менее эффективных традиционных лекарств из-за развития устойчивости. Наиболее значимыми природными АМП у человека являются дефензины и кателицидины, поскольку они продуцируются клетками иммунной системы, в то время как мощные гистатины вырабатываются и выделяются в слюну через слюнные железы.

Как уже отмечалось выше, структура АМП характеризуется малым размером, положительным зарядом и амфифильностью (содержат как гидрофобные, так и гидрофильные участки). Антимикробные пептиды классифицируются на четыре основные структурные типа:
• β-складчатый лист (β-sheet)
• α-спираль (α-helical)
• Петля (Loop)
• Удлинённая структура (Extended)

Механизмы антимикробного действия проявляются через разрушение мембран и формирование пор, что приводит к утечке жизненно важных ионов и питательных веществ. Такая мембранная проницаемость варьируется в зависимости от ряда факторов, таких как:
• Концентрация пептидов
• Аминокислотная последовательность
• Состав липидов мембраны

Современные исследования подтверждают, что АМП связываются с цитоплазматической мембраной, вызывая образование мицеллоподобных скоплений, что и вызывает разрушительное действие пептидов. Дополнительные данные свидетельствуют о том, что АМП могут также нацеливаться на внутриклеточные элементы, жизненно важные для клеточной физиологии, что приводит к ингибированию синтеза клеточной стенки, а также ДНК, РНК и белков.

Антимикробные пептиды: терапевтический и фармакологический потенциал

АМП также обладают противовирусной активностью, подавляя слияние вирусов и их выход из клеток. Этот процесс останавливает инфекцию и распространение вирусов за счёт прямого взаимодействия с молекулами на поверхности клеток-хозяев, а также с вирусными мембранными оболочками. Эти механизмы, наряду с эффективным индуцированием клеточной смерти, делают антимикробные пептиды перспективными кандидатами для разработки важнейших фармакологических препаратов.

Помимо быстрого уничтожения микробов и широкого спектра антимикробной активности, у АМП также обнаружена способность нейтрализовать эндотоксины и бороться с устойчивостью к антибиотикам. Учёные считают, что это связано с глубокими изменениями в структуре мембраны, которые, предположительно, и обеспечивают устойчивость микробных клеток.

Несмотря на то, что основной биологической функцией АМП считается антимикробное действие, необычные и уникальные альтернативные молекулярные функции АМП включают также иммуномодулирующие свойства, заживление ран и противоопухолевую активность. В настоящее время антимикробные пептиды используются в качестве моделей для разработки новых терапевтических средств, которые потенциально могут применяться как антимикробные препараты, регуляторы воспаления или в терапии рака.

На сегодняшний день было выделено и идентифицировано более 800 антимикробных пептидов, однако эта область всё ещё находится в зачаточном состоянии и требует дальнейших исследований, учитывая её колоссальный потенциал для терапевтических и фармакологических применений.

Ссылки
1. Guaní-Guerra E, Santos-Mendoza T, Lugo-Reyes SO, Terán LM. Antimicrobial peptides: General overview and clinical implications in human health and disease. Clinical Immunology (2010) 135, 1–11. [PubMed].
2. Muthuirulan Pushpanathan et al. Antimicrobial peptides: Antimicrobial Peptides: Versatile Biological Properties. International Journal of Peptides, vol. 2013, Article ID 675391, 15 pages, 2013. [Article].
3. Phoenix, D. A., Dennison, S. R. and Harris, F. (2013) Antimicrobial Peptides: Their History, Evolution, and Functional Promiscuity, in Antimicrobial Peptides, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany. doi: 10.1002/9783527652853.ch1.
4. Li Y, Xiang Q, Zhang Q, Huang Y, Su Z.. Overview on the recent study of antimicrobial peptides: origins, functions, relative mechanisms and application. Peptides. 2012 Oct;37(2):207-15. [PubMed].
5. Y. Jerold Gordon, Eric G. Romanowski. A Review of Antimicrobial Peptides and Their Therapeutic Potential as Anti-Infective Drugs. Peptides. 2012 Oct;37(2):207-15. [PubMed].