Peptide mit antimikrobiellen Eigenschaften und ihre durch Modifikation gewonnenen Analoga.

Zusammenfassung: Der beobachtete Anstieg der Antibiotikaresistenz ist derzeit eines der Hauptprobleme der modernen Medizin. Der unangemessene Gebrauch und die Übernutzung verfügbarer Präparate haben deren Wirksamkeit aufgrund des Auftretens einer zunehmenden Anzahl resistenter Mikroorganismen erheblich verringert. Aktuelle Forschungen zielen darauf ab, wirksamere Therapeutika zu entwickeln, die auf pathogene Organismen durch in der Natur vorkommende Abwehrmechanismen (antimikrobielle Peptide) und deren mögliche Modifikationen wirken, was zu deren Analogon führt.

Schlüsselwörter: antimikrobielle Peptide; chemische Modifikationen; Zyklisierung; Wirkstoffkonjugate; Lipidierung

Abkürzungsverzeichnis: AMP – antimikrobielle Peptide

Das Konzept der Arzneimittelresistenz

Arzneimittelresistenz ist ein Begriff, der sich auf die Resistenz bezieht, die Krankheitserreger und Parasiten gegenüber der Wirkung von Arzneimitteln besitzen. Das bedeutet, dass diese Krankheitserreger in der Lage sind, in Anwesenheit eines Medikaments, das eigentlich ihre Zerstörung oder Hemmung bewirken sollte, zu überleben und sich zu vermehren, obwohl dies nicht geschieht. Die Arzneimittelresistenz kann in zwei Typen unterteilt werden: angeborene Arzneimittelresistenz und erworbene Arzneimittelresistenz. Während die erstere typischerweise mit Mikroben assoziiert ist, ist die erworbene Resistenz das Ergebnis des Kontakts mit einem Medikament, durch Veränderung ihres DNA-Materials, was zur Entwicklung der Resistenz gegen das Medikament führt.

Antimikrobielle Peptide – Eigenschaften

Antimikrobielle Peptide (AMP) sind eine Gruppe von Verbindungen, die aus 10 bis 50 Aminosäureresten bestehen. Die Nettoladung von +2 bis +9 resultiert aus dem Vorhandensein von L-Arginin-, L-Lysin- oder L-Histidinresten in der Peptidkette. Die Synthese von AMP kann auf zwei Wegen erfolgen. Der erste erfolgt durch ribosomale mRNA-Translation, die in allen Organismen stattfindet, während der zweite die nicht-ribosomale Peptidsynthese umfasst, die hauptsächlich von Bakterien durchgeführt wird. Peptide, die über nicht-ribosomale Synthese synthetisiert werden, wie Antibiotika auf Basis von Polymyxinen und Gramicidin S, finden breite Anwendung aufgrund ihrer antimikrobiellen Aktivität. Zunehmend finden jedoch aufgrund ihrer Eigenschaften, die die angeborene Immunität stimulieren, Peptide Anwendung, die Produkte der ribosomalen Synthese sind. Antimikrobielle Peptide werden aus verschiedenen Organismen isoliert.

Defensine als tierische AMPs

Die Gruppe der antimikrobiellen Peptide wurde hauptsächlich aus Fischen, Amphibien und Säugetieren isoliert. Die größte Menge wurde in Phagozyten, Neutrophilen, Makrophagen und Sekreten von Epithelzellen beobachtet. Zu den Verbindungen mit der größten biokidal aktiven Wirkung gehören Defensine, aufgrund ihrer Eigenschaften, die eine Modulation der Immunantwort des Wirtsorganismus ermöglichen. Defensine sind amphipathische antimikrobielle Peptide, die reich an basischen Aminosäureresten und L-Cystein sind und in tierischen und pflanzlichen Organismen vorkommen. Ihre biokidale Aktivität richtet sich gegen ein breites Spektrum von grampositiven, gramnegativen Bakterien und Pilzen. Es werden drei Klassen von Defensinen unterschieden: α-, β- und θ-Defensine, die sich in der Topologie der Disulfidbrücken unterscheiden.

