Péptidos con propiedades antimicrobianas y sus análogos obtenidos mediante modificación.

Resumen: El aumento observado en la resistencia a los antibióticos es actualmente uno de los principales problemas de la medicina moderna. El uso inapropiado y el abuso de los preparados disponibles ha reducido significativamente su efectividad debido a la aparición de un número creciente de microorganismos resistentes. La investigación actual tiene como objetivo desarrollar agentes terapéuticos más efectivos que actúen sobre organismos patógenos mediante mecanismos de defensa encontrados en la naturaleza (péptidos antimicrobianos) y sus posibles modificaciones, dando lugar a sus análogos.

Palabras clave: péptidos antimicrobianos; modificaciones químicas; ciclización; conjugados de fármacos; lipidación

Lista de abreviaturas: AMP – péptidos antimicrobianos

El concepto de resistencia a los fármacos

La resistencia a los fármacos es un término que se refiere a la resistencia que poseen los patógenos y parásitos frente a la acción de los medicamentos. Esto significa que estos patógenos tienen la capacidad de vivir y reproducirse en presencia de un fármaco que debería causar su destrucción o inhibición, pero esto no ocurre. La resistencia a los fármacos puede dividirse en dos tipos: resistencia innata y resistencia adquirida. Mientras que la primera es una característica típicamente asociada con microbios, la resistencia adquirida es el resultado del contacto con un fármaco, a través de la alteración de su material genético, lo que conduce al desarrollo de resistencia al medicamento.

Péptidos antimicrobianos – características

Los péptidos antimicrobianos (AMP) son un grupo de compuestos compuestos por 10 a 50 residuos de aminoácidos. La carga neta que varía de +2 a +9 resulta de la presencia de residuos de L-arginina, L-lisina o L-histidina en la cadena peptídica. La síntesis de AMP puede proceder de dos maneras. La primera ocurre a través de la traducción ribosomal del ARNm que tiene lugar en todos los organismos, mientras que la segunda implica la síntesis no ribosomal de péptidos realizada principalmente por bacterias. Los péptidos sintetizados mediante síntesis no ribosomal, como los antibióticos basados en polimixinas y gramicidina S, encuentran amplia aplicación debido a su actividad antimicrobiana. Sin embargo, cada vez más, debido a sus propiedades que estimulan la inmunidad innata, los péptidos que son productos de la síntesis ribosomal están encontrando aplicación. Los péptidos antimicrobianos se aíslan de diversos organismos.

Defensinas como AMP animales

El grupo de péptidos antimicrobianos se ha aislado principalmente de peces, anfibios y mamíferos. La mayor cantidad se ha observado en fagocitos, neutrófilos, macrófagos y secreciones de células epiteliales. Entre los compuestos con mayor actividad biocida se encuentran las defensinas, debido a sus propiedades que permiten la modulación de la respuesta inmune del organismo huésped. Las defensinas son péptidos antimicrobianos anfipáticos que son compuestos ricos en residuos de aminoácidos básicos y L-cisteína, presentes en organismos animales y vegetales. Su actividad biocida está dirigida contra una amplia gama de bacterias Gram-positivas, Gram-negativas y hongos. Se distinguen tres clases de defensinas: α-, β- y θ-, que difieren entre sí en la topología de los puentes disulfuro.

Las α-defensinas más conocidas son: HNP1-4 producidas principalmente en la placenta, el cuello uterino y la mucosa intestinal, los compuestos HD5 y HD6 encontrados en las glándulas salivales, la pared del tracto digestivo, el tracto urinario y la mucosa ocular, así como NP5 presente en las células de Paneth. Las β-defensinas constituyen la clase más diversa de AMP, habiéndose formado durante el período evolutivo más largo debido a su detección en el material genético de todos los vertebrados clasificados hasta la fecha. Las más recientemente descubiertas son las θ-defensinas, que incluyen los péptidos RTD1-3. Las defensinas exhiben un amplio espectro de actividad antimicrobiana al participar activamente en la defensa inmunológica de los organismos; por ejemplo, la α-defensina humana HD5 elimina eficazmente infecciones causadas por Salmonella typhimurium y Staphylococcus aureus, mientras que RTD-1 exhibe actividad biocida contra Escherichia coli.

