Новые аналоги нуклеиновых кислот для лечения инфекций, вызванных лекарственно-устойчивыми штаммами патогенных бактерий

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 22-13-00212

НазваниеНовые аналоги нуклеиновых кислот для лечения инфекций, вызванных лекарственно-устойчивыми штаммами патогенных бактерий

Руководитель Стеценко Дмитрий Александрович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук" , Новосибирская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-103 - Синтез, строение и свойства природных и физиологически активных веществ; медицинская химия и прогнозирование различных видов биоактивности

Ключевые слова Aнтисмысловые олигонуклеотиды, конъюгаты векторных пептидов, нозокомиальные инфекции, посттранскрипционное ингибирование экспрессии генов, антибиотикоустойчивость, доставка в клетки

Код ГРНТИ31.23.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В докладе ВОЗ, опубликованном в апреле 2014 года, распространение лекарственной устойчивости патогенных микроорганизмов обозначено как «одна из серьезнейших угроз для здоровья людей», которая требует для своего решения объединенных усилий ученых развитых стран мира. Производные нуклеиновых кислот, способные избирательно подавлять экспрессию отдельно взятых генов, рассматриваются за рубежом в качестве перспективных инструментов для преодоления бактериальной антибиотикоустойчивости. В то же время в Российской Федерации, в отличие от ведущих зарубежных стран, этой теме все еще уделяется недостаточно внимания. Широкое распространение в последнее время нозокомиальных (госпитальных) инфекций, вызванных устойчивыми к антибиотикам штаммами Enterococcus faecius, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa, Enterobacter sp. (патогены группы «ESKAPE»), делает разработку новых эффективных средств борьбы с ними особенно актуальной. Однако для успешного противодействия бактериальным инфекциям с помощью производных нуклеиновых кислот необходимо в первую очередь обеспечить эффективную доставку препаратов в клетки бактерий. Данный проект нацелен на разработку новых производных антисмысловых олигонуклеотидов с улучшенным проникновением в клетки бактерий Staphylococcus aureus и Acinetobacter baumannii, входящих в группу «ESKAPE», на основе опыта научной группы в получении аналогов нуклеиновых кислот и в создании систем доставки олигонуклеотидов в клетки. Результаты реализации проекта предназначены для использования при лечении нозокомиальных (внутрибольничных) инфекций, вызываемых антибиотикорезистентными штаммами патогенных бактерий Acinetobacter baumannii и Staphylococcus aureus (MRSA), которые по классификации ВОЗ относятся к критически высокому и высокому уровню приоритетности, соответственно. Таким образом, тематика проекта имеет высокую значимость и заполняет имеющийся в отечественной фундаментальной науке пробел в области разработки антибактериальных препаратов на основе производных нуклеиновых кислот.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Патрушев Д.Э., Буракова Е.А., Бизяев С.Н., Фокина А.А., Стеценко Д.А. Новые цвиттер-ионные олигонуклеотиды: получение и комплементарное связывание. Молекулярная биология, 2023, Т. 57, №2, стр. 1-18 (год публикации - 2023)

2. Фокина А.А., Полетаева Ю.Е, Дукова С., Клабенкова К.В., Радькова З.В., Бакулина А.Ю., Зацепин Т.С., Рябчикова Е.В., Стеценко Д.А. Template-Assisted Assembly of Hybrid DNA/RNA Nanostructures Using Branched Oligodeoxy- and Oligoribonucleotides Int. J. Mol. Sci., 21, 24, 15978 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms242115978

3. Клабенкова К.В., Чалова (Жданова) П.В., Буракова Е.А., Бизяев С.Н., Фокина А.А., Стеценко Д.А. A Convenient Oligonucleotide Conjugation via Tandem Staudinger Reaction and Amide Bond Formation at the Internucleotidic Phosphate Position Int. J. Mol. Sci., опубликована онлайн 12.12.2023 (год публикации - 2023)
10.20944/preprints202312.0751.v1

4. Сергеева О., Ахметова Е., Дюкова С., Белоглазкина Е., Успенская А., Мачулкин А., Стеценко Д., Зацепин Т. Structure-activity relationship study of mesyl and busyl phosphoramidate antisense oligonucleotides for unaided and PSMA-mediated uptake into prostate cancer cells Frontiers in Chemistry (год публикации - 2024)
10.3389/fchem.2024.1342178

