Peptidi antimicrobici e loro analoghi modificati: proprietà e ricerca

La crescente diffusione della resistenza agli antibiotici è una delle principali sfide della medicina moderna. L’uso inappropriato o eccessivo dei farmaci antimicrobici ha contribuito a ridurne l’efficacia e alla comparsa di microrganismi resistenti.

La ricerca attuale sta quindi esplorando strategie alternative che potrebbero agire contro i microrganismi patogeni sfruttando meccanismi di difesa presenti in natura. Un ambito di crescente interesse scientifico riguarda i peptidi antimicrobici (AMP) e gli analoghi modificati progettati per migliorarne la stabilità, l’attività e le proprietà biologiche.

Parole chiave: peptidi antimicrobici, AMP, resistenza antimicrobica, modifiche chimiche, ciclizzazione, coniugati farmacologici, lipidazione

Abbreviazione: AMP – peptide antimicrobico

Il concetto di farmacoresistenza

Per farmacoresistenza si intende la capacità di microrganismi o parassiti di sopravvivere o riprodursi nonostante l’esposizione a una sostanza che normalmente ne inibirebbe la crescita o ne causerebbe la distruzione.

La farmacoresistenza può essere generalmente suddivisa in due categorie:

• Resistenza intrinseca, presente naturalmente in alcuni microrganismi.

• Resistenza acquisita, che si sviluppa dopo l’esposizione ad agenti antimicrobici e può comportare modifiche genetiche che riducono la sensibilità a un determinato farmaco.

La crescente diffusione della resistenza antimicrobica acquisita ha spinto i ricercatori a studiare composti e meccanismi biologici alternativi che potrebbero supportare future strategie antimicrobiche.

Peptidi antimicrobici – caratteristiche

I peptidi antimicrobici, comunemente indicati come AMP, sono un gruppo eterogeneo di peptidi presenti in natura e coinvolti nei meccanismi di difesa di molti organismi.

Gli AMP contengono in genere circa 10–50 residui amminoacidici. Molti hanno una carica netta positiva, spesso associata ad amminoacidi come L-arginina, L-lisina o L-istidina.

Gli AMP possono essere prodotti attraverso due vie principali:

1. Sintesi ribosomiale, che comporta la traduzione dell’mRNA e avviene in moltissimi organismi viventi.

2. Sintesi peptidica non ribosomiale, particolarmente diffusa tra microrganismi come i batteri.

Tra i peptidi non ribosomiali rientrano composti correlati ad agenti antimicrobici come le polimixine e la gramicidina S.

Anche i peptidi antimicrobici di sintesi ribosomiale hanno suscitato un notevole interesse scientifico per il loro ruolo nell’immunità innata e nei sistemi di difesa naturali.

Gli AMP sono stati identificati in animali, piante, microrganismi e altre fonti biologiche.

Le defensine come peptidi antimicrobici animali

Un gran numero di peptidi antimicrobici è stato identificato in pesci, anfibi, mammiferi e altri animali.

Nei mammiferi, gli AMP si trovano nelle cellule coinvolte nella difesa immunitaria, tra cui neutrofili e macrofagi, nonché nelle secrezioni prodotte dai tessuti epiteliali.

Tra i peptidi antimicrobici più studiati vi sono le defensine.

Le defensine sono peptidi anfipatici ricchi di amminoacidi basici e residui di cisteina. Sono presenti sia negli animali sia nelle piante e sono state studiate per la loro attività contro diversi microrganismi.

Si distinguono generalmente tre classi principali di defensine:

• α-defensine

• β-defensine

• θ-defensine

Questi gruppi differiscono principalmente per la disposizione e la topologia dei ponti disolfuro.

Esempi di α-defensine sono HNP1–4 e i peptidi HD5 e HD6, identificati in diversi tessuti e superfici mucose.

Le β-defensine rappresentano una classe particolarmente eterogenea di peptidi antimicrobici e sono state identificate in numerose specie di vertebrati.

Le θ-defensine comprendono peptidi come RTD1–3 e sono state anch’esse studiate per le loro proprietà antimicrobiche.

La ricerca sperimentale suggerisce che diverse defensine potrebbero interagire con batteri Gram-positivi, batteri Gram-negativi, funghi e altri microrganismi attraverso vari meccanismi biologici.

Peptidi antimicrobici vegetali

I peptidi antimicrobici sono ampiamente diffusi anche nel regno vegetale.

