КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 20-64-47014
НазваниеНовые подходы к снижению устойчивости микроорганизмов к антибиотикам при смешанных инфекциях: поиск новых антимикробных субстанций на основе полусинтетических тиотерпеноидов, характеристика молекулярных мишеней и механизмов действия, разработка эффективной системы доставки антимикробных агентов и ее визуализация с помощью конъюгатов с BODIPY-люминофорами
Руководитель Каюмов Айрат Рашитович, Доктор биологических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" , Республика Татарстан (Татарстан)
Конкурс №47 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации (междисциплинарные проекты)»
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-110 - Общая и молекулярная микробиология; вирусология
Ключевые слова бактериальные биопленки, смешанные биопленки, кандидоз, грибы, антибиотики, устойчивость к антибиотикам, антагонизм, комменсализм, транскриптом, протеом, микроскопия, синергизм антибиотиков, средства доставки, серосодержащие монотерпеноиды, мембранотропные агенты
Код ГРНТИ34.27.29
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Подавляющее большинство инфекционных заболеваний человека и животных так или иначе связано с образованием биопленок – микробных консорциумов, погруженных в выделяемый ими высокомолекулярный матрикс, состоящий из белков, нуклеотидов и полисахаридов и обуславливающий чрезвычайную устойчивость бактерий к неблагоприятным факторам, включая антибиотики и иммунную систему организма. Существование патогенных бактерий в составе биопленки в разы снижает эффективность антимикробной терапии, приводит к хроническим заболеваниям и значительно замедляет процесс заживления ран. Поэтому одним из вызовов для современной фармацевтики является разработка новых подходов, комбинированных препаратов, способных значительно повышать чувствительность к антимикробным препаратам клеток в составе биопленки. Одним из классов мембранотропных веществ, изменяющих свойства клеточных мембран, в частности, их проницаемость, является класс природных соединений терпенового ряда, и в наибольшей степени, серосодержащие производные монотерпеноидов. Было показано, что тиотерпеноиды встраиваются в клеточную мембрану, погружаясь в нее своей гидрофобной частью, терпеновым фрагментом, и связываются с углеводородными цепями фосфолипидов. Поэтому введение в молекулу биологически активного вещества компактного липофильного монотерпенового фрагмента влияет на мембранный транспорт и связывание с мембраной клетки и органелл, что позволяет ожидать усиление биологической активности новых соединений а также мультитаргетного эффекта. При этом тиотерпеноиды относятся к малотоксичным соединениям (LD50 находится в пределах от 2000 до 10000 мг/кг, хроническая токсичность и генотоксичность также отсутствуют), что является привлекательным с точки зрелия создания антимикробных препаратов.
В последнее время показано, что причиной многих инфекционных процессов является не один микроорганизм, а их консорциум, в том числе с резидентной флорой. В результате чего образуются смешанные бактериальные и грибково-бактериальные биопленки на открытых ранах, слизистых оболочках, тканях организма, поверхностях имплантированных устройств. В смешанных биопленках между бактериями наблюдаются синергетические, мутуалистические и антагонистические взаимодействия, поэтому лечение смешанных инфекций происходит значительно сложнее и дольше. Одним из наиболее тревожных последствий синергизма между микроорганизмами является повышенная устойчивость к антимикробным агентам за счет выживания одних микроорганизмов в составе биопленки устойчивых штаммов и перехода в некультивируемое состояние (персистенция). С другой стороны, в случае смешанных биопленок S. aureus-P. aeruginosa в 10 раз меньшие концентрации ципрофлоксацина приводят к такому же снижению числа живых бактерий, как и в монокультурах. Несомненно, данные о подобных различиях в эффективности антибиотиков в отношении моно- и смешанных культур должны приниматься во внимание при терапии полимикробных инфекций. Тем не менее, в литературе на сегодняшний день практически отсутствуют данные о характере взаимодействия S. aureus, K.pneumonia, E.coli, S.mutans, C.albicans и других видов в составе смешанных биопленок, которые достаточно часто образуются на слизистых оболочках в условиях подавленного иммунитета. Соответственно, остаются также неохарактеризованными молекулярные механизмы и инструменты микроорганизмов, обуславливающие сложный характер взаимодействий в поливидовом микробном сообществе. Данные об эффективности даже широко используемых антибиотиков для эрадикации таких биопленок также отсутствуют.
