БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 11, с. 1615 - 1632

УДК 577.29

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ В БОРЬБЕ

С ПАТОГЕННЫМИ МИКРООРГАНИЗМАМИ

Обзор

И.Г. Шемякин¹, В.В. Фирстова¹*, Н.К. Фурсова¹, И.В. Абаев¹,

С.Ю. Филиппович², С.Г. Игнатов¹, И.А. Дятлов¹

¹ Государственный научный центр прикладной микробиологии и биотехнологии,

142279 Оболенск, Моcковcкая обл., Россия; электронная почта: firstova@obolensk.org

² Институт биохимии имени А.Н. Баха, Федеральный исследовательский центр

«Фундаментальные основы биотехнологии» РАН, 119071 Москва, Россия

Поступила в редакцию 12.07.2020

После доработки 14.09.2020

Принята к публикации 14.09.2020

В обзоре приводятся разнообразные подходы в борьбе с возбудителями инфекционных заболеваний. Но

вым инструментом достижения элиминации только специфичных видов бактерий с сохранением остальной

части микробиоты могут служить видоспецифические программируемые RNA содержащие антибиотики,

которые открывают возможность создания нового поколения персонализированных терапевтических пре

паратов, основанных на редактировании микробиома. Рассмотрены возможности геномного редактирова

ния на основе CRISPR Cas патогенных бактерий. Расширяющиеся знания о молекулярных механизмах

врожденных иммунных реакций активно пытаются использовать для индукции противомикробного имму

нитета. Однако к очевидным рискам применения адъювантов, направленных на активацию компонентов

иммунной системы хозяина, относятся возможное развитие аутоиммунного состояния с последующим пов

реждением органов. Поэтому необходимо иметь чёткое представление о механизмах действия специфичес

ких соединений и сигнальных молекул, используемых в качестве компонентов гибридного антибиотика.

Рассмотрены эффективные противомикробные препараты - эндолизины бактериофагов для элиминации

устойчивых к антибиотикам бактерий, метаболически неактивных персисторов и биоплёнок. Представле

ны новые подходы в материаловедении при конструкции имплантатов с антибактериальными свойствами

для преодоления проблемы постоперационных инфекций. Разнообразные наномодификации поверхности

имплантатов призваны уменьшить бактериальную обсемененность поверхности. Описаны бактерицидная

и фунгицидная активности наномодификаций поверхности серебром, гибридных наноматериалов на осно

ве бор нитрида, нановолокон и наногальванических процессов на поверхности с оценкой иммуномодули

рующей активности.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: RNA содержащие антибиотики, CRISPR Cas система бактерий, гибридные анти

биотики, эндолизины, наноповерхности.

DOI: 10.31857/S0320972520110081

ВВЕДЕНИЕ

числе пан резистентных изолятов (нечувстви

тельных уже ко всем антибиотикам из всех

Сразу же после открытия пенициллина в

функциональных классов), поднимает вопросы

1929 г. было выявлено большое число новых бак

дальнейшего исследования возбудителей и но

терицидных соединений, и к середине 60 х гг.

вых подходов борьбы с патогенами (антибакте

было охарактеризовано более 20 видов антибио

риальные препараты на основе RNA, гибридные

тиков. Появление устойчивых к антибиотикам

антибиотики, эндолизины бактериофагов и но

возбудителей инфекционных болезней, в том

вые наноматериалы).

Принятые сокращения: sRNA - малые некодирующие RNA; ASOs - антисмысловые олигонуклеотиды; QS -

Quorum Sensing; TLR - Toll подобные рецепторы; NOD - Nod подобные рецепторы; ПГГ - пептидогликангидролазы;

АФК - активные формы кислорода; BN - бор нитридные наноструктуры; PMO - фосфородиамидатные морфолино оли

гомеры, phosphorodiamidate morpholino oligomer; PNA - пептидо нуклеиновые кислоты, peptide nucleic acid; AcpP - белок био

синтеза незаменимых жирных кислот; CPPs - проникающие внутрь клетки пептиды, cell*penetrating peptide.

* Адресат для корреспонденции.

1615

1616

ШЕМЯКИН и др.

АНТИБАКТЕРИАЛЬНЫЕ ПРЕПАРАТЫ

циированных sRNA у Escherichia coli и Salmonella

НА ОСНОВЕ RNA

[5]. Мультимерный белок Hfq - это плейотроп

ный регулятор экспрессии бактериальных ге

Антибиотики широкого спектра действия,

нов, играющий роль RNA шаперона, обеспечи

которые действуют на большой круг возбудите

вая взаимодействие между sRNA и её мишенью

лей бактериальных инфекций, грамотрицатель

на мRNA. Интересно, что эндогенные бактери

ных и грамположительных, спасли миллионы

альные sRNAs имеют достаточно большой раз

человеческих жизней и остаются одним из са

мер (~50-400 нуклеотидов), но их «коровый»

мых важных классов лекарств в современной

регион, необходимый для связывания с ми

медицине. Однако в некоторых ситуациях пред

шенью, составляет 8-12 нуклеотидов [6]. Экс

почтительно использование антибиотиков узко

периментально установлено для E. coli, что оп

го спектра действия - при необходимости унич

тимальная длина ASOs составляет 10-12 осно

тожать отдельные виды бактерий в сложном со

ваний [7]. Однако необходимо дополнительно

обществе микробиома человека, что невозмож

провести эксперименты и на других бактериях,

но с помощью антибиотиков широкого спектра

а также изучить побочные эффекты этих препа

действия. К числу уже используемых в настоя

ратов, в том числе возможность ASOs проник

щее время препаратов узкого спектра относятся

нуть в ядро эукариотической клетки и индуци

колицины [1], недавно разработанные антаго

ровать повреждение DNA. Современные мето

нисты фимбрий некоторых патогенных штам

ды секвенирования RNA позволяют оценить из

мов кишечной палочки [2], видоспецифичные

менение уровней экспрессии мRNA и соотно

антитела [3] и бактериофаги [4].

