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 20-75-00004

НазваниеИсследование активности антимикробных пептидов в отношении полирезистентных бактериальных инфекций

РуководительБолатчиев Альберт Добаевич, Кандидат медицинских наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ставропольский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации, Ставропольский край

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2022 

Конкурс№49 - Конкурс 2020 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-501 - Фармацевтическая химия, фармакология (в том числе клиническая фармакология)

Ключевые словаантимикробные пептиды, дефензины, резистентность, антибактериальная терапия, антибиотикоустойчивость

Код ГРНТИ76.31.00

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Стремительный и повсеместный рост устойчивости микроорганизмов к антибактериальным препаратам является одной из важнейших проблем современной медицинской науки. На сегодняшний день более 700 тысяч смертей ежегодно связано с ростом числа антибиотикорезистентных штаммов. К середине 21 века эта цифра достигнет 10 миллионов каждый год. Распространение полирезистентных штаммов приводит не только к увеличению летальности, но и ведет к увеличению длительности лечения и рисков побочных эффектов антибиотикотерапии. В этой связи представляется важным поиск и разработка новых методов преодоления антибиотикорезистентности. Одними из перспективных кандидатов на роль новых противомикробных препаратов являются так называемые антимикробные пептиды, которые продуцируются живыми организмами для борьбы с инфекциями. На сегодняшний день открыто более 3000 таких пептидов. Особенностью данных соединений является широкий спектр противомикробного действия (эффективны против бактерий, грибов и вирусов), а также то, что микроорганизмы практически лишены способности сформировать устойчивость к антимикробным пептидам. Изучение механизма действия антимикробных пептидов является важным направлением многих исследовательских групп по всему миру. Известно, что за счет своих уникальных физико-химических характеристик пептиды повреждают клеточную мембрану бактерий, это приводит к гибели бактериальных клеток. Помимо прямого противомикробного действия, антимикробные пептиды оказывают выраженное активирующее действие на иммунную систему, что также позволяет им реализовывать опосредованную противоинфекционную защиту. Однако, несмотря на большой потенциал, лекарственные препараты на основе антимикробных пептидов так и не были внедрены в клиническую практику. Это связано с тем, что клинические исследования потерпели неудачу, так как данные пептиды быстро разрушаются под воздействием ферментов. Кроме того, некоторые из данных соединений могут оказывать токсическое действие на клетки человека в высоких дозах (в настоящее время проходят клинические испытания антимикробные пептиды, показанные только для наружного применения). Другая проблема практического применения пептидов - это высокая стоимость синтеза. В этой связи представляется перспективным исследование применения небольших доз антимикробных пептидов для преодоления резистентности к антибиотиками, используемым в клинической практике, а также поиск способов стимуляции продукции эндогенных антимикробных пептидов. Проект направлен на поиск и разработку новых подходов к фармакотерапии полирезистентных бактериальных инфекций. Целями данного проекта является: 1) исследование противомикробной активности антимикробных пептидов HNP-1, hBD-3, LL-37 и Epi-1 и их сочетанной эффективности в комбинации с друг с другом, в отношении следующего перечня полирезистентных возбудителей: A. baumannii, не чувствительные к карбапенемам; P. aeruginosa, не чувствительные к карбапенемам; K. pneumoniae и E. coli, резистентные к карбапенемам и цефалоспоринам III поколения; E. faecium, резистентные к ванкомицину; ванкомицин-резистентные S. aureus (VRSA); 2) исследование комбинированного противомикробного эффекта антимикробных пептидов и антибактериальных препаратов in vivo в следующих комбинациях: 1) hBD-3+меропенем и Epi-1+меропенем в экспериментальной модели генерализованной инфекции, вызванной E. coli, резистентной к карбапенемам и цефалоспоринам III поколения; 2) LL-37+оксациллин и Epi-1+оксациллин в экспериментальной модели генерализованной инфекции, вызванной метициллин-резистентным штаммом S. aureus; 3) исследование активности 4-фенилбутировой кислоты, кальцитриола, розувастатина, андрографолида на продукцию эндогенных антимикробных пептидов in vivo. Ранее в отношении полирезистентных штаммов с представленными характеристиками подобные исследования не проводились, а также не изучалось комбинированное противомикробное действие антимикробных пептидов in vitro и in vivo. Активность представленных низкомолекулярных соединений на синтез эндогенных антимикробных пептидов ранее не изучалась in vivo в экспериментальных моделях генерализованных инфекций, вызванных полирезистентной флорой.