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Целью проекта была разработка новых подходов к созданию модифицированных олигонуклеотидов, способных успешно преодолевать антибиотикорезистентность бактериальных патогенов. В качестве последних в проекте рассматривали Acinetobacter baumannii, принадлежащий к критически важному уровню угрозы здоровью по классификации ВОЗ и метициллин-резистентный стафилококк Staphilococcus epidermidis. В экспериментах по подавлению роста культуры бактерий с помощью антисмысловых олигонуклеотидов (АОН) были использованы два класса аналогов ДНК/РНК: как хорошо известные тиофосфатные олигонуклеотиды, так и разработанные в нашей лаборатории мезилфосфорамидные (μ) олигонуклеотиды. При этом к каждому из двух патогенов применяли отдельный подход. Для A. baumannii было важно выбрать жизненно важный ген (ген «домашнего хозяйства»), эффективное подавление экспрессии которого летально для бактерии. Для S. epidermidis был выбран ген устойчивости к пенициллинам MecA1, подавление экспрессии которого восстанавливает чувствительность к антибиотикам данной группы. Таким образом, работа над проектом в 2024 г. развивалась параллельно по двум направлениям. При этом было отмечено несколько существенных закономерностей, которые составляют основные результаты проекта за отчетный год. 1. Ранее было показано, что наибольшая активность μ-олигонуклеотидов достигается при использовании трансфекционных агентов или при таргетной доставке (Sergeeva et al., Front. Chem. 2024, 12, 1342178, doi: 10.3389/fchem.2024.1342178). В проекте было предложено использовать широко применяемый для трансфекции эукариотических клеток реагент полиэтиленимин (ПЭИ), который ранее показал эффективность в комбинации с μ-олигонуклеотидом при ингибировании роста культуры грамотрицательного патогена Proteus mirabilis (проект РФФИ № 15-29-01334_офи_м). В настоящем проекте было продемонстрировано, что линейный ПЭИ 40 000 кДа в малых количествах (0.3 мкл), по данным лазерной конфокальной микроскопии, слабо способствует проникновению μ-олигонуклеотидов в грамположительные стафилококки, а в больших (5 мкл) – оказывает на культуру S. epidermidis выраженное антибактериальное действие. В то же время, в присутствии ПЭИ μ-олигонуклеотиды были способны проникать в клетки грамотрицательного патогена A. baumannii, при этом ПЭИ не оказывал значительного антибактериального эффекта. Таким образом, был сделан вывод, что линейный ПЭИ 40 000 кДа, хотя и малопригоден, по-видимому, для доставки олигонуклеотидов в клетки грамположительных бактерий, но представляется перспективным трансфекционным агентом для дальнейших исследований по доставке олигонуклеотидов в клетки грамотрицательных бактерий. 2. Полученные в отчетном году новые модифицированные антисмысловые олигонуклеотиды оказались эффективны как в отношении восстановления чувствительности антибиотикорезистентных штаммов S. epidermidis 1827 и 3054, выделенных у пациентов с диабетической язвой стопы, к бензилпенициллину за счет ингибирования гена антибиотикорезистентности MecA1, так и при подавлении гена «домашнего хозяйства» ftsZ A. baumannii, причем как у чувствительных к антибиотикам штаммов 2462 (АТСС 19606) и 2030, так и у штамма 3834 с множественной антибиотикорезистентностью (MDR). Сравнение тиофосфатных и разработанных в нашей лаборатории мезилфосфорамидных (μ) олигонуклеотидов в контексте гапмеров с полной модификацией межнуклеотидных фосфатных групп показало преимущество μ-олигонуклеотидов в отношении обоих патогенов – как A. baumannii, так и S. epidermidis. 3. Впервые полученные в ходе выполнения проекта и нацеленные на ген ftsZ олигонуклеотиды-гапмеры, содержащие остатки «замкнутых» нуклеиновых кислот (locked nucleic acids, LNA) в сочетании с мезилфосфорамидными межнуклеотидными группами, проявили активность против A. baumannii, причем не только в отношении антибиотикочувствительных штаммов 2462 и 2030, но и антибиотикорезистентного клинического изолята 3834. 4. В отношение S. epidermidis было зарегистрировано ингибирование роста культуры с помощью антисмысловых олигонуклеотидов-гапмеров нового поколения, содержавших цвиттер-ионные модификации фосфатной группы, разработанные с целью облегчить доставку в клетки бактерий. При этом ингибирование достигалось как в присутствии ПЭИ, так и в его отсутствие. Таким образом, можно осторожно предположить, что предложенные цвиттер-ионные группы не только не мешают, но и способствуют антисмысловой активности, возможно, за счет улучшения проникновения олигонуклеотидов через клеточную стенку стафилококков. Для более полного раскрытия потенциала цвиттер-ионных олигонуклеотидов как антибактериальных средств необходимо проведение дальнейших исследований. Таким образом, в ходе выполнения проекта была продемонстрирована принципиальная возможность преодоления антибиотикорезистентности бактериальных патогенов как за счет восстановления чувствительности к пенициллину у резистентного штамма стафилококка при помощи олигонуклеотида, ингибирующего ген устойчивости к антибиотику, так и путем прямого подавления роста культуры как чувствительных, так и резистентного штамма A. baumannii за счет ингибирования гена «домашнего хозяйства». При условии проведения дальнейших исследований в данном направлении на основе полученных результатов представляется возможным создание эффективной медицинской технологии преодоления антибиотикорезистентности патогенных бактерий с помощью антисмысловых олигонуклеотидов.

Публикации

Возможность практического использования результатов
В ходе выполнения проекта была продемонстрирована принципиальная возможность преодоления антибиотикорезистентности важного бактериального патогена Acinetobacter baumannii, представляющего критически важный уровень угрозы здоровью по классификации ВОЗ, который входит в тройку главных инфекционных агентов в российских госпиталях, а также метициллин-резистентного стафилококка Staphilococcus epidermidis, который в недавнее время приобрел клиническую значимость в связи с распространением антибиотикорезистентности, при помощи новых олигонуклеотидов оригинальной структуры, нацеленных на жизненно важные гены бактерий. При условии проведения дальнейших исследований на основе полученных в проекте результатов представляется возможным создание эффективной медицинской технологии преодоления антибиотикорезистентности патогенных бактерий с помощью терапевтических олигонуклеотидов.