шение отдельных видов или микробных сооб

Новым инструментом достижения элимина

ществ не только в культуре in vitro, но и внутри

ции только специфичных видов бактерий с сох

клетки или ткани эукариотического хозяина [8].

ранением остальной части микробиоты могут

Недавно были опубликованы данные междуна

служить видоспецифические программируемые

родного исследования RNA интерактомов [9]

RNA содержащие антибиотики, которые от

по расшифровке закономерностей продуктив

крывают возможность создания нового поколе

ного спаривания sRNA-мRNA внутри бактери

ния персонализированных терапевтических

альных клеток, что позволит использовать полу

препаратов, основанных на редактировании

ченные знания об эндогенных sRNA при дизай

микробиома. Они могут быть синтезированы

не антибактериальных препаратов на основе

химически и запрограммированы на поражение

ASOs. RNA - довольно нестабильные молеку

конкретных видов бактерий. В этом смысле наи

лы, поэтому в качестве ASOs предложено ис

более перспективными направлениями на нас

пользовать модифицированные нуклеиновые

тоящий момент представляется использование

кислоты с улучшенной стабильностью и устой

малых некодирующих RNA (sRNA), играющих

чивостью к нуклеазам: заблокированные нукле

важную роль в регуляции трансляции у бакте

иновые кислоты (locked nucleic acid, LNA), фос

рий, а также систем CRISPR Cas, играющих

фородиамидатные морфолино олигомеры (phos*

роль иммунной системы у бактерий и обеспечи

phorodiamidate morpholino oligomer, PMO) и пеп

вающих защиту от мобильных генетических

тидо нуклеиновые кислоты (peptide nucleic acid,

элементов.

PNA). Последние представляют собой комплек

Малые некодирующие RNA в качестве анти8

сы с короткими (<30 аминокислот) пептидами

бактериальных препаратов. Разработка антимик

носителями преимущественно катионной или

робных препаратов на основе RNA в форме ко

амфифильной природы [10]. Многие проника

ротких антисмысловых олигонуклеотидов

ющие внутрь клетки пептиды (CPPs, cell*pene*

(ASOs), которые будут нацелены на ингибиро

trating peptide) способны проникать как в бакте

вание существенных генов бактерий на уровне

риальные, так и в эукариотические клетки, что

RNA, представляет большой научный и практи

увеличивает их привлекательность в качестве

ческий интерес. Класс регуляторных молекул

систем доставки соединений против внутрикле

RNA не является чем то чужеродным для бакте

точных патогенов. Последовательность ASO

риальных клеток. Малые некодирующие RNA

рассчитывают таким образом, что он связывает

играют существенную роль в регуляции синтеза

ся с мRNA важного для жизнедеятельности бак

широкого спектра белков, в том числе факторов

терии гена в области связывания с рибосомой

вирулентности, кворума, метаболизма углерода,

(ribosome binding site, RBS), предотвращая присо

аминокислот и железа. Этот механизм подробно

единение рибосомной субъединицы 30S и, сле

изучен на примере подавления инициации

довательно, синтез белка. Установлено, что

трансляции путем деградации матричных RNA,

sRNA вызывают ингибирование связывания

вызываемой присоединением к ним Hfq ассо

мRNA с 30S субъединицей рибосомы на рассто

БИОХИМИЯ том 85 вып. 11 2020

АНТИБИОТИКИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

1617

янии до 50 оснований выше стартового кодона.

К настоящему времени успешно испытаны,

Математические расчёты показали, что теорети

в том числе в экспериментах на животных моде

чески допустимо создать sRNAs для целевого

лях, несколько разных белков носителей, полу

воздействия на выбранные виды бактерий.

ченных на основе природных CPPs или природ

Впервые этот тип «программируемого RNA ан

ных антимикробных пептидов (табл. 1). Показа

тибиотика» был описан более трех десятилетий

но, что разные пептиды имеют определенную

назад в виде очень маленьких олигонуклеоти

специфичность - лучше работают либо на грам

дов, атакующих рибосомальную RNA E. coli

положительных, либо на грамотрицательных

[11], позже было продемонстрировано, что

бактериях, что открывает возможности допол

ASOs размером 9-12 олигонуклеотидов репрес

нительно использовать этот фактор при созда

сировали мRNA белка биосинтеза незаменимых

нии узкоспецифичных препаратов [16]. Рас

жирных кислот AcpP [12]. Антимикробные пре

сматриваются и другие подходы для доставки

параты на основе ASOs к настоящему времени

ASOs в бактериальные клетки: возможность ис

уже протестированы в экспериментах in vitro

пользования внеклеточных везикул, которые

или in vivo на грамотрицательных и грамполо

описаны у многих видов бактерий как механизм

жительных бактериях родов Acinetobacter,

межвидовой коммуникации [17]; использование

Brucella, Burkholderia, Campylobacter, Haemo*

специфического секреторного белка Listeria

philus, Klebsiella, Pseudomonas, Salmonella, Entero*

monocytogenes, который транспортирует RNA

coccus, Listeria, Staphylococcus и Streptococcus [13].

этого патогена из бактериальной цитоплазмы в

Микробиом кишечника человека, который

эукариотическую клетку [18]; конструирование

играет важную роль в определении статуса здо

фагмид, инкапсулированных в нелитический

ровья или болезни макроорганизма - самая раз

бактериофаг M13 [19].