Ожидаемые результаты
В ходе реализации проекта планируется получить результаты, которые позволят разработать новые подходы к фармакотерапии полирезистентных бактериальных инфекций, вызванных следующими возбудителями (по классификации Всемирной организации здравоохранения): - критические важные возбудители: A. baumannii, не чувствительные к карбапенемам; P. aeruginosa, не чувствительные к карбапенемам; K. pneumoniae и E. coli, резистентные к карбапенемам и цефалоспоринам III поколения; - возбудители высокого уровня важности: E. faecium, резистентные к ванкомицину; S. aureus, метициллин-резистентные (MRSA) и ванкомицин-резистентные (VRSA). Будет исследована эффективность антимикробных пептидов в сочетании с друг другом против данных патогенов in vitro. Затем на основании полученных данных, в условиях in vivo будут исследованы возможности использования антимикробных пептидов для преодоления резистентности к антибиотикам, используемым в клинической практике. Более того, будут проведены исследования, позволяющие разработать стратегии стимуляции продукции собственных (эндогенных) антимикробных пептидов с помощью введения низкомолекулярных соединений в условиях in vivo в экспериментальных моделях генерализованных инфекций, вызванных полирезистентной бактериальной флорой. Научная и общественная значимость ожидаемых результатов обосновывается высоким уровнем актуальности обозначенной ранее проблемы и острой необходимостью в поиске новых методов лечения устойчивых к антибиотикам бактериальных инфекций. Предполагаемые результаты будут соответствовать мировому уровню исследований, так как поиск решения проблемы антибиотикорезистентности является проблемой мирового масштаба и в ходе реализации проекта будут использоваться общепризнанные стандартные методы изучения противомикробных соединений. Результаты будут опубликованы в рецензируемых высокорейтинговых международных научных журналах, а также представлены на международных конференциях. Ожидаемые результаты внесут большой вклад в поиск новых стратегий преодоления антибиотикорезистентности и с высокой долей вероятности могут быть использованы для разработки новых классов лекарственных препаратов, что, несомненно, внесет значимый вклад в экономику и социальную сферу. К примеру, возможно создание инновационного предприятия при поддержке государственных институтов развития ("Фонд содействия инновациям", фонд "Сколково"). Это в отдаленной перспективе (3-5 лет) внесет вклад в экономику России, за счет потенциальных продаж новых лекарственных препаратов и создания новых рабочих мест.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Была исследована противомикробная активность антимикробных пептидов альфа-дефензина-1 (HNP-1), бета-дефензина-3 (hBD-3), кателицидина (LL-37) и эпинецидина-1 (Epi-1) в отношении таких полирезистентных бактериальных инфекций, как карбапенем-резистентные штаммы A. baumannii, P. aeruginosa, K. pneumoniae и E. coli; метициллин-чувствительные (MSSA), метициллин-резистентные (MRSA), ванкомицин-резистентные штаммы S. aureus (VRSA); ванкомицин-резистентные E. faecium (VRE). Впервые в отношении данных штаммов было изучено комбинированное противомикробное действие при совместном применении HNP-1+hBD-3 и hBD-3+LL-37. Дополнительно были исследованы серии штаммов S. aureus (n=27) и E. coli (n=24), против которых были изучены антимикробные пептиды HNP-1, hBD-1 и hBD-3 в комбинации с препаратами, применяемыми в клинической практике (рифампицин и амикацин). Среди штаммов золотистого стафилококка 8 были MSSA, 19 - MRSA; среди штаммов кишечной палочки 20 - карбапенем-чувствительные, а 4 - устойчивые к карбапенемам. Более того, были также проведены эксперименты на лабораторных крысах линии Wistar. В экспериментальной модели генерализованной инфекции, вызванной карбапенем-устойчивым штаммом E. coli, было изучено влияние совместного применения hBD-3/Epi-1 с меропенемом на летальность. Было показано, что из всех изученных антимикробных пептидов наиболее "широким" спектром действия обладает hBD-3, действующий на грамположительных и грамотрицательных полирезистентных возбудителей. hBD-3 проявляет синергизм при совместном применении с HNP-1 против грамположительных кокков. HNP-1 + рифампицин и hBD-3 + рифампицин обладают синергетическим эффектом в отношении золотистых стафилококков (в т.ч. MRSA). HNP-1 + амикацин и hBD-3 + амикацин обладают синергетическим действием против кишечной палочки, включая карбапенем-устойчивые штаммы; следовательно антимикробные пептиды HNP-1 и hBD-3 могут быть исследованы, как перспективные кандидаты для преодоления устойчивости к антибактериальным препаратам, применяемым в клинической практике. Антимикробные пептиды HNP-1, Epi-1 и LL-37 могут быть эффективны против грамположительных кокков. Вероятно, hBD-3 in vivo позволяет преодолеть резистентность E. coli к карбапенемам (требуется расширенное исследование для подтверждения - запланировано на второй год).