Die bekanntesten α-Defensine sind: HNP1-4, die hauptsächlich in der Plazenta, im Gebärmutterhals und in der Darmschleimhaut produziert werden, die Verbindungen HD5 und HD6, die in Speicheldrüsen, der Wand des Verdauungstrakts, Harnwegs und der Augenmukosa vorkommen, sowie NP5, das in Paneth-Zellen vorhanden ist. β-Defensine stellen die vielfältigste Klasse von AMP dar, die über den längsten Evolutionszeitraum geformt wurde, da sie im genetischen Material aller bisher klassifizierten Wirbeltiere nachgewiesen wurden. Die jüngst entdeckten sind θ-Defensine, zu denen die Peptide RTD1-3 gehören. Defensine zeigen ein breites Spektrum antimikrobieller Aktivität, indem sie aktiv an der immunologischen Abwehr von Organismen teilnehmen; zum Beispiel eliminiert das humane α-Defensin HD5 effektiv Infektionen, die durch Salmonella typhimurium und Staphylococcus aureus verursacht werden, während RTD-1 biokidale Aktivität gegen Escherichia coli zeigt.

Pflanzliche AMP-Peptide

Antimikrobielle Peptide kommen in allen Pflanzenarten vor. Ein charakteristisches Merkmal pflanzlicher AMPs ist das Vorhandensein von L-Cysteinresten und mehreren Disulfidbrücken, die zur Aufrechterhaltung einer kompakten Struktur beitragen, die proteolytische und chemische Resistenz gewährleistet. Pflanzliche AMPs, zu denen insbesondere Thionine, Defensine und Cyclotide gehören, bestehen aus 45 bis 47 Aminosäureresten in der Kette. Es werden zwei Untergruppen von Thioninen unterschieden: 8c, die acht L-Cysteinreste in der Sequenz besitzen und vier Disulfidbrücken bilden, und 6c, die sechs solche Reste und entsprechend drei -S-S-Bindungen aufweisen.

Antimikrobielle Peptide – Eigenschaften

Als innovative Methode zur Behandlung von Arzneimittelresistenzen werden antimikrobielle Peptide zunehmend und mit größerem Erfolg eingesetzt. Sie zeigen eine hohe Aktivität gegen gramnegative und grampositive Bakterien, Viren und Pilze. Darüber hinaus zeigen antimikrobielle Peptide die Fähigkeit, bakterielle Toxine zu neutralisieren, proinflammatorische Reaktionen und Biofilmbildung zu hemmen sowie die Wundheilung zu beschleunigen.

Mechanismus des Eindringens von AMP in die Zelle

Das Eindringen von AMPs in bakterielle Zellen kann auf verschiedenen Mechanismen beruhen. In der überwiegenden Mehrheit der Fälle erfolgt die Disintegration der mikrobiellen Zellmembranen durch Lyse, über elektrostatische und hydrophobe Wechselwirkungen zwischen positiv geladenen Fragmenten von L-Arginin- oder L-Lysinresten und negativ geladenen Bereichen der bakteriellen Membranen. Es werden drei Hauptmodelle unterschieden, wie antimikrobielle Peptide die äußeren Hüllen von Mikroorganismen durchdringen: das Barrel-Stave-Modell, das Teppichmodell und das toroidale Modell.

a) Das Barrel-Stave-Modell basiert auf der Wechselwirkung amphipathischer Peptide mit einer α-helikalen Struktur mit der bakteriellen Membran, wobei transmembrane Kanäle oder Poren mit hydrophilen Fragmenten, die nach innen gerichtet sind, gebildet werden. Dies führt dazu, dass AMPs in das Lipidgerüst der Membran in vertikaler Position eingebaut werden und das transmembrane Potenzial sowie den Ionengradienten stören. Infolge dieser Vorgänge wird die ATP-Synthese gehemmt und die Membranpermeabilität erhöht, was zu Zellschwellung und Osmose führt;

b) Das Teppichmodell beinhaltet die Bindung des Peptids an die Membran und die Bildung eines „Teppichs“ auf deren Oberfläche. Die Peptidketten ordnen sich außen an der Membran so an, dass ihre hydrophilen Bereiche den hydrophilen Fragmenten der Phospholipide zugewandt sind und die hydrophoben Bereiche dem Membrankern. Durch elektrostatische Wechselwirkungen binden die positiv geladenen Fragmente der AMP-Peptidkette an negativ geladene Phospholipide, die Membranpermeabilität wird durch die Peptid-Teppich-Struktur eingeschränkt und die Membran anschließend zerstört, was letztlich zur Bildung von micellaren Strukturen führt;

c) Das toroidale Porenmodell basiert darauf, dass AMPs sich an der Oberfläche der Lipiddoppelschicht aggregieren und diese nach innen biegen. Die hydrophilen Bereiche der Peptidkette binden an die polaren Köpfe der Membranlipide, was zur Disintegration der Membran und zur Bildung von Poren führt, die größer sind als im Barrel-Stave-Modell.