нообразная и метаболически вариабельная

Таким образом, существует достаточно дока

часть общего микробиома, содержащая ~1000

зательств того, что препараты ASOs могут эф

уникальных для этого сообщества видов бакте

фективно уничтожить разнообразные бактерии,

рий [14]. Приблизительно 10% генов кишечного

что продемонстрировано в экспериментах

микробиома являются важными генами, каж

in vitro и in vivo. Тем не менее ещё предстоит от

дый из них имеет 5′ мRNA область, потенци

ветить на многие фундаментальные вопросы,

альную мишень ASOs для ингибирования их

чтобы эта технология могла быть использована

трансляции. Показано, что наибольшей эффек

для точечного редактирования микробиома. В

тивностью обладают ASOs, комплементарные

частности, пока остаётся открытым вопрос: бу

области стартового кодона и последовательнос

дут ли эффективны антибактериальные препа

ти Шайн-Далгарно. Однако эти области доста

раты на основе ASOs против клеток с понижен

точно консервативны у бактерий и не могут слу

ным уровнем метаболизма - персисторов и био

жить мишенью при разработке антимикробных

плёнок [20].

препаратов узкоспецифичного действия. В ка

CRISPR8Cas система бактерий. Защита бак

честве альтернативного варианта предложены

терий от мобильных генетических элементов,

sRNAs, нацеленные на подавление формирова

осуществляемая системами CRISPR Cas, осно

ния особенностей во вторичной структуре

вана на специфичном узнавании чужеродной

мRNA, необходимых для оптимальной трансля

DNA или RNA за счёт спаривания с короткими

ции [14]. Доставка ASOs в бактериальную клет

(32-35 нуклеотидов) гидовыми RNA, генериру

ку - задача, которую необходимо решать при

емыми CRISPR массивом, с последующим раз

создании антибактериальных препаратов. Обо

резанием целевой последовательности нуклеа

лочки бактерий практически непроницаемы для

зой, кодируемой генами cas [21]. В последние

высокомолекулярных олигомеров, так как по

годы машинерия CRISPR Cas была предложена

риновые структуры не пропускают молекулы

для создания систем редактирования геномов.

размером более 600 Да. Для доставки ~11 мер

Высокая специфичность систем CRISPR Cas и

ных ASOs (≥3 кДа) требуется наличие белков

возможность их нацеливания на гены антибио

носителей. Важным требованием к таким пеп

тикорезистентности обосновывает их использо

тидам является их функциональная нейтраль

вание в качестве новых антимикробных препа

ность, чтобы они не вызывали каких либо

ратов, позволяющих атаковать непосредственно

стрессов для бактериальных клеток и микробио

гены антибиотикорезистентности и нежела

ты в целом. Кроме того, белки носители долж

тельные патогенные бактерии, не затрагивая

ны доставлять ASOs целенаправленно, c учётом

других представителей микробиома [22]. Гидо

цитоплазматической, мембранной или другой

вые RNA или CRISPR RNA (crRNA), нацелен

субклеточной локализации экспрессии опреде

ные на генетические детерминанты факторов

ленных бактериальных мRNA [15].

вирулентности, антибиотикорезистентности

БИОХИМИЯ том 85 вып. 11 2020

1618

ШЕМЯКИН и др.

Таблица 1. Антибактериальные препараты, разработанные на основе RNA, и механизм их действия

Наименование препарата

Механизм действия

Бактерии

Ссылки

Hfq ассоциированные sRNA

деградации матричных RNA, вызываемые присо

E. coli, Salmonella

[5]

единением к ним Hfq ассоциированных sRNA

Пептид PNA конъюгаты

анти acpP PNA конъюгаты инактивируют ген

E. coli, Klebsiella pneumo*

[7]

acpP, контролирующий синтез жирных кислот

niae

ASO CPP, CPP PNA и

стабилизация и доставка к внутриклеточным ми

E. coli, Salmonella enteric,

[10]

CPP PMO конъюгаты

шеням RNA антибиотиков

S. aureus, L. monocytogenes,

Streptococcus pyogenes,

K. pneumonia, Acinetobacter

baumannii

Неионные олигонуклеотиды,

селективное ингибирование синтеза белка и бак

E. coli

[11]

комплементарные 3′ концу 16S

териального роста

рRNA

PMO против гена acpP

антибактериальные препараты активны на легоч

Burkholderia cepacia

[14]

ной модели инфекции

sRNAs OmrA и OmrB

Hfq зависимое ремоделирование структуры RNA

E. coli

[14]

ингибирует трансляцию гена фермента дигуани

латциклазы DgcM (ранее: YdaM), участвующего

в регуляции формирования биоплёнки

Анти gyrA PNA

ингибирование роста бактерий препаратом анти

S. pyogenes

[16]

gyrA PNA in vitro и на модели инфекции у Galleria

mellonella

Системы CRISPR Cas I и II ти

использование систем CRISPR Cas для селектив

E. coli, Pseudomonas aeru*

[23]

пов

ного уничтожения бактерий

ginosa, S. aureus

Система CRISPR Cas с гидовы

специфическое разрезание двунитевой DNA ге

E. coli

[24]

ми RNA против генов β лакта

нов blaSHV*18 или blaNDM*1; система доставки -

маз blaSHV 18 или blaNDM 1

бактериофаг или плазмида

Система CRISPR Cas с гидовы

специфическое разрезание двунитевой DNA гена

E. coli O157:H7

[24]

ми RNA против гена интимина

eae

eae энтерогеморрагических эше

рихий EHEC

Система CRISPR Cas, нацелен

полная элиминация резистентных бактерий из

E. coli

[25]