 

Публикации

1. Болатчиев А.Д. Antibacterial activity of human defensins against Staphylococcus aureus and Escherichia coli PeerJ, 8:e10455 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.7717/peerj.10455

2. - Вместе с антибиотиками. Противомикробные пептиды человека против бактериальных инфекций. Коммерсант, - (год публикации - )

3. - Битва за эффективность: российские учёные разработали стратегию борьбы с устойчивыми к антибиотикам бактериями Russia Today, - (год публикации - )

4. - Антимикробные белки человека предложили использовать против инфекций ТАСС, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе работы была исследована эффективность совместного применения hBD-3 и меропенема, а также hBD-3 и Epi-1 в экспериментальной модели сепсиса с целью поиска способов преодоления резистентности грамотрицательных бактерий к карбапенемам. Впервые было показано, что: 1) в экспериментальной модели летального сепсиса у мышей антимикробный пептид hBD-3 позволяет преодолевать устойчивость K. pneumoniae к карбапенемам; 2) в экспериментальной модели сепсиса у мышей комбинированное применение Epi-1 и hBD-3 более эффективно, чем монотерапия hBD-3; 3) антимикробные пептиды hBD-3 и Epi-1 могут стать перспективной стратегией для разработки новых методов лечения антибиотикоустойчивых инфекций. Важно отметить, что данные результаты были достигнуты при однократном введении антимикробных пептидов. Исследование опубликовано в журнале Antibiotics: https://www.mdpi.com/2079-6382/11/1/76 Было проведено исследование эффективности комбинации LL-37/Epi-1 с оксациллином в экспериментальной модели генерализованной инфекции (MRSA) с целью поиска способов преодоления резистентности стафилококков к бета-лактамным антибиотикам. Было показано, что антимикробные пептиды LL-37 и Epi-1 снижают летальность в экспериментальной модели сепсиса при однократном введении, а совместное однократное применение LL-37/Epi-1 с оксациллином не позволяет преодолеть резистентность метициллин-устойчивых золотистых стафилококков к бета-лактамным антибиотикам. Впервые было исследовано влияние ряда низкомолекулярных соединений на уровень эндогенных антимикробных пептидов hBD-1 и LL-37 в условиях in vivo. Было показано, что мелатонин, витамин D, андрографолид, левофлоксацин, 4-фенилбутировая кислота, розувастатин и валсартан повышают уровень эндогенного hBD-1 у крыс. Более того, мелатонин, витамин D, андрографолид, левофлоксацин, азитромицин и 4-фенилбутировая кислота могут усиливать экспрессию эндогенного LL-37 у крыс. Это открывает возможности для разработки нового класса лекарственных препаратов – индукторов экспрессии эндогенных антимикробных пептидов. В рамках работы над проектов впервые было экспериментально показано, что методы машинного обучения и искусственного интеллекта позволяют разрабатывать новые антимикробные пептиды с выраженной антибактериальной активностью. Был получен ряд пептидных соединений, эффективных в отношении карбапенем-устойчивых грамотрицательных бактерий. Более того, полученные соединения снижали летальность в экспериментальной модели сепсиса у мышей. Исследование опубликовано в журнале Antibiotics: https://www.mdpi.com/2079-6382/11/3/411

 

Публикации

1. Болатчиев А.Д. Antimicrobial Peptides Epinecidin-1 and Beta-Defesin-3 Are Effective against a Broad Spectrum of Antibiotic-Resistant Bacterial Isolates and Increase Survival Rate in Experimental Sepsis Antibiotics, Номер: 1, Том: 11, стр. 76 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/antibiotics11010076

2. Болатчиев А.Д. Мелатонин и витамин D3 усиливают экспрессию эндогеннего бета-дефензина-1 у крыс Медицинский вестник Северного Кавказа, - (год публикации - 2022)

3. Болатчиев А.Д., Батурин В.А., Болатчиева Е.Ю. Andrographolide and 4-Phenylbutyric Acid Administration Increase the Expression of Antimicrobial Peptides Beta-Defensin-1 and Cathelicidin and Reduce Mortality in Murine Sepsis Antibiotics, 11(11):1629 (год публикации - 2022) https://doi.org/https://www.mdpi.com/2079-6382/11/11/1629/html

4. Болатчиев А.Д., Батурин В.А., Щетинин Е.В., Болатчиева Е.Ю. Novel Antimicrobial Peptides Designed Using a Recurrent Neural Network Reduce Mortality in Experimental Sepsis Antibiotics, 11(3):411 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/antibiotics11030411

5. - В тихом окуне: как рыбы помогут победить супербактерии. Особые белки из организма морских обитателей вернут эффективность переставшим работать антибиотикам Известия, https://www.mdpi.com/2079-6382/11/1/76 (год публикации - )

6. - В России с помощью ИИ получили вещества с сильной антибактериальной активностью ТАСС, https://www.mdpi.com/2079-6382/11/3/411 (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Результаты, полученные в ходе работы над проектом позволяют разработать ряд новых фармакологически активных соединений для борьбы с антибиотикорезистентными инфекциями. На основе полученных данных возможно создание трех типов препаратов: 1) антибактериальные пептиды природного происхождения; 2) антибактериальные пептиды, сконструированные с помощью методов машинного обучения (наиболее патентоспособные соединения); 3) малые молекулы-индукторы экспрессии эндогенных антимикробных пептидов. Руководитель проекта планирует привлечение финансирования из государственных фондов ("Сколково" и др.) для запуска инновационного предприятия по разработке и внедрению новых противомикробных соединений. Более того, в свете информации о возможной разработке биологического оружия, полученные данные могут стать эффективным инструментом противодействия биологическим угрозам, став технологией двойного назначения.