Péptidos AMP vegetales

Los péptidos antimicrobianos se encuentran en todas las especies de plantas. Una característica distintiva de los AMP vegetales es la presencia de residuos de L-cisteína y varios puentes disulfuro, que contribuyen a mantener una estructura compacta que asegura resistencia proteolítica y química. Los AMP vegetales, que incluyen en particular tioninas, defensinas y ciclotidas, están compuestos por 45 a 47 residuos de aminoácidos en la cadena. Se distinguen dos subgrupos de tioninas: 8c, que poseen ocho residuos de L-cisteína en la secuencia formando cuatro puentes disulfuro, y 6c, que tienen seis de estos residuos y, por lo tanto, tres enlaces -S-S.

Péptidos antimicrobianos – propiedades

Como método innovador para tratar la resistencia a los fármacos, los péptidos antimicrobianos se utilizan cada vez más y con mayor éxito. Exhiben alta actividad contra bacterias Gram-negativas y Gram-positivas, virus y hongos. Además, los péptidos antimicrobianos demuestran la capacidad de neutralizar toxinas bacterianas, inhibir reacciones proinflamatorias y procesos de formación de biopelículas, y acelerar la cicatrización de heridas.

Mecanismo de penetración de AMP en la célula

La penetración de los AMP en las células bacterianas puede ocurrir a través de varios mecanismos. En la gran mayoría de los casos, ocurre la desintegración de las membranas celulares microbianas mediante lisis, a través de interacciones electrostáticas e hidrofóbicas entre fragmentos cargados positivamente de residuos de L-arginina o L-lisina y regiones cargadas negativamente de las membranas bacterianas. Se distinguen tres modelos principales del método por el cual los péptidos antimicrobianos penetran las envolturas externas de los microorganismos: el modelo de barril de listones, el modelo de alfombra y el modelo toroidal.

a) El modelo de barril de listones se basa en la interacción de péptidos anfipáticos con estructura α-helicoidal con la membrana bacteriana, con la formación de canales o poros transmembrana con fragmentos hidrofílicos dirigidos hacia su interior. Esto hace que los AMP se incorporen en el armazón lipídico de la membrana en posición vertical y alteren el potencial transmembrana y el gradiente iónico. Como resultado de estos fenómenos, se inhibe la síntesis de ATP y aumenta la permeabilidad de la membrana, lo que conduce a la hinchazón celular y a la ósmosis;

b) El modelo de alfombra implica la unión del péptido a la membrana y la formación de una "alfombra" en su superficie. Las cadenas peptídicas se disponen en el exterior de la membrana de tal manera que sus regiones hidrofílicas miran hacia los fragmentos hidrofílicos de los fosfolípidos, y las regiones hidrofóbicas hacia el núcleo de la membrana. Como resultado de interacciones electrostáticas, los fragmentos cargados positivamente de la cadena peptídica AMP se unen a los fosfolípidos cargados negativamente, la permeabilidad de la membrana se restringe por la estructura de alfombra del péptido y la membrana se destruye posteriormente, formando finalmente estructuras micelares;

c) El modelo de poro toroidal se basa en la agregación de AMP en la superficie de la bicapa lipídica, causando que esta se doble hacia adentro. Las regiones hidrofílicas de la cadena peptídica se unen a las cabezas polares de los lípidos de la membrana, lo que conduce a la desintegración de la membrana y a la formación de poros más grandes que los del modelo de barril de listones.