ная на уничтожение плазмид,

популяции, увеличение чувствительности целе

несущих гены β лактамаз

вых бактерий к β лактамным антибиотикам

NDM 1 и CTX M 15, система

доставки - лизогенным бакте

риофагом

или на существенные хромосомные гены пато

териофагов и систем CRISPR Cas позволил осу

генных бактерий, были разработаны для E. coli и

ществить увеличение чувствительности целевых

Staphylococcus aureus. К сожалению, эффектив

бактерий к β лактамным антибиотикам и обес

ность синтетических crRNA может быть сниже

печил полную элиминацию резистентных бак

на из за спонтанных точечных мутаций в бакте

терий из популяции [25]. В последние годы поя

риальных геномах, поэтому необходимо предус

вились сообщения о многообещающих вариан

мотреть возможность избегать таких эффектов

тах наноносителей для доставки антимикроб

при разработке новых лекарств [23]. В качестве

ных систем в бактериальные клетки, например,

векторов для доставки систем CRISPR Cas в

хитозан разного молекулярного веса и наночас

бактериальные клетки были испытаны фаговые

тицы золота. Кроме того, предложено использо

частицы, специфичные для бактерий мишеней,

вать эндогенные системы CRISPR Cas, достав

и конъюгативные плазмиды [24]. Интересный

ляя в бактерии мишени только гидовую RNA

комбинированный подход использования бак

[26].

БИОХИМИЯ том 85 вып. 11 2020

АНТИБИОТИКИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

1619

ГИБРИДНЫЕ АНТИБИОТИКИ

но применяемые и впоследствии модифициро

ванные, по прежнему представляют собой важ

С появлением штаммов бактерий с множест

ный класс антибиотиков благодаря их антибак

венной лекарственной устойчивостью появи

териальной активности и селективности. К ним

лась необходимость разработки новой стратегии

относятся пенициллины, цефалоспорины, кар

терапии инфекционных заболеваний. Одним из

бапенемы и монобактамы. Вместе с тем за их

таких направлений является разработка гибри

появлением на рынке быстро последовало расп

дов антибиотиков, которые представляют собой

ространение устойчивых штаммов в глобальном

два ковалентно связанных соединения с разным

масштабе. Механизм действия, с помощью ко

механизмом действия. Такой препарат может

торого работают эти антибиотики, основан на

быть представлен либо комбинацией двух анти

инактивации транспептидаз, необходимых для

биотиков с разным механизмом действия, либо

последней стадии биосинтеза клеточной стенки

антибиотиком, ковалентно связанным с адъю

бактерий. Некоторые бактериальные штаммы

вантом.

продуцируют β лактамазы, которые разрушают

Ковалентная связь гибридного антибиотика

β лактамное кольцо, что приводит к потере эф

может быть расщепляемой или нерасщепляе

фективности антибиотиков, содержащих эту

мой. В случае расщепляемой связи гибрид анти

функциональную группу. Для преодоления ус

биотика представляет собой пролекарство, ко

тойчивости к β лактамазе применяются две

торое биотрансформируется под влиянием фер

стратегии: разработка устойчивых к β лактамазе

ментов организма в месте действия. Преимуще

антибиотиков, например цефалоспоринов и

ством такого подхода является активация анти

карбапенемов, которые устойчивы к гидролизу

биотика в целевом сайте назначения, что позво

β лактамазами, и разработка селективных инги

ляет использовать меньшие концентрации ан

биторов β лактамаз, применяемых совместно с

тибиотика. Применение гибридов антибиоти

β лактамным антибиотиком [28]. Выбор инги

ков, содержащих два слитых антибиотика, даёт

битора, который можно комбинировать с опре

дополнительные преимущества комбинирован

деленным β лактамным антибиотиком, пред

ной терапии. Сочетание антибиотика с хими

ставляет собой сложный этап, на котором необ

ческим соединением, которое не обладает анти

ходимо учитывать ряд требований: а) ингибитор

микробным действием, может быть использова

должен защищать антибиотик от ферментатив

но для получения синергетического эффекта.

ного гидролиза, б) доза ингибитора должна быть

Такие агенты работают, нацеливаясь на различ

достаточной для обеспечения защиты антибио

ные этапы в общем биохимическом процессе,

тика от ферментов и в) препарат должен сохра

улучшая поступление и/или подавляя отток ан

нять стабильность и активность.

тибиотика. Агенты такого рода назвали антибио

Комбинация амоксициллина и клавулано

тическими адъювантами [27]. Антибиотические

вой кислоты по прежнему широко используется

адъюванты могут быть направлены непосред

в терапии инфекционных заболеваний [29].

ственно на бактериальную клетку, способствуя

Впоследствии в клиническую практику были

усилению действия антибиотика, или на иммун

введены тазобактам и сульбактам. В 2015 г. FDA

ную систему хозяина, активируя определенные

было одобрено применение авибактама в ком

звенья иммунитета, что приводит к активной

бинации с цефтазидимом, которые ингибируют

элиминации патогена из организма.

многие клинически значимые лактамазы класса

Антибиотические адъюванты, направленные

A и C, а также ограниченное количество фер

на бактериальную клетку. Действие антибиоти

ментов класса D, таких как OXA 48 [30]. В 2018 г.

ческих адъювантов, направленное на блокиро

для борьбы с мультирезистентными бактерия

вание основных механизмов устойчивости к ан

ми, такими как Acinetobacter baumannii, характе

тибиотикам у бактерий, можно разделить на:

ризующимися разнообразием β лактамаз класса

а) ингибирование β лактамаз,

D, были одобрены к применению две новые

б) ингибирование эффлюксных насосов,

комбинации ингибиторов карбапенем β лакта

в) регуляцию проницаемости мембраны бак

мазы: имипенем релебактам и меропенем ва

терий,

борбактам [31] Конъюгированный с пептидом

г) ингибирование патогенности бактерий.

