Development, synthesis and analysis of structural modifications of peptides of catelicidin family

Abstract

АННОТАЦИЯ магистерской диссертации Поляковой Валентины Александровны Кафедра Биохимии Направление подготовки «Биология» Научный руководитель - профессор каф. биохимии д.б.н. Шамова Ольга Валерьевна Разработка, синтез и анализ антибиотической активности структурных модификаций пептидов семейства кателицидинов На сегодняшний день появляется всё больше бактерий, резистентных к различным классам антибиотиков, что определяет необходимость поиска принципиально новых препаратов, действующих на антибиотикорезистентные бактерии. Таким классом антибиотиков могут стать антимикробные пептиды (АМП) млекопитающих, в частности кателицидины, для которых показана высокая антибактериальная активность против устойчивых к антибиотикам патогенных микроорганизмов. Поскольку многие природные АМП обладают в той или иной степени цитотоксическим действием в отношении собственных клеток организма, важной задачей является получение эффективных и безопасных антибиотических препаратов на основе антимикробных пептидов. Объектом данной работы служил пептид семейства кателицидинов – протегрин 1 – АМП, проявляющий высокую антимикробную активность широкого спектра, но обладающий некоторой гемолитической активностью в отношении эритроцитов человека. Целью исследования являлся поиск подходов к созданию прототипов новых антибиотиков на основе протегрина-1. Среди возможных путей снижения его токсичности были выбраны следующие: получение пептидов-аналогов протегрина 1 (PG1) с различными структурными модификациями, исследование сочетанного действия PG1 с применяемыми в клинике антибиотическими препаратами и конъюгация PG1 с антибиотиком, с которым пептид проявлял синергическое антимикробное действие. Проведен сравнительный анализ антимикробной активности и гемолитических свойств ряда химически синтезированных аналогов PG1, установлено, что аналог АП4 (пептид, не имеющий дисульфидных связей, с более высоким, чем у PG1 суммарным положительным зарядом молекулы) обладает выраженной антимикробной активностью в отношении антибиотикоустойчивых бактерий (хотя и более низкой, чем у PG1), и практически лишен гемолитической активности, характерной для протегрина. При исследовании совместного действия PG1 и антибиотиков (амикацина, офлоксацина, оксациллина) выявлены синергические антибактериальные эффекты при использовании комбинаций амикацина и протегрина-1 в отношении антибиотико-устойчивых клинических изолятов E. coli ESBL 521/17, Acinetobacter baumannii 7226/16, Staphylococus aureus 1399/17. С применением различных методик получены конъюгаты PG1 с амикацином. Показано, что по показателям антимикробной активности они уступают нативному PG1, причем их гемолитическая активность сохраняется. По результатам проведенных исследований можно заключить, что наиболее перспективным с точки зрения практического применения является, как создание аналогов с оптимизированными свойствами, так и сочетанное применение препаратов на основе PG1 или его структурных аналогов в комбинации с другим антибиотическим соединением, в частности амикацином.

SUMMARY Master thesis by Polyakova Valentina Aleksandrovna Department of Biochemistry Supervisor: Professor of the Department of Biochemistry, PhD, associate Prof. O. V. Shamova Development, synthesis and analysis of the antibiotic activity of structural modifications of peptides of the cathelicidins family Currently a variety of bacteria resistant to different classes of antibiotics is emerging, pointing to the urgent search for principally new drugs affecting drug-resistant bacteria. Antimicrobial peptides (AMP) of mammals, particularly cathelicidins, which show high antibacterial activity against antibiotic-resistant pathogens, could serve as such novel antibiotics. But many of natural AMPs possess also some cytotoxic effect on the host cells, that determines the necessity of finding special ways for development of effective and safe antibiotic drugs based on AMPs. As a main object of this work we have chosen a peptide of the cathelicidins family - protegrin 1 - AMP with potent high spectrum antimicrobial activity, but also with some hemolytic activity toward human erythrocytes. This study was aimed at finding approaches to create templates for new antibiotics based on protegrin-1. Among the possible ways to reduce its cytotoxicity were the following: exploration of varied structural analogues of protegrin 1 (PG1), investigation of the combined action of PG1 with conventional antibiotics and conjugation of PG1 with an antibiotic whose combined action with the peptide resulted in a synergistic effect. A comparative analysis of antimicrobial activity and hemolytic properties of a number of chemically synthesized PG1 analogues was carried out, we have selected the promising analog - AP4 (the peptide with a lack of disulfide bonds and a higher net positive charge comparing to PG1) that had a pronounced antimicrobial activity against antibiotic-resistant bacteria (although lower than PG1), but practically had no hemolytic activity in contrast to the parent peptide. The study of the combined action of PG1 and antibiotics (amikacin, ofloxacin, oxacillin) revealed the synergistic antibacterial effects in combinations of amikacin and protegrin-1 against antibiotic-resistant clinical isolates of E. coli ESBL 521/17, Acinetobacter baumannii 7226/16, Staphylococus aureus 1399/17. By means of different methods we have conjugated PG1 with amikacin. It is shown that the conjugates had lower values of antimicrobial activity in comparison with free PG1 but their hemolytic activity remained. The obtained results allow as to conclude that the most promising way leading to PG1 practical application is both the creation of analogues with optimized properties, and the combined use of drugs based on PG1 or its structural analogues in combination with other antibiotic compounds, in particular amikacin.