Ejemplos de modificaciones químicas de AMP

A pesar de sus numerosas ventajas, los péptidos antimicrobianos también tienen muchas limitaciones asociadas con su aplicación, lo que conduce al diseño de análogos sintéticos que contienen la secuencia clave para la actividad antimicrobiana o basados en AMP nativos. A continuación presentamos algunos ejemplos:

1. Ciclización

Se conocen cuatro tipos de ciclización de la cadena peptídica de AMP naturales: entre los fragmentos N- y C-terminales de la cadena, entre el N- o C-terminal de la cadena peptídica y un grupo funcional ubicado en la cadena lateral de uno de los aminoácidos presentes en la secuencia, y dentro de las propias cadenas laterales (Fig. 4). El efecto de estos procesos es una mejora en la estabilidad del péptido, lo que se traduce en una mayor resistencia a la degradación por enzimas proteolíticas. Los análogos de AMP resultantes de la modificación por ciclización exhibieron propiedades tales como: aumento de la actividad antimicrobiana contra cepas de Escherichia coli y Bacillus subtilis, actividad biocida contra bacterias Gram-positivas (varias cepas de Staphylococcus aureus y Enterococcus faecalis, Micrococcus luteus, Bacillus subtilis, Bacillus cereus, Corynebacterium bovis) y bacterias Gram-negativas (Escherichia coli, Shigella dysenteriae, Salmonella enteritidis, Proteus vulgaris, Proteus mirabilis, Serratia marcescens, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae), así como el uso de este análogo de AMP en quemaduras cutáneas, cuidado de heridas postoperatorias y prevención de infecciones.

2. Conjugados de fármacos

Otro tipo de modificación química de los AMP es la unión covalente con antibióticos, lo que mejora su actividad antimicrobiana y reduce la dosis terapéutica del fármaco, eliminando así la aparición de efectos adversos. Los análogos de AMP resultantes de la modificación por conjugados de fármacos exhibieron propiedades tales como: aumento de la actividad antimicrobiana contra cepas de Escherichia coli y Bacillus subtilis, actividad biocida contra bacterias Gram-positivas, ausencia de toxicidad para células epiteliales y eritrocitos humanos, actividad biocida contra cepas estafilocócicas y uso del análogo en el tratamiento de neumonía adquirida en la comunidad, sinusitis bacteriana aguda y pielonefritis.

3. Lipidación

Una de las modificaciones postraduccionales más importantes es la lipidación, que, además de regular las funciones de péptidos y proteínas, también provoca un aumento en su afinidad por las membranas celulares. La aplicación de análogos diseñados está determinada por la cantidad y tipo de ácidos grasos unidos y la longitud de las cadenas de carbono. La incorporación de grupos lipídicos en las cadenas peptídicas permite, entre otras cosas, alterar la solubilidad en agua de los compuestos recién sintetizados, su capacidad de autoorganización y su estabilidad térmica. Los análogos de AMP resultantes de la modificación por lipidación exhibieron propiedades tales como: aumento de la actividad antimicrobiana contra bacterias Gram-positivas (Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Bacillus subtilis, Enterococcus faecalis), bacterias Gram-negativas (Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Proteus vulgaris, Pseudomonas aeruginosa) y hongos (Candida albicans, Candida tropicalis y Aspergillus brasiliensis).

Resumen

Uno de los problemas significativos de la medicina moderna es el uso frecuente de antibióticos, lo que resulta en el desarrollo de nuevas especies microbianas resistentes. Una forma de eliminar este problema creciente puede ser el uso de péptidos antimicrobianos, que son un componente del sistema inmunológico innato del organismo. El término AMP se refiere comúnmente a compuestos con carga positiva y estructura anfipática, responsable de modular sus propiedades antimicrobianas contra una amplia gama de bacterias, virus y hongos. Los altos costos de producción y la limitada biodisponibilidad de los AMP naturales han hecho necesaria la búsqueda de nuevos compuestos modelo cuya actividad se base en mecanismos previamente identificados.

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