«Учитывая растущую устойчивость Mycobacterium tuberculosis к лекарствам, мы рассматривали лечение туберкулеза принципиально другим способом», — сказал Джейсон Селло, доцент химии компании Brown, руководивший исследованием. «Вместо того, чтобы искать обычные лекарственные препараты, которые напрямую убивают M. tuberculosis, мы надеялись разработать соединения, которые могли бы сделать бактерии восприимчивыми к иммунной системе. Нам удалось разработать соединения, которые делают лабораторные бактерии чувствительными к химическому веществу, производимому во время иммунной отклик."Кайл Тотаро, недавно получивший докторскую степень. из Брауна возглавил команду Селло.
Они также работали совместно с исследовательскими группами Массачусетского технологического института и Weill Cornell Medicine. Статья с описанием работы опубликована в журнале ACS Infectious Diseases.Стратегия команды заключалась в том, чтобы ингибировать фермент, обнаруженный в M. tuberculosis, который называется протеасомой 20S. Он действует как сборщик молекулярного мусора, удаляя поврежденные белки внутри бактериальной клетки.
Он специализируется на очистке белков, поврежденных оксидом азота, химическим веществом, вырабатываемым врожденной иммунной системой для борьбы с патогенами. Способность протеасомы 20S избавляться от белков, поврежденных оксидом азота, помогает бактериям выжить в организме хозяина.Чтобы подавить протеасому, Селло и его команда представили реактивные соединения, которые имитируют ключевые химические свойства его субстратов — белков, которые обычно расщепляет фермент.
Они ожидали, что протеасома будет связывать эти соединения, как и любой другой белок, и что их реакционная способность отключит фермент. При отключенной протеасоме белки, поврежденные оксидом азота, будут накапливаться внутри бактерий и вызывать их гибель.Но существовала ключевая проблема, с которой исследователям нужно было бороться. У людей очень похожая система деградации поврежденных белков, и известно, что ингибирование этой системы смертельно для клеток.
Таким образом, любое соединение, разработанное Селло и его командой, должно было бы выборочно разрушать эту бактериальную протеасому, не оказывая значительного влияния на человеческую версию.Для этого исследователи черпали вдохновение в природе.
Известно, что бактерия Pseudomonas syringae, патоген, поражающий растения, вырабатывает соединения, называемые сиринголинами, которые, как известно, подавляют протеасомы растений, имитируя их субстраты. Известно также, что эти соединения ингибируют протеасомы человека и перспективны в качестве противораковых агентов. Селло и его команда использовали прогнозы о том, как сиринголины связывают протеасомы человека, и знания о субстратах протеасомы M. tuberculosis для разработки селективных ингибиторов.Исследования показали, что сиринголины связывают и ингибируют протеасомы человека, имитируя предпочтительный субстрат, имеющий определенный химический остаток (валин) в двух ключевых положениях.
Исследования также показали, что бактериальная протеасома предпочитает расщеплять белки, имеющие два разных химических остатка (триптофан и глицин) в одних и тех же двух ключевых положениях. Итак, исследователи предсказали, что аналог сиринголина, в котором остаток валина был заменен на структуры, напоминающие триптофан и глицин, соединение будет избирательно ингибировать бактериальную протеасому.
Селло и его студенты из Брауна синтезировали разработанный состав, а также другие соединения, которые соответствовали или противоречили их модели дизайна. В свою очередь, их сотрудники из Массачусетского технологического института систематически оценивали способность соединений подавлять протеасомы человека и бактерии в пробирке.Команда обнаружила, что натуральный сиринголин в 160 раз более специфичен для протеасомы человека. Напротив, один из созданных аналогов сиринголина оказался в 74 раза более специфичным в отношении бактериальной протеасомы.
«Используя этот рациональный подход к дизайну и химический синтез, мы смогли создать селективные ингибиторы протеазомы M. tuberculosis 20S», — сказал Селло. «В лучшем случае наша разработка сиринголинов увеличила ингибирование бактериального фермента в 220 раз, но снизила реакцию с человеческим ферментом на 99,6 процента. Наш успех подтвердил как очевидную субстратную специфичность протеасомы M. tuberculosis, так и структурная модель ингибирования протеасом сиринголинами ».
Следующим шагом было выяснить, действительно ли созданные соединения могут сделать бактерии более восприимчивыми к оксиду азота, химическому веществу, вырабатываемому во время иммунного ответа. Сотрудники Селло из Weill Cornell Medicine добавили сконструированные сиринголины к культурам M. tuberculosis в присутствии и в отсутствие источника оксида азота. Как и ожидалось, они обнаружили, что бактерии, обработанные соединениями, были очень чувствительны к оксиду азота.
В соответствии с их слабым ингибированием протеасомы человека сконструированный сиринголин не подавлял рост моделей клеток человека.«Мы были рады выявить токсичность сиринголинов для человеческих клеток», — сказал Селло. Это говорит о том, что модифицированный сиринголин может быть безопасным для людей. "Селло и его коллеги надеются, что этот начальный раунд испытаний может заложить основу для разработки новых лекарств для лечения туберкулеза." Мы модифицировали сиринголины только двумя способами ", Селло сказал: «Есть много других возможностей для структурной модификации, которая может улучшить эффективность и другие фармакологические свойства молекул.
Теперь мы видим долгий, но реальный путь к разработке нового терапевтического средства от туберкулеза ».Селло считает правдоподобным, что подобная лекарственная стратегия может использоваться наряду с традиционными антибиотиками.
«При лечении туберкулеза очевидно, что сочетание лекарств может быть эффективным», — сказал он. «Таким образом, сочетание блокатора защиты бактерий от иммунной системы с традиционным антибиотиком может стать своего рода ударом на один-два удара».