PMO был сконструирован для селективного ин

Ингибирование β лактамаз. Синтез фермен

гибирования экспрессии NDM 1, что снизило

тов, способных дезактивировать антибиотики,

минимальную ингибирующую концентрацию

является одним из механизмов устойчивости,

меропенема для грамотрицательных бактерий и

используемых бактериями, чтобы противосто

увеличило выживаемость в модели мышиного

ять действию антибиотиков. β Лактамные анти

сепсиса [32]. Комбинация цефепима с ингиби

биотики, первые природные соединения успеш

тором β лактамазы VNRX 5133VNRX 5133 по

БИОХИМИЯ том 85 вып. 11 2020

1620

ШЕМЯКИН и др.

казала сильную антибактериальную активность

ствие, некоторые антибактериальные препара

в отношении устойчивых к карбапенему

ты проявляют пониженную эффективность при

Enterobacteriaceae и Pseudomonas aeruginosa [33].

лечении инфекций, вызванных грамотрица

Ингибирование эффлюксных насосов. Наибо

тельными бактериями. Известно, что два меха

лее широко используемой стратегией для борь

низма проникновения антибиотиков через бак

бы с антибиотикорезистентностью является

териальную стенку зависят от химической при

разработка ингибиторов эффлюксных насосов,

роды антибактериального препарата. Первый

которые предназначены для комбинированной

основан на применении гидрофобных соедине

терапии со специфическими антибиотиками.

ний (таких как макролиды и рифампицин), ко

Эффлюксные насосы, располагающиеся в кле

торые пересекают липидный бислой через пас

точной мембране некоторых видов бактерий,

сивные транспортные механизмы. Второй ис

после проникновения антибиотика в клетку от

пользуется гидрофильными молекулами (нап

качивают его обратно, из за чего лекарство не

ример, β лактамы, фторхинолоны и фениколо

может достигнуть необходимой концентрации и

вые антибиотики), которые диффундируют че

уничтожить микроорганизм. В качестве ингиби

рез активные транспортные механизмы, ис

торов выступают небольшие молекулы, которые

пользуя их способность взаимодействовать с

способны блокировать функции эффлюксных

особыми поринами. В этом контексте бактери

насосов. Ингибиторы эффлюксных насосов,

альная наружная мембрана представляет собой

как правило, не обладают антибактериальной

потенциальную мишень, в ряде случаев способ

активностью, поэтому эти соединения дополни

ную противостоять проникновению антибиоти

тельно тестируются на синергизм с антибиоти

ка. Для увеличения способности антибиотика

ками в различных концентрациях. Высокую эф

проникать через мембрану могут использовать

фективность ингибиторы эффлюксных насосов

ся адъюванты. В качестве адъювантов такого ти

будут проявлять при совместной терапии с ан

па эффективно могут применяться пермеабили

тибиотиками классов макролидов, фторхиноло

заторы, представляющие собой катионные и

нов и тетрациклинов, действие которых прояв

амфифильные молекулы или хелаторы, кото

ляется при проникновении внутрь бактерии. На

рые, взаимодействуя с полианионными липопо

сегодняшний день не зарегистрировано ни од

лисахаридами или захватывая катионы внешне

ного препарата, ингибирующего эффлюксные

го слоя, дестабилизируют стенку мембраны и

насосы, что связано с часто проявляемой ими

таким образом увеличивают вероятность про

токсичностью. Тем не менее работы в этом нап

никновения антибиотика. Примерами пермеа

равлении продолжаются. Например, соедине

билизаторов наружных мембран являются по

ния карвотацетона, выделенные из Sphaeranthus

лимиксины, такие как полимиксин B, колис

africanus, оказывали сильное антибактериальное

тин, аминогликозиды, катионные пептиды,

действие на Mycobacterium aurum и Mycobacterium

производные катионной желчной кислоты или

bovis BCG и ингибировали эффлюксные насосы

полиамины.

микобактерий, что позволяет их рассматривать,

Антибиотики, гибридизованные с сидеро

как многообещающий адъювант в терапии ту

форами, работают по типу «троянского коня».

беркулеза или других нетуберкулезных мико

Этот гибрид антибиотика вводит бактерии в заб

бактериальных инфекций [34].

луждение, чтобы активно транспортироваться в

Протонофор карбонилцианид м хлорфе

клетку. Сидерофоры - молекулярные соедине

нилгидразин также способствовал усилению

ния, которые выделяют сами бактериальные

эффективности антибиотикотерапии бактерий

клетки для обеспечения себя жизненно необхо

Enterobacteriaceae за счёт снижения продук

димым железом. Сидерофоры захватывают же

ции АТФ и увеличения проницаемости мем

лезо и возвращаются в свою клетку, поглощаясь

бран [35].

активными транспортными каналами. Путем

Регуляция проницаемости мембраны бакте

мечения антибиотиков хелатирующим железо

рий. Обычно антибиотики, используемые в те

сидерофором внутриклеточные концентрации

рапии, оказывают своё антибактериальное

лекарственного средства достигают высоких

действие, поражая соответствующие мишени

значений благодаря поступлению в клетку через

внутри клетки. Это требует проникновения ан

бактериальную систему транспорта железа [36].

тибиотика через бактериальную мембрану

При конструировании гибридных антибиоти

(мембраны) внутрь клетки. Дополнительная на

ков, связанных с сидерофором, необходимо

ружная мембрана у грамотрицательных бакте

принимать во внимание различные аспекты.