Beispiele für chemische Modifikationen von AMPs

Trotz ihrer zahlreichen Vorteile haben antimikrobielle Peptide auch viele Einschränkungen im Zusammenhang mit ihrer Anwendung, was folglich zur Entwicklung synthetischer Analoga führt, die die für die antimikrobielle Aktivität entscheidende Sequenz enthalten oder auf nativen AMPs basieren. Im Folgenden stellen wir einige Beispiele vor:

1. Zyklisierung

Vier Arten der Zyklisierung der Peptidkette natürlicher AMPs sind bekannt: zwischen den N- und C-terminalen Fragmenten der Kette, zwischen dem N- oder C-Terminus der Peptidkette und einer funktionellen Gruppe, die sich in der Seitenkette einer der in der Sequenz vorhandenen Aminosäuren befindet, sowie innerhalb der Seitenketten selbst (Abb. 4). Die Folge dieser Prozesse ist eine Verbesserung der Peptidstabilität, was sich in einer höheren Resistenz gegenüber dem Abbau durch proteolytische Enzyme niederschlägt. AMP-Analoga, die durch Zyklisierungsmodifikation entstanden sind, zeigten Eigenschaften wie: erhöhte antimikrobielle Aktivität gegen Escherichia coli- und Bacillus subtilis-Stämme, biokidale Aktivität gegen grampositive Bakterien (verschiedene Stämme von Staphylococcus aureus und Enterococcus faecalis, Micrococcus luteus, Bacillus subtilis, Bacillus cereus, Corynebacterium bovis) und gramnegative Bakterien (Escherichia coli, Shigella dysenteriae, Salmonella enteritidis, Proteus vulgaris, Proteus mirabilis, Serratia marcescens, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae) sowie die Anwendung dieses AMP-Analogons bei Hautverbrennungen, postoperativer Wundversorgung und Infektionsprävention.

2. Wirkstoffkonjugate

Eine weitere Art der chemischen Modifikation von AMPs ist die kovalente Bindung mit Antibiotika, die deren antimikrobielle Aktivität verbessert und die therapeutische Dosis des Medikaments reduziert, wodurch das Auftreten von Nebenwirkungen eliminiert wird. AMP-Analoga, die durch Wirkstoffkonjugat-Modifikation entstanden sind, zeigten Eigenschaften wie: erhöhte antimikrobielle Aktivität gegen Escherichia coli- und Bacillus subtilis-Stämme, biokidale Aktivität gegen grampositive Bakterien, fehlende Toxizität gegenüber Epithelzellen und menschlichen Erythrozyten, biokidale Aktivität gegen Staphylokokken-Stämme sowie Anwendung des Analogons bei der Behandlung von ambulant erworbener Pneumonie, akuter bakterieller Sinusitis und Pyelonephritis.

3. Lipidierung

Eine der wichtigsten posttranslationalen Modifikationen ist die Lipidierung, die neben der Regulierung der Funktionen von Peptiden und Proteinen auch eine Erhöhung ihrer Affinität zu Zellmembranen bewirkt. Die Anwendung der entworfenen Analoga wird durch die Menge und Art der angehängten Fettsäuren sowie die Länge der Kohlenstoffketten bestimmt. Die Einbindung von Lipidgruppen in Peptidketten ermöglicht unter anderem die Veränderung der Wasserlöslichkeit der neu synthetisierten Verbindungen, deren Fähigkeit zur Selbstorganisation und deren thermische Stabilität. AMP-Analoga, die durch Lipidierungsmodifikation entstanden sind, zeigten Eigenschaften wie: erhöhte antimikrobielle Aktivität gegen grampositive Bakterien (Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Bacillus subtilis, Enterococcus faecalis), gramnegative Bakterien (Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Proteus vulgaris, Pseudomonas aeruginosa) und Pilze (Candida albicans, Candida tropicalis und Aspergillus brasiliensis).

Zusammenfassung

Eines der bedeutenden Probleme der modernen Medizin ist der häufige Einsatz von Antibiotika, was zur Entwicklung neuer, resistenter mikrobieller Spezies führt. Ein Weg, dieses wachsende Problem zu beseitigen, könnte die Verwendung antimikrobieller Peptide sein, die ein Bestandteil des angeborenen Immunsystems des Organismus sind. Der Begriff AMP bezieht sich am häufigsten auf Verbindungen mit positiver Ladung und amphipathischer Struktur, die für die Modulation ihrer antimikrobiellen Eigenschaften gegen ein breites Spektrum von Bakterien, Viren und Pilzen verantwortlich ist. Die hohen Produktionskosten und die begrenzte Bioverfügbarkeit natürlicher AMPs haben die Suche nach neuen Modellverbindungen erforderlich gemacht, deren Aktivität auf zuvor identifizierten Mechanismen basiert.

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