Проект посвящен моделированию различных смешанных поливидовых бактериальных и грибково-бактериальных биопленок in vitro с целью характеристики типов взаимодействия микроорганизмов в них и разработки новых подходов для повышения эффективности их эрадикации на основе сочетания факторов естественного антагонизма бактерий и использования средств доставки на основе тиотерпеноидов. При этом низкомолекулярные гидрофобные молекулы BODIPY красителей способны легко проникать через липидные слои мембран клеток, связываться с гидрофобными фрагментами белков. Это позволяет использовать BODIPYs люминофоры для маркировки индивидуальных биомолекул и определения локализации биологически активного вещества и выяснения его механизма действия. Использование BODIPY-люминофоров, коньюгированных с биологически активными тиотерпеноидами и антимикробными препаратами позволит визуализировать процесс проникновения последних в клетку и охарактеризовать его на молекулярном уровне.
Поиск новых субстанций на основе полусинтетических тиотерпеноидов и антибиотиков/антимикотиков различных групп (нитрофураны, бета-лактамы, фторхинолоны, азолы и др.), выявление молекулярных механизмов резистентности, разработка эффективной системы доставки антимикробных агентов и ее визуализация с помощью конъюгатов с BODIPY-биомаркерами являются актуальной задачей и могут быть реализованы в рамках междисциплинарного проекта и только при совместной работе ученых из областей органического и неорганического синтеза, координационной химии, биохимии, микробиологии, генетики и медицины.
В ходе реализации проекта впервые будут:
1) установлен состав поливидового сообщества микроорганизмов и выявлены доминирующие колонизаторы слизистых оболочек ротовой полости в условиях инфекционного поражения слизистых оболочек ротовой полости, вызванного бактериальной микрофлорой и грибами рода Candida, по результатам анализа будут получены лабораторные модели смешанных бактериальных и грибково-бактериальных биопленок.
2) оценена эффективность различных групп антибиотиков для терапии полученных консорциумов, охарактеризованы закономерности взаимодействия между различными видами бактерий в составе смешанных биопленок, в том числе молекулярные механизмы данных взаимодействий, определяющие в том числе изменение эффективности антимикробных препаратов при терапии смешанных инфекций (руководитель научной группы д.б.н. Каюмов А.Р.);
3) разработаны методики синтеза серосодержащих терпеноидов на основе монотерпеновых тиолов, сульфохлоридов, тозилатов (мезилатов, галидов), кетонов, спиртов ментановой, борнановой, карановой и пинановой структур c гетероциклическими тиолами, аминами кабонильными соединениями, спиртами, в том числе содержащими пенициллиновые, цефалоспориновые, фторхинолоновые, триазоловые, нитрофурановые, пиримидиновые, имидазоловые, гексэтидиновые, амфениколовые и циклосериновые фрагменты, проведена оценка их антимикробной активности и идентифицированы соединения для использования в медицине, технологиях защиты животных и растений от патогенных микробных и микромицетных инфекций, ассоциированных с образованием биопленок (руководитель научной группы д.х.н. Рубцова С.А.);
4) Разработаны методики синтеза, получены и идентифицированы BODIPY-люминофоры, содержащие в мезо-спейсере индаценового остова алкильные (-CH2-)n заместители c реакционно-активными концевыми эфирными или карбоксильными группами, для конъюгации с полусинтетическими тиотерпеноидами и их производными. Будет изучено влияние структурных факторов и свойств среды, в том числе, модельных физиологических растворов, на спектрально-люминесцентные характеристики, липо- и гидрофильность, фото- и термостабильность, как самих синтезированных BODIPY-люминофоров, так и их конъюгатов с производными тиотерпеноидов (руководитель научной группы д.х.н. Антина Е.В.);
5) Проведено получение fusion-соединений тиотерпеноидов с люминофорами, что позволит в реальном времени проследить и описать процесс проникновения соединений в клетку и в биопленку, а также охарактеризовать влияющие на этот процесс факторы, их значимость и вклад.