рий, которая в основном состоит из полианион

Например, учитывать уровень сродства к железу

ных липополисахаридов и поринов, ограничи

при использовании неродного сидерофора, ана

вает проникновение антибиотиков. Как след

лизировать стабильность препарата, который

БИОХИМИЯ том 85 вып. 11 2020

АНТИБИОТИКИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

1621

должен сохранять стабильность во внеклеточ

путем включения нового цистеина к его C кон

ной среде, но высвобождаться внутри клетки

цу позволила значительно повысить его анти

благодаря ферментативной активности, и, на

микробную активность [42]. Для повышения

конец, поглощение сидерофора не должно быть

эффективности эрадикации Helicobacter pylori

затруднено.

был разработан препарат, где N ацетилцистеин

Разработан препарат, содержащий новый β

использовали в качестве адъюванта при прове

лактамазный ингибитор GT 055, конъюгиро

дении антибиотикотерапии [43].

ванный с сидерофором цефалоспорином GT 1.

Ингибирование белков Quorum Sensing (QS). У

GT 055 активен против β лактамаз класса A, C,

многих бактериальных патогенов рост популя

D и некоторых классов B. Добавление GT 1 уси

ции находится под контролем QS, который

ливает действие GT 055 против мультирезистент

представляет собой механизм межклеточной

ных штаммов A. baumannii и P. aeruginosa [37].

коммуникации, контролирующий проявления

Показано также, что препарат, содержащий GT

фенотипа, в том числе вирулентность. Эта сис

055, конъюгированный с сидерофором цефа

тема работает благодаря постоянной секреции

лоспорином GT 1, характеризовался повышен

сигнальных молекул (называемых аутоиндукто

ной активностью в отношении мультирезистент

рами) каждой отдельной бактерией. Для разра

ных штаммов E. coli и Klebsiella pneumoniae,

ботки ингибиторов QS синтезируют химические

включая мутантные штаммы по поринам и эф

соединения, имитирующие структуры сигналь

флюксной системе [38].

ных молекул. Например, был синтезирован пеп

Ингибирование патогенности бактерий. В

тид 31, который снижал уровень межклеточных

последнее десятилетие появился новый подход,

взаимодействий с участием сигнальных пепти

направленный на снижение патогенности бак

дов, т.е. ингибировал QS [44].

терий. В отличие от традиционных противомик

Антибиоплёночные препараты. По данным

робных препаратов, которые действуют, убивая

статистики 65-80% случаев бактериальных ин

бактерии или блокируя рост бактерий, разраба

фекций протекает с образованием биоплёнок,

тываемые препараты нового поколения будут

представляющих собой сообщества микроорга

направлены на конкретные факторы вирулент

низмов. В фазе роста в условиях инфекции бак

ности, которые проявляются бактериями только

терии становятся в 10-1000 раз более устойчи

во время инфекционного процесса (табл. 2).

выми к антибиотикам. На основе природных

Они несущественны для клеточного цикла бак

пептидов, таких как человеческий кателицидин

терий, но они важны для проявления патоген

LL 37 и бычий пептид индолицидин, были по

ности. Снижение вирулентности/патогенности

лучены синтетические катионные пептиды [45].

бактерий значительно облегчит их элиминацию

Эти соединения обладают способностью инги

из организма компонентами иммунной систе

бировать образование биоплёнок, широким

мы. Ингибирование патогенности/вирулент

спектром активности, а также могут быть ис

ности бактерий может быть достигнуто различ

пользованы в качестве антибиотических адъю

ными путями, например, при воздействии на

вантов, усиливая бактерицидное действие анти

биосинтез цистеина, белки Quorum sensing (QS)

биотиков, таких как тобрамицин, цефтазидим,

и биоплёнки.

имипенем и ципрофлоксацин [46].

Ингибирование биосинтеза цистеина. Важ

В качестве антибиотических адъювантов мо

ность цистеиновых биосинтетических фермен

гут использоваться также пептиды, некоторые

тов варьируется в течение жизненного цикла па

из которых оказывают не только антимикроб

тогенов: их активность может быть необязатель

ное действие, но и деградируют внеклеточный

ной во время роста in vitro или острых инфек

полимерный матрикс бактериальных биоплё

ций, но становится незаменимой в течение фа

нок (табл. 2). Например, гепсидин 20 может

зы персистенции [39]. Препараты, способные

уменьшать массу внеклеточного матрикса

ингибировать биосинтез цистеина, могут иметь

Staphylococcus epidermidis и изменять его биоплё

более эффективное потенциальное преимуще

ночную архитектуру, воздействуя на полисаха

ство в борьбе с бактериями персисторами в ор

ридный межклеточный адгезин [47]. Антибио

ганизме человека, чем традиционные антибио

плёночные пептиды могут подавлять гены,

тики, предотвращая формирование антибиоти

участвующие в образовании биоплёнки и транс

коустойчивости [40]. Важная роль биосинтеза

порте связывающих белков как грамотрицатель

цистеина в формировании устойчивости к анти

ных, так и грамположительных бактерий [48].

биотикам была выявлена относительно недавно

Антибиотические адъюванты, направленные

[41]. В этой связи разрабатываются новые гиб

на иммунную систему хозяина. Врождённая им

риды антибиотиков. Например, модификация

мунная система - это первая линия защиты ор

37 мерного антимикробного пептида HBcARD

ганизма от бактериальных инфекций. В отличие

БИОХИМИЯ том 85 вып. 11 2020

1622

ШЕМЯКИН и др.

