Изучение биофизических основ взаимодействия полиеновых антимикотиков с липидами мембран для создания их более эффективных и менее токсичных лекарственных форм

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 22-74-10023

НазваниеИзучение биофизических основ взаимодействия полиеновых антимикотиков с липидами мембран для создания их более эффективных и менее токсичных лекарственных форм

Руководитель Ефимова Светлана Сергеевна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт цитологии Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-204 - Биофизика

Ключевые слова мембраны, липидные бислои, липосомы, ионные каналы, малые молекулы растительного происхождения, полиеновые макролидные антибиотики, амфотерицин В, эхинокандины

Код ГРНТИ34.15.35, 34.17.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Наблюдающийся в последнее десятилетие значительный рост грибковых заболеваний и случаев применения в медицинской практике антибиотиков привел к существенному росту резистентности патогенных штаммов к используемым противогрибковым средствам. Это возродило интерес исследователей и клиницистов к давно известным и наиболее эффективным лекарственным препаратам, характеризующимся низкой вероятностью развития устойчивости у возбудителей. Среди антимикотиков, использующихся для лечения системных грибковых инфекций, низкой резистентностью наряду с высокой активностью характеризуются полиеновые макролиды. Однако, их применимость существенно ограничена достаточно выраженной токсичностью. С целью ее снижения еще в 80-е годы прошлого столетия были созданы липид-ассоциированные, в том числе, липосомальные формы полиеновых макролидов, и, в частности, амфотерицина В. Тем не менее, липосомальные формы также характеризуются рядом побочных эффектов со стороны пищеварительной, нервной, сердечно-сосудистой и дыхательной систем. Таким образом, увеличивающаяся антибиотикорезистентность патогенных штаммов, с одной стороны, и все еще высокая токсичность имеющихся лекарственных форм полиеновых макролидов, с другой стороны, обусловливают необходимость разработки их инновационных форм. Учитывая, что механизм действия полиеновых макролидов, а, следовательно, их терапевтическая и токсическая активность, связаны с нарушением проницаемости клеточных оболочек, решение этой задачи не представляется возможным без понимания тонких механизмов взаимодействия полиеновых макролидов с липидами мембраны и последующей оптимизации состава полиен-содержащих липосом путем направленной модификации формирования и функционирования полиен-стериновых комплексов. Предлагаемый Проект сосредоточен на решении этой амбициозной задачи. Обоснованием возможности достижимости цели Проекта является существенный опыт коллектива заявителей и имеющийся научный задел, подтвержденный публикациями в ведущих реферируемых изданиях. В частности, в ходе многолетних исследований коллективом были обнаружены малые молекулы растительного происхождения (флавоноиды и алкалоиды), потенцирующие порообразующую способность полиеновых макролидов, продемонстрированы возможности модификации полиен-стериновых взаимодействий при изменении фосфолипидного и сфинголипидного состава мембран, а также установлены молекулярные механизмы действия полусинтетических аналогов полиеновых макролидов. В ходе выполнения предлагаемого Проекта работа будет вестись по нескольким направлениям: расширение круга малых молекул, способных увеличивать порообразующую активность полиеновых макролидов, поиск стеринов, к которым полиеновые макролиды характеризуются меньшим сродством, чем к эргостерину, но большим, чем к холестерину, изучение возможностей модификации токсичности и эффективности липосомальных комплексов при систематическом варьировании фосфолипидной составляющей и вида полиенового антимикотика. Результатом Проекта авторы видят создание прототипов инновационных липосомальных форм полиеновых макролидных антимикотиков, включающих помимо различных липидных компонент (фосфолипидов и стеринов) малотоксичные молекулы растительного или синтетического происхождения. В рамках Проекта будет протестировано действие предлагаемых прототипов лекарственных препаратов на модельные липидные мембраны, имитирующие мембраны клеток мишеней, и на релевантные клеточные тест-системы. Для решения поставленных задач моделирования терапевтического и токсического действия полиеновых макролидов планируется применить комплексный методологический подход, включающий регистрацию токов, протекающих через плоские липидные бислои, флуориметрический метод оценки проницаемости липидных бислоев, основанный на измерении утечки маркера из липидных везикул, определение спектра поглощения антибиотиков и их концентрации в липосомах, электронную микроскопию однослойных липидных везикул, динамическое рассеяние света для измерения размеров липосом. Особое внимание планируется уделить созданию липид-ассоциированных форм противогрибковых липопептидов, в частности, эхинокандинов и фенгицина, а также оценить перспективы разработки комбинированных антимикотических средств, включающих как полиеновые макролиды, так и липопептиды.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ефимова С.С., Остроумова О.С. Modulation of dipole potential of model lipid membranes by phytochemicals: molecular mechanisms, structure-activity relationships and implications to reconstituted ion channels Membranes, 13, 453. (год публикации - 2023)
10.3390/membranes13040453