Una caratteristica di molti AMP vegetali è la presenza di residui di cisteina e di numerosi ponti disolfuro. Queste caratteristiche strutturali contribuiscono a conformazioni peptidiche compatte e possono favorire la resistenza alla degradazione chimica e proteolitica.

Tra i principali gruppi di peptidi antimicrobici vegetali:

• Tionine

• Defensine

• Ciclotidi

Molti di questi peptidi contengono circa 45–50 residui amminoacidici.

Le tionine possono essere suddivise in diversi sottogruppi strutturali a seconda del numero e della disposizione dei residui di cisteina e dei legami disolfuro.

Queste strutture peptidiche naturali continuano a fungere da modello per la ricerca su composti antimicrobici e analoghi peptidici modificati.

Proprietà dei peptidi antimicrobici

I peptidi antimicrobici vengono studiati come possibili strumenti per affrontare la resistenza antimicrobica.

La ricerca ha dimostrato che alcuni AMP possono mostrare attività contro diversi tipi di microrganismi, tra cui:

• Batteri Gram-positivi

• Batteri Gram-negativi

• Alcuni funghi

• Alcuni virus

A seconda del singolo peptide e del modello sperimentale, gli AMP sono stati studiati anche per la loro possibile influenza su tossine batteriche, formazione di biofilm, segnalazione infiammatoria e processi di riparazione dei tessuti.

Tuttavia, l’attività biologica, l’efficacia, la tossicità, la stabilità e le possibili applicazioni cliniche dei peptidi antimicrobici variano notevolmente da un composto all’altro.

Come i peptidi antimicrobici interagiscono con le membrane microbiche

Uno dei meccanismi più studiati dei peptidi antimicrobici riguarda le interazioni con le membrane cellulari dei microrganismi.

Molte membrane batteriche contengono componenti con carica negativa. Le regioni a carica positiva di alcuni AMP possono quindi interagire con queste membrane attraverso forze elettrostatiche e idrofobiche.

Queste interazioni possono compromettere l’integrità della membrana e interferire con i normali processi cellulari.

Sono stati proposti diversi modelli per spiegare come i peptidi antimicrobici interagiscono con le membrane microbiche.

1. Modello a doghe di botte (barrel-stave)

Nel modello barrel-stave, i peptidi anfipatici interagiscono con la membrana batterica e si dispongono in modo da poter formare pori o canali transmembrana.

Le regioni idrofobiche dei peptidi interagiscono con i lipidi di membrana, mentre le regioni idrofile sono rivolte verso l’interno del poro.

Ciò può alterare il potenziale di membrana, l’equilibrio ionico e la permeabilità della membrana.

2. Modello a tappeto (carpet)

Nel modello a tappeto, le molecole peptidiche si accumulano sulla superficie della membrana microbica.

Le loro regioni idrofile interagiscono con i componenti polari della membrana, mentre le regioni idrofobiche interagiscono con lo strato lipidico.

Una volta raggiunta una concentrazione sufficiente di molecole peptidiche, l’organizzazione della membrana può destabilizzarsi, contribuendo infine alla sua rottura.

3. Modello a poro toroidale

Il modello a poro toroidale prevede l’accumulo dei peptidi sul doppio strato lipidico, seguito dalla curvatura della membrana.

Sia le molecole peptidiche sia le teste polari dei lipidi possono partecipare alla formazione dei pori nella membrana.

Questo meccanismo differisce strutturalmente dal modello barrel-stave perché la membrana lipidica stessa contribuisce direttamente all’architettura del poro.

Modifica chimica dei peptidi antimicrobici

Sebbene i peptidi antimicrobici naturali abbiano molte proprietà biologiche interessanti, la loro applicazione pratica può essere limitata da fattori come:

• Degradazione enzimatica

• Stabilità limitata

• Biodisponibilità

• Tossicità a determinate concentrazioni

• Costi di produzione

Per questi motivi i ricercatori stanno sviluppando analoghi sintetici degli AMP, basati su peptidi antimicrobici naturali oppure su specifiche sequenze peptidiche responsabili dell’attività antimicrobica.

Attualmente vengono studiate diverse strategie di modifica.

1. Ciclizzazione

La ciclizzazione consiste nel creare connessioni aggiuntive all’interno di una catena peptidica per ottenere una struttura molecolare più vincolata.

La ciclizzazione può avvenire tra:

• Le estremità N- e C-terminale di un peptide

• Un’estremità del peptide e la catena laterale di un amminoacido

• Catene laterali di amminoacidi diversi

Uno degli scopi principali della ciclizzazione è migliorare la stabilità del peptide e aumentarne la resistenza alla degradazione da parte degli enzimi proteolitici.