Владение полученной информацией позволит скорректировать рекомендации по рациональному использованию различных групп антимикробных препаратов в зависимости от микробного состава инфекции и повысить эффективность ее терапии.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1.
Тризна Е.Ю., Яруллина М.Н., Байдамшина Д.Р., Миронова А.В., Ахатова Ф.С., Рожина Е.В., Фахруллин Р.Ф., Хабибрахманова А.М., Курбангалиева А.Р., Богачев М.И., Каюмов А.Р.
Bidirectional alterations in antibiotics susceptibility in Staphylococcus aureus—Pseudomonas aeruginosa dual‑species biofilm
Scientific Reports, V.10(1), P.14849 (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-71834-w
2. Каюмов А. Р., Тризна Е. Ю., Байдамшина Д. Р., Сабирова А. Э. Бактериальные биопленки: рай для бактерий или вызов инфектологии XXI века Тезисы докладов XII Всероссийского конгресса молодых ученых-биологов с международным участием «Симбиоз–Россия 2020» (год публикации - 2020)
3.
Тризна Е, Байдамшина Д., Яруллина М., Миронова А., Хабибрахманова А., Курбангалиева А., Каюмов А.
Bidirectional alterations in antibiotics susceptibility in Staphylococcus aureus - Pseudomonas aeruginosa dual-species biofilm
Proceedings of the Biofilms 9 conference (год публикации - 2020)
10.5194/biofilms9-100
Публикации
1.
Руба Махмуд, Елена Ю Тризна, Алина Е. Гатина, Светлана А. Лисовская, Ольга В Остолоповская, Лилия Е. Никитина, Айрат Р. Каюмов
Antimicrobial and antifungal activity of natural and synthetic terpenoids
European Journal of Clinical Investigation, EUROPEAN JOURNAL OF CLINICAL INVESTIGATION, Vol. 51, pp. 154-155 (год публикации - 2021)
10.1111/eci.13567
2.
Галина Гусева, Елена Антина, Михаил Березин, Александр Ксенофонтов, Роман Павельев, Ильмир Гильфанов, Светлана Рубцова, Айрат Каюмов, Ольга Остолоповская, Сергей Ефимов, Владимир Клочков, Илья Ходов, Лилия Никитина
Conjugate of meso-carboxysubstituted-BODIPY with thioterpenoid as an effective fluorescent probe: Synthesis, structure, spectral characteristics, and molecular docking
Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2021, p. e120638 (год публикации - 2021)
10.1016/j.saa.2021.120638
3.
Диана Р. Байдамшина, Елена Ю Тризна, Ольга В Остолоповская, Елена Ю Белоус, Алина О Яровая, Айрат Р. Каюмов
Antibacterial activity of Luctatol, the innovative multienzyme complex, against oral Streptococci
European Journal of Clinical Investigation, EUROPEAN JOURNAL OF CLINICAL INVESTIGATION, Vol. 51, pp. 167 (год публикации - 2021)
10.1111/eci.13567
Публикации
1.
М.С. Федорова, А.В. Миронова, А.Р. Каюмов, Е.Ю. Тризна
Cell-free supernatant of Staphylococcus aureus culture increases antimicrobials susceptibility of Pseudomonas aeruginosa
Opera Medica et Physiologica, Volume 9 Issue 3, pages 113-120 (год публикации - 2022)
10.24412/2500-2295-2022-3-113-120
2.
Гатина А., Тризна Е., Колесникова А., Байдамшина Д., Горшкова А., Дрюккер В., Богачев М., Каюмов А.
The Bovhyaluronidase Azoximer (Longidaza®) Disrupts Candida albicans and Candida albicans-Bacterial Mixed Biofilms and Increases the Efficacy of Antifungals
Medicina, Volume 58, page 1710 (год публикации - 2022)
10.3390/medicina58121710
3.
Р.Ю. Махмуд, Е.Ю. Тризна, Р.К. Сулайман, Р.С. Павельев, И.Р. Гильфанов, С.А. Лисовская, О.В. Остолоповская, Л.Л. Фролова, А.В. Кутчин, Г.В. Гусева, Е.В. Антина, М.Б. Березин, Л.Е. Никитина, А.Р. Каюмов
Increasing the Efficacy of Treatment of Staphylococcus aureus–Candida albicans Mixed Infections with Myrtenol
Antibiotics, Vol.11, page 1743 (год публикации - 2022)
10.3390/antibiotics11121743
4.
