Синтезирован новый антибиотик против устойчивых к лекарствам супербактерий

Научные исследования,  проводившиеся учеными из Университета Дьюка в течение нескольких десятилетий, позволили открыть новую стратегию применения антибиотиков для борьбы с грамотрицательными бактериями, такими как сальмонелла, синегнойная палочка и кишечная палочка (Salmonella, Pseudomonas и E. coli) — виновниками многих инфекций мочевыводящих путей. Синтетическая молекула работает быстро и долговечна в тестах на животных. 

Препарат нарушает способность бактерий создавать свой внешний липидный слой. «Если вы нарушите синтез внешней мембраны бактерий, они не смогут выжить без нее», — заявил в интервью ведущий исследователь Пей Чжоу (Pei Zhou), профессор биохимии в Медицинской школе Дьюка, — «В этом плане наша молекула очень хорошая и чрезвычайно мощная».

Соединение, названное LPC-233, представляет собой «малую» молекулу, доказавшую свою эффективность в нарушении биосинтеза липидов внешней мембраны у каждой грамотрицательной бактерии, против которой оно было протестировано. Соавторы из Университета Лилля во Франции протестировали его против коллекции из 285 бактериальных штаммов, в том числе очень устойчивых к коммерческим антибиотикам, и LPC-233 убил их все.

И работает препарат быстро. «LPC-233 способен снизить жизнеспособность бактерий в 100 000 раз в течение четырех часов», — сообщил Чжоу.

Соединение также достаточно стойкое, чтобы выжить на всем пути к мочевыводящим путям после перорального приема, что может сделать его жизненно важным средством против стойких инфекций мочевыводящих путей.

Тесты, проведенные при высоких концентрациях LPC-233, показали «чрезвычайно низкий уровень спонтанных мутаций резистентности у этих бактерий», согласно статье с описанием результатов, опубликованной 9 августа в журнале Science Translational Medicine.

В исследованиях на животных LPC-233 эффективно действовал и показал прекрасные результаты как при пероральном и внутривенном введении,  так и при введении в брюшную полость. В одном из экспериментов препарат спас мышей, получивших смертельную дозу бактерий с множественной лекарственной устойчивостью.

Поиски данного соединения заняли десятилетия из-за требований высокой специфичности и безопасности синтетической молекулы.

Чжоу особо поблагодарил своего покойного коллегу, бывшего заведующего кафедрой биохимии Университета Дьюка Кристиана Рэтца (Chair Christian Raetz), начавшего работу над препаратом несколько десятилетий назад и посвятившего свою жизнь поиску нового пути борьбы с супербактериями.

Мишень нового препарата – фермент под названием LpxC (UDP-3-O-(R-3-hydroxyacyl)-N-acetylglucosamine deacetylase), являющийся вторым ферментом в «пути Рэтца» и решающе необходимый для образования липидов внешней мембраны грамотрицательных бактерий.

Рэтц начал работать в Университете Дьюка в качестве заведующего кафедрой биохимии в 1993 году после того, как его работа над этим направлением в Merck & Co. не привела к успешному клиническому кандидату. Антибиотик Merck работал, но только против кишечной палочки, поэтому он не был коммерчески выгоден, и фармацевтическая компания отказалась от него.

«На самом деле он нанял меня в Дьюк для работы над этим ферментом, сначала только с точки зрения структурной биологии», — сказал Чжоу, который пришел в Дьюк в 2001 году.

Чжоу и Рэтц расшифровали структуру фермента LpxC и раскрыли молекулярные структуры нескольких потенциальных ингибиторов. «Мы поняли, как можем изменить состав нового препарата, чтобы сделать его лучше», — сказал Чжоу. С тех пор Чжоу работал над созданием более мощных ингибиторов LpxC совместно со своим коллегой, профессором химии Университета Дьюка Эриком Туном (Eric Toone).

Первое клиническое исследование ингибиторов LpxC на людях потерпело неудачу из-за их сердечно-сосудистой токсичности. В центре внимания последующей работы созданной группы было предотвращение сердечно-сосудистых эффектов при сохранении эффективности лучшего соединения.

Они работали над более чем 200 различными версиями ингибитора ферментов, всегда стремясь к большей безопасности и большей эффективности. Другие соединения работали в разной степени, но соединение номер 233 оказалось победителем. LPC-233 подходит к месту связывания фермента LpxC и препятствует тому, чтобы он выполнял свою работу.

По словам Чжоу, в дополнение к своей долговечности, состав работает по замечательному двухэтапному процессу. После первоначального связывания с LpxC комплекс фермент-ингибитор несколько меняет свою форму, становясь еще более стабильным комплексом.

Время жизни связывания ингибитора в этом более стабильном комплексе больше, чем время жизни бактерий. «Мы считаем, что именно этот факт способствует его эффективности, так как оказывает полупостоянное воздействие на фермент», — считает руководитель работ, — «Даже после того, как несвязанное лекарство метаболизируется в организме, фермент все еще ингибируется из-за чрезвычайно медленного процесса диссоциации ингибитора», — считает Чжоу.

На серию соединений подано несколько патентов, а Тун и Чжоу стали соучредителями компании Valanbio Therapeutics, Inc., которая будет искать партнеров для проведения клинических исследований LPC-233 в рамках фазы 1 для оценки безопасности и эффективности уже у людей.

О LPC-233

LPC-233 имеет молекулярную массу 376 Да и может быть получен путем эффективного синтеза с получением энантиомерно чистого продукта. Соединение в целом эффективно против клинической коллекции из 285 штаммов грамотрицательных бактериальных патогенов. Биосинтез липида А необходим для формирования внешней мембраны большинства грамотрицательных бактерий и считается потенциальной мишенью для антибиотикотерапии. Чжао и др. синтезировали и охарактеризовали LPC-233 – ингибитор UDP-3-O-(R-3-гидроксиацил)-N-ацетилглюкозаминдеацетилазы (LpxC), способный специфически и очень эффективно ингибировать синтез липида А. Предыдущие попытки создать антибиотики, нацеленные на LpxC, были ограничены неблагоприятной сердечно-сосудистой токсичностью. Напротив, доклиническая оценка LPC-233 выявила многообещающие профили безопасности in vitro и in vivo, прочное связывание с LpxC с пикомолярным сродством, биодоступность при пероральном приеме и бактерицидную активность в отношении широкого спектра грамотрицательных патогенов. Эти результаты подтверждают дальнейшее развитие антибиотикотерапии, нацеленной на LpxC.

Поддержка исследования

Настоящая работа носит революционный характер, в связи с чем была поддержана грантами от Национальных институтов здравоохранения (R01 GM115355, AI094475, AI152896, AI148366), Центра биотехнологии Северной Каролины (2016-TEG-1501) и Национального института рака Комплексного онкологического центра Core Grant (P30CA014236).

Публикация

«Доклиническая характеристика безопасности и эффективности ингибитора LpxC против грамотрицательных патогенов». Pei Zhou, etc. Science Translational Medicine, Aug. 9, 2023. DOI: 10.1126/science.abq5693.

Источник: https://www.eurekalert.org/

Источник: https://www.science.org/

Источник: https://reporter.nih.gov/

10.08.2023