Gli studi su analoghi ciclizzati di AMP hanno riportato variazioni dell’attività antimicrobica contro diversi microrganismi, tra cui ceppi selezionati di:

• Escherichia coli

• Bacillus subtilis

• Staphylococcus aureus

• Enterococcus faecalis

• Pseudomonas aeruginosa

• Klebsiella pneumoniae

La ricerca continua a studiare come la ciclizzazione possa migliorare la stabilità dei peptidi mantenendo l’attività biologica desiderata.

2. Coniugati farmacologici

Un altro approccio consiste nel legare i peptidi antimicrobici ad altre molecole terapeutiche, compresi gli antibiotici.

Questi coniugati peptide-farmaco vengono studiati come mezzo per modificare l’attività antimicrobica, il targeting, le proprietà farmacologiche e, potenzialmente, le concentrazioni di farmaco necessarie.

Studi sperimentali hanno esaminato coniugati di AMP contro microrganismi come E. coli, B. subtilis e vari ceppi di stafilococchi.

L’attività biologica e la sicurezza di questi coniugati dipendono fortemente dalla loro struttura molecolare e richiedono quindi una valutazione caso per caso.

3. Lipidazione

La lipidazione consiste nel legare gruppi lipidici o catene di acidi grassi a una molecola peptidica.

Questa modifica può cambiare diverse caratteristiche di un peptide, tra cui:

• Affinità per le membrane cellulari

• Solubilità in acqua

• Autoassemblaggio

• Stabilità termica

• Attività biologica

Le proprietà di un peptide lipidato dipendono da fattori come il tipo di acido grasso utilizzato e la lunghezza della catena carboniosa legata.

Gli analoghi lipidati di AMP sono stati studiati contro microrganismi tra cui batteri Gram-positivi e Gram-negativi selezionati, nonché funghi come le specie di Candida.

Questi risultati hanno reso la lipidazione un’importante strategia di ricerca nello sviluppo di peptidi antimicrobici modificati.

In sintesi

La resistenza antimicrobica resta una sfida importante per la medicina moderna e ha accresciuto l’interesse scientifico per strategie antimicrobiche alternative.

I peptidi antimicrobici fanno parte dei sistemi di difesa naturali di molti organismi e rappresentano un gruppo eterogeneo di molecole in grado di interagire con i microrganismi attraverso diversi meccanismi.

Tuttavia, gli AMP naturali possono presentare limiti legati a stabilità, biodisponibilità, costi di produzione e altre caratteristiche farmacologiche.

Per questo motivo i ricercatori stanno studiando analoghi peptidici modificati mediante approcci come ciclizzazione, coniugazione con farmaci e lipidazione.

Queste modifiche possono contribuire a migliorare alcune proprietà dei peptidi antimicrobici, ma la loro efficacia e sicurezza dipendono dal singolo composto e richiedono un’adeguata valutazione di laboratorio e clinica.

Nel complesso, i peptidi antimicrobici e i loro analoghi modificati restano un ambito di ricerca attivo nella ricerca di nuovi approcci contro la resistenza antimicrobica.

Scopri i prodotti correlati nella nostra collezione Peptidi di ricerca.

Leggi anche

• Sintesi, modifica e caratterizzazione dei peptidi: una panoramica scientifica
• A cosa servono i peptidi? Ricerca, applicazioni ed evidenze attuali
• Peptide BPC-157: ricerca, meccanismi ed evidenze attuali

Bibliografia

1. Veltri D, Kamath U, Shehu A. Deep learning improves antimicrobial peptide recognition. Bioinformatics. 2018;34:2740–2747.

2. Manzini MC, Perez KR, Riske KA, et al. Peptide ratio and membrane surface charge determine the mechanism of action of the antimicrobial peptide BP100. Biochimica et Biophysica Acta. 2014;1838:1985–1999.

3. Agrawal P, Raghava GPS. Prediction of antimicrobial potential of a chemically modified peptide from its tertiary structure. Frontiers in Microbiology. 2018;9:2551. doi:10.3389/fmicb.2018.02551.

4. Usmani SS, Bedi G, Samuel JS, et al. THPdb: Database of FDA-approved peptide and protein therapeutics. PLOS ONE. 2017. doi:10.1371/journal.pone.0181748.

5. Xiao Y, Hughes AL, Ando J, et al. A genome-wide screen identifies a single β-defensin gene cluster in the chicken: implications for the origin and evolution of mammalian defensins. BMC Genomics. 2004;5:56. doi:10.1186/1471-2164-5-56.