А.А. Ксенофонтов, П.С. Бочаров, Е.В. Антина, О.Г. Шевченко, А.В. Самородов, И.Р. Гильфанов, Л.Е. Никитина
Thioterpenoids as Potential Antithrombotic Drugs: Molecular Docking, Antiaggregant, Anticoagulant and Antioxidant Activities
Biomolecules, V.12., P. 1599 (год публикации - 2022)
10.3390/biom12111599
5.
Л.Е. Никитина, Р.С. Павельев, И.Р. Гильфанов, С.В. Киселев, З.Р. Азизова, А.А. Ксенофонтов и др., А.Р. Каюмов
Unraveling the Mechanism of Platelet Aggregation Suppression by Monoterpenoids
Bioengineering, Vol.9(1), P.24 (год публикации - 2022)
10.3390/bioengineering9010024
Публикации
1.
Гусева Г.Б., Антина Е.В., Березин М.Б., Никитина Л.Е., Гильфанов И.Р., Павельев Р.С., Лисовская С.А., Фролова Л.Л., Остолоповская О.В., Рахматуллин И.З., Клочков В.В., Тризна Е.Ю., Каюмов А.Р.
Novel BODIPY Conjugates with Myrtenol: Design, Spectral Characteristics, and Possibilities for Practical Application
Inorganics, Номер: 6, Том: 11, Страницы: 241 (год публикации - 2023)
10.3390/inorganics11060241
2.
Никитина Л.Е.,Лисовская·С.А.,Гильфанов И.Р.,Павельев·Р.С.,Остолоповская О.В.,Федюнина И.В.,Киселев С.В.,Азизова З.Р.,Пестова С.В.,Изместьев Е.С.,Рубцова С.А.,Ахвердиев·Р.Ф.,Герасимов А.В.,Сарбазян Э.А.,Шипина О.Т.,Бойчук С.В.,Измайлов·А.Г.
Thioterpenoids of the Bornane Series with Potent Activity Against Opportunistic Micromycetes
BioNanoScience, Том 13, страницы 26–35 (год публикации - 2023)
10.1007/s12668-023-01069-2
3.
Никитина Л.Е., Гильфанов И.Р., Павельев Р.С., Лисовская С.А., Тризна Е.Ю., И.З. Рахматуллин И.З., Клочков В.В., Давлетшин Р.Р., Бабаева О.Б., Колесникова А.И., Остолоповская О.В., Фролова Л.Л., Каюмов А.Р.
N-(((1S,5R)-6,6-Dimethylbicyclo[3.1.1]hept-2-en-2-yl)methyl)-3- dodecan/tetradecanamido-N,N-dimethylpropan-1- aminium Bromide
Molbank, Номер M1592 (год публикации - 2023)
10.3390/M1704
4. Миронова А.В., Федорова М.С., Закарова Н.Д., Салихова А.Р., Тризна Е.Ю., Каюмов А.Р. Влияние бесклеточной культуральной жидкости S. aureus на структуру и биохимический состав биопленок K. pneumoniae и P. aeruginosa Микробиология (год публикации - 2024)
5. The Repression of the Candida albicans Growth and Pseudomycelium Formation by Thiomonoterpenoid J. Biol. Regul. Homeost. Agents. 2024; 38(5): 3685–3698 (год публикации - 2024)
6.
Гильфанов И.Р., Павельев Р.С., Никитина Л.Е., Фролова Л.Л., Попов А.В., Рахматуллин И.З., Клочков В.В., Лисовская С.А., Тризна Е.Ю., Гришаев Д.Ю., Каюмов А.Р.
N-(((1S,5R)-6,6-Dimethylbicyclo[3.1.1]hept-2-en-2-yl)methyl)-3- ((1R,5S)-6,6-dimethylbicyclo[3.1.1]hept-2-ene/ane-2- carboxamido)-N,N-dimethylpropan-1-aminium Bromide
Molbank, Номер: М1592 (год публикации - 2023)
10.3390/M1592