Таблица 2. Гибридные антибиотики и механизм их действия

Наименование препарата

Механизм действия

Бактерии

Ссылки

Имипенем релебактам

ингибирование β лактамаз

A. baumannii

[31]

Меропенем ваборбактам

ингибирование β лактамаз

A. baumannii

[31]

Комбинированные цефепим

ингибирование β лактамаз

Enterobacteriaceae и P.

[33]

с VNRX 5133

aeruginosa

Гибриды с тобрамицином

ингибирование эффлюксных насосов

P. aeruginosa

[52]

GT 055 в сочетании с сидеро

усиление проницаемости мембраны бактерий для

A. baumannii, P. aeruginosa,

[37, 38]

фором GT1

антибиотиков

E. coli и K. pneumoniae

Модифицированный 37 мер

ингибирование биосинтеза цистеина

A. baumannii

[42]

ный антимикробный пептид

HBcARD

N ацетилцистеин

ингибирование биосинтеза цистеина

H. pylori

[43]

Пептид 31

ингибирование QS

P. aeruginosa

[44]

Гепсидин 20

деградация внеклеточного полимерного матрикса

Staphylococcus epidermidis

[48]

бактериальных биоплёнок

Синтетические антибиоплёноч

подавление генов, участвующих в образовании

грамотрицательные и

[48]

ные пептиды

биоплёнки

грамположительные бак

терии

Антимикробный пептид LL 37

индукция аутофагии, усиление антимикробного

Mycobacterium tuberculosis

[51]

ответа нейтрофилов и подавление синтеза про

воспалительных цитокинов и IFN гамма

Тобрамицин, присоединенный

селективно индуцируют синтез интерлейкина

P. aeruginosa

[53]

к алифатическим углеводородам

(IL 8) макрофагами, что усиливает миграцию и

активацию лейкоцитов, способствуя эффектив

ной элиминации патогена из организма

от адаптивной иммунной системы, активирую

симому и/или MyD88 независимому пути, в ре

щейся через некоторый промежуток времени,

зультате чего синтезируются провоспалитель

врождённая иммунная система незамедлитель

ные цитокины и/или интерфероны типа I.

но реагирует на патогенные микроорганизмы.

RLRs расположены в цитоплазме и способны

Это происходит благодаря наличию паттерн

связываться с DNA/RNA вирусов и внутрикле

распознающих рецепторов на поверхности им

точных бактерий. Связывание RLRs с компо

мунокомпетентных клеток, прежде всего мак

нентами бактерий/вирусов приводит к актива

рофагах и дендритных клетках. Паттерн рас

ции сигнальных путей эукариотической клетки

познающие рецепторы взаимодействуют со

и запуску синтеза интерферонов I типа. NOD

структурами, общими для всех бактерий, в ре

рецепторы представляют собой большое семей

зультате чего происходит активация иммуно

ство белков, которые формируют мультипроте

компетентной клетки и запуск реакций врож

иновые комплексы в цитоплазме. Их лиганды

дённого иммунитета. Паттерн распознающие

способны взаимодействовать с мурамилдипеп

рецепторы делятся на три основные категории:

тидом, флагеллином бактерий, а также некото

Toll подобные рецепторы (TLR), RIG I подоб

рыми белками грибов и вирусов. В результате

ные рецепторы (RLR) и Nod подобные рецеп

такого взаимодействия активируется каспаза и

торы (NOD). TLR распознают поверхностные и

происходит превращение про IL 1b в его ак

внутриклеточные белки, липиды, RNA, DNA и

тивную (провоспалительную) форму. Перечис

другие компоненты бактерий. Связывание бак

ленные выше эффекторные функции врождён

териальной молекулы с TLR запускает сигналь

ного иммунитета способствуют рекрутингу, ак

ный каскад активации клетки по MyD88 зави

тивации и дифференцировке иммунокомпете

БИОХИМИЯ том 85 вып. 11 2020

АНТИБИОТИКИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

1623

нтых клеток, что в итоге способствует элимина

иммуномодулирующими свойствами: селектив

ции микроорганизмов главным образом за счёт

но индуцируют хемокиновый интерлейкин (IL

фагоцитоза.

8) в макрофагах. IL 8 - мощный нейтрофиль

Давно известно, что некоторые пептиды

ный хемотаксический фактор, вызывающий

(менее 50 аминокислот в длину) оказывают им

миграцию и активацию моноцитов, лимфоци

муномодулирующее действие и способны уси

тов, базофилов и эозинофилов, что приводит к

ливать антимикробную активность врождённой

эффективной элиминации патогена из орга

иммунной системы. Изученность спектра

низма [53].

действия и механизмов иммуномодулирующих

Молекулярные механизмы врождённых им

пептидов позволяет их рассматривать в качест

мунных реакций активно пытаются использо

ве потенциальных компонентов при конструи

вать для разработки новых противомикробных

ровании гибридных антибиотиков (табл. 2).

препаратов. Однако к очевидным рискам при

Так, например, предварительная обработка

менения антибиотических адъювантов, направ

растворимыми агонистами TLR, такими как

ленных на активацию компонентов иммунной

Pam3 CSK4 или MALP2 (TLR 2), полиинозин

системы хозяина, относятся возможное разви

полицитидиловой кислотой (TLR 3), липопо

тие аутоиммунного состояния с последующим

лисахаридом (TLR 4) или DNA CpG (TLR 9)

повреждением органов. Поэтому необходимо

усиливала защитные механизмы хозяина про

иметь чёткое представление о механизмах

тив патогена за счёт усиления фагоцитоза [49].

действия специфических лигандов и сигналь

Поскольку липополисахарид токсичен и не мо

ных молекул, используемых в качестве компо

жет рассматриваться в качестве клинического

нентов гибридного антибиотика. Список гиб

препарата, были исследованы другие лиганды,

ридных антибиотиков представлен в табл. 2.