2. Ефимова С.С., Малыхина А.И., Остроумова О.С. Triggering the amphotericin B pore-forming activity by phytochemicals Membranes, 13, 7, 670 (год публикации - 2023)
10.3390/membranes13070670

3. Малыхина А.И., Ефимова С.С., Андриянов В.С., Остроумова О.С. The interaction of plant flavones with amphotericin B: consequences for its pore-forming ability Biomedicine & Pharmacotherapy, 175:116723 (год публикации - 2024)
10.1016/j.biopha.2024.116723

4. Ефимова С.С., Остроумова О.С. Дипольный потенциал мембраны: способы модификации и последствия для встроенных в мембрану ионных каналов Cell and Tissue Biology, 18(6): 602–631 (год публикации - 2024)
10.1134/S1990519X24700524

5. Ефимова С.С., Остроумова О.С. Antibiotic loaded phytosomes as a way to develop innovative lipid formulations of polyene macrolides Pharmaceutics, 16(5): 665 (год публикации - 2024)
10.3390/pharmaceutics16050665

6. Ефимова С.С., Остроумова О.С. Mechanisms of lipid-mediated regulation of the pore-forming activity of antimicrobial agents: studies on planar lipid bilayers Biochemistry (Moscow), Supplement Series A: Membrane and Cell Biology, Vol. 18, No. 3, pp. 257–273. (год публикации - 2024)
10.1134/S1990747824700247

7. Малыхина А.И., Остроумова О.С., Ефимова С.С. Assessing the influence of xanthene dyes on the physical properties of lipid membranes using the molecular dynamics simulation Cell and Tissue Biology (год публикации - 2025)

8. Малыхина А.И., Ефимова С.С., Остроумова О.С. Membrane-mediated action of phosphodiesterase 5 inhibitors Pharmaceutics, 17: 563. (год публикации - 2025)
10.3390/pharmaceutics17050563

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Для создания комбинированных противогрибковых препаратов, характеризующихся низким риском развития резистентности, в состав полиен-содержащих липосом вводили другие высокоэффективные противогрибковые агенты, в частности, липопептиды, имеющие отличную от полиенов мишень действия. В качестве таких противогрибковых антибиотиков были протестированы эхинокандины (анидулафунгин, микафунгин и каспофунгин), механизмом действия которых является ингибирование фермента, синтезирующего компонент клеточной стенки, 1,3-бета-глюкансинтазы. Амфифильная природа липопептидных молекул эхинокандинов подразумевает возможность их взаимодействия с мембранными липидами и включения в состав липосомальных форм. Работы на третьем этапе проекта были посвящены разработке липосомальных комплексов комбинированных противогрибковых препаратов, включающих два антибиотика и малые молекулы растительного происхождения. В ходе работы в отчетном периоде дана количественная оценка способности эхинокандинов, анидулафунгина, микафунгина и каспофунгина, изменять проницаемость эргостерин-содержащих мембран. С применением методов дифференциальной сканирующей микрокалориметрии, молекулярной динамики и конфокальной флуоресцентной микроскопии показано, что эхинокандины уменьшают плотность упаковки липидов и изменяют ее доменную организацию. Выявлена способность эхинокандинов формировать ион-селективные поры в эргостерин-содержащих мембранах. Включение эхинокандинов в липосомы потенцирует их порообразующую способность. Прогнозируемый терапевтический индекс фитосом, включающих комбинацию амфотерицин В/анидулафунгин или амфотерицин В/микафунгин ниже, чем для фитосомальных форм амфотерицина В в 3 и 2 раза соответственно. Проведена оценка противогрибковой эффективности разработанных фитосомальных форм, включающих два антибиотика в отношении ряда клинических изолятов патогенных грибов.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Создан научно-технический задел для разработки новых менее токсичных и более эффективных противогрибковых препаратов на основе известных антибиотиков.