Обнаружен антибиотик лоламицин, который убивает опасные бактерии, не повреждая микробиом кишечника

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature, показало, что ученые из США разработали и открыли новый селективный антибиотик под названием лоламицин, который нацелен на систему транспорта липопротеинов в грамотрицательных бактериях. Исследователи обнаружили, что лоламицин эффективен против многорезистентных грамотрицательных патогенов, проявляет эффективность в моделях инфекций у мышей, сохраняет микробиом кишечника и предотвращает вторичные инфекции.

Антибиотики могут нарушать микробиом кишечника, что приводит к повышенной восприимчивости к патогенам, таким как C. difficile, и увеличивает риски желудочно-кишечных, почечных и гематологических проблем. Большинство антибиотиков, будь то только для грамположительных бактерий или широкого спектра действия, вредят кишечным комменсалам и вызывают дисбиоз. Влияние антибиотиков, предназначенных только для грамотрицательных бактерий, на микробиом неясно из-за их редкости. Их обнаружение затруднено, так как большинство целей антибиотиков являются общими для грамположительных и грамотрицательных бактерий. Поскольку микробиом кишечника содержит множество грамотрицательных бактерий, неразборчивые антибиотики, такие как колистин, могут вызывать значительный дисбиоз, ограничивая их использование.

Несмотря на растущую потребность в новых антибактериальных средствах для грамотрицательных бактерий из-за устойчивых инфекций, ни один новый класс не был одобрен Управлением по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) за последние 50 лет. Открытие осложняется сложной мембранной структурой и насосами эффлюкса у грамотрицательных бактерий. Разработка антибиотика, предназначенного только для грамотрицательных бактерий, который сохраняет микробиом, требует нацеливания на важный белок, характерный только для грамотрицательных бактерий, с значительными гомологическими различиями между патогенными и комменсальными бактериями. В данном исследовании ученые разработали и сообщили о новом антибиотике под названием "лоламицин", который нацелен на систему транспорта липопротеинов Lol в периплазме, важную для различных грамотрицательных патогенов.

В данном исследовании ученые нацелились на LolCDE, ключевой компонент системы Lol в грамотрицательных бактериях. Были проведены скрининги для поиска потенциальных ингибиторов этой системы, которые затем синтезировали и оценили. Эффективность лоламицина была проверена против многорезистентных клинических изолятов E. coli, K. pneumoniae и E. cloacae. Были проведены исследования чувствительности с лоламицином и другими соединениями.

Были разработаны мутанты, устойчивые к лоламицину, и проведено их сравнение по фитнесу. Бактерицидное действие лоламицина было изучено с использованием кривых роста. Конфокальная микроскопия использовалась для наблюдения фенотипических изменений в целевых бактериях. Молекулярное моделирование и динамические симуляции, докинг ансамбля и кластерный анализ были использованы для исследования мест связывания и механизма ингибирования лоламицина.

Кроме того, мышей лечили пиридинпиразолом (соединение 1) и лоламицином внутриперитонеально в течение трех дней. Фармакокинетические исследования проводились для оценки биодоступности лоламицина. Модели инфекций использовались для сравнения эффективности лоламицина и соединения 1 при лечении пневмонии и септицемии, при этом лоламицин также вводили орально. Микробиомы мышей анализировали с использованием их фекальных образцов через секвенирование 16S рибосомальной РНК. Дополнительно мышей, обработанных антибиотиками, подвергали воздействию C. difficile, чтобы оценить их способность самостоятельно избавляться от патогена.

Лоламицин, ингибитор комплекса LolCDE, показал высокую активность против специфических грамотрицательных патогенов с низким накоплением в E. coli. Лоламицин проявил селективность, сохраняя как грамположительные, так и грамотрицательные комменсальные бактерии. Он показал минимальную токсичность для клеток млекопитающих и оставался эффективным в присутствии человеческой сыворотки. Лоламицин продемонстрировал высокую активность против многорезистентных клинических изолятов E. coli, K. pneumoniae и E. cloacae. Лоламицин превзошел другие соединения, показав узкий диапазон минимальных ингибирующих концентраций и эффективность против многорезистентных штаммов.

Секвенирование lolCDE в устойчивых штаммах не выявило мутаций, связанных с устойчивостью к лоламицину, что подчеркивает его потенциал как перспективного кандидата на антибиотик. Лоламицин показал низкую частоту устойчивости среди штаммов. Белки LolC и LolE были идентифицированы как цели, с конкретными мутациями, связанными с устойчивостью. Лоламицин проявил либо бактерицидное, либо бактериостатическое действие против тестируемых бактерий. Наблюдалось набухание клеток, обработанных лоламицином, что свидетельствует о нарушении транспорта липопротеинов. Устойчивые к лоламицину мутанты проявили измененные фенотипические реакции на лечение, что подтверждает вовлеченность LolC и LolE.

Лоламицин нарушал транспорт липопротеинов, конкурентно ингибируя связывание в местах BS1 и BS2. Гидрофобные взаимодействия оказались основными, объясняя снижение эффективности соединений с первичными аминами. Мутации, вызывающие устойчивость, влияли на аффинность связывания лоламицина, подчеркивая их роль в дестабилизации мест связывания. Лоламицин показал превосходную эффективность по сравнению с соединением 1 в уменьшении бактериальной нагрузки и повышении выживаемости в моделях инфекций с участием многорезистентных бактерий, таких как E. coli AR0349, K. pneumoniae и E. cloacae.

Пероральное введение лоламицина показало значительную биодоступность и эффективность, снижая бактериальную нагрузку и увеличивая выживаемость мышей, инфицированных устойчивыми к колистину E. coli. Лоламицин минимально воздействовал на микробиом кишечника с сохранением его богатства и разнообразия по сравнению с амоксициллином и клиндамицином. У мышей, обработанных лоламицином, и контрольных животных наблюдалась минимальная колонизация C. difficile. Напротив, мыши, обработанные амоксициллином или клиндамицином, не смогли очиститься от C. difficile, показывая высокую колонизацию на протяжении всего эксперимента.

В заключение, это новаторское исследование выявляет лоламицин как специфический антибиотик, который имеет потенциал для минимизации повреждений микробиома кишечника и предотвращения вторичных инфекций. Необходимы дальнейшие исследования и клинические испытания для подтверждения клинической применимости препарата. В будущем эффект лоламицина по сохранению микробиома может предоставить значительные преимущества по сравнению с текущими антибиотиками широкого спектра действия в клинической практике, улучшая результаты лечения пациентов и общее состояние здоровья.