такие как монофосфориллипид A и аминоалкил

глюкозаминидфосфаты, которые показали вы

сокую эффективность в качестве адъюван

ЭНДОЛИЗИНЫ БАКТЕРИОФАГОВ

тов [50].

Искусственная стимуляция NOD1 может

S. aureus является грамположительным оп

представлять собой многообещающую страте

портунистическим патогеном, который колони

гию для повышения врождённого иммунитета

зирует 30-50% человеческой популяции. В нас

против бактериальных патогенов особенно во

тоящее время S. aureus приобрел устойчивость

время лечения антибиотиками широкого

практически ко всем антибиотикам и считается

спектра действия, которое истощает или серь

одной из главных причин внутрибольничных

езно изменяет эндогенную микрофлору. Аго

инфекций главным образом из за широкого

нисты NOD2 также усиливают фагоцитарную

распространения штаммов с множественной ле

активность лейкоцитов периферической крови

карственной устойчивостью. S. aureus способен

и макрофагов брюшины, печени и лёгких. Об

занимать самые разнообразные экологические

работка альвеолярных макрофагов человека му

ниши благодаря наличию нескольких адаптаци

рамилдипептидом NOD2 лиганда индуцирует

онных механизмов, в частности, позволяющих

аутофагию и экспрессию антимикробного пеп

избежать иммунного ответа хозяина и пережить

тида LL 37. Активность LL 37 включает усиле

воздействие больших доз антибиотиков [54].

ние антимикробного ответа нейтрофилов и по

Наиболее известными из адаптационных воз

давление провоспалительных цитокинов и

можностей данной бактерии являются форми

IFN гамма, повышая защиту от микобакте

рование биоплёнок и внутриклеточное сохране

рий [51].

ние и размножение.

Перспективной парой для создания гибрид

Биоплёнка как способ надклеточной орга

ного антибиотика является тобрамицин. Тобра

низации прокариот обладает рядом специфи

мицин характеризуется плейотропным меха

ческих свойств, обеспечивающих толерантность

низмом антибактериального действия: блоки

к антимикробным воздействиям на бактериаль

рует 30S субъединицу рибосом и тормозит син

ные клетки. Известно, что бактериальные кле

тез белка, а при высокой концентрации разру

точные патогены в составе биоплёнки имеют

шает бактериальную мембрану, вызывая гибель

более высокую степень вирулентности в сравне

клетки. Гибриды, содержащие тобрамицин,

нии с их планктонными формами, и по мень

проявляют активность в отношении мультире

шей мере 80% инфекций S. aureus ассоциирова

зистентных штаммов за счёт способности тоб

но с биоплёнками [55]. Внедрение S. aureus в эу

рамицина ингибировать эффлюксные каналы

кариотические клетки и последующее внутри

[52]. Кроме того, тобрамицин, присоединен

клеточное сохранение и размножение непосред

ный к алифатическим углеводородам, обладает

ственно связано с наличием внутриклеточных

БИОХИМИЯ том 85 вып. 11 2020

1624

ШЕМЯКИН и др.

компартментов с низким pH. Находясь внутри

расщепляет N ацетилмурамоил L аланин амид

клетки, эти бактерии снижают метаболическую

ную связь внутри пептидогликана [62]. Расщеп

активность и в силу ряда других причин прояв

ление одной связи, вероятно, приводит к боль

ляют устойчивость к антибиотикотерапии и воз

шей доступности других связей в пептидогли

действию иммунных систем организма хозяи

кане, что объясняет синергизм, наблюдаемый

на, что во многом объясняет высокую частоту

для комбинаций рекомбинантных эндолизинов

рецидивирующих инфекций, наблюдаемых у

с различными сайтами расщепления [63].

S. aureus [56].

Известен ряд эндолизинов, способных эф

Таким образом, новые антибактериальные

фективно разрушать биоплёнки S. aureus [64],

агенты, активные против биоплёнок, внутри

причём большая их часть имеет структуру, близ

клеточных форм и лекарственно устойчивых

кую к эндолизину бактериофага LysK [65]. Как

штаммов S. aureus являются актуальной насущ

правило, данные эндолизины активны против

ной потребностью практического здравоохра

биоплёнок различных клинических штаммов

нения (табл. 3). Одним из наиболее продвину

S. aureus, но не коагулазонегативных стафило

тых вариантов новых альтернативных антимик

кокков [66]. Показано, что в состоянии био

робных агентов, способных эффективно бо

плёнки, так же как и в планктонном состоянии,

роться с инфекциями S. aureus, выступают пеп

S. aureus не способен формировать устойчи

тидогликангидролазы (ПГГ) [57]. ПГГ пред

вость к эндолизинам [59]. Некоторые эндоли

ставляют собой ферменты, способные расщеп

зины приводят к деградации биоплёнки

лять специфические связи внутри пептидогли

S. aureus независимо от химического состава

кана бактериальной клеточной стенки, вызы

внеклеточного матрикса (полисахаридный,

вая тем самым бактериальный лизис. Этот ак

DNA или белковый матрикс). Показано, что в

тивный механизм уничтожения S. aureus также

ряде случаев происходит полное разрушение

действует и на метаболически неактивные пер

полисахаридного матрикса, либо разрушение

систентные и антибиотикорезистентные бакте

самого матрикса остаётся неполным, но клетки

рии [58]. ПГГ разделяют на несколько классов,

бактерий всегда оказываются элиминирован

прежде всего, по происхождению, но наиболее

ными [67]. В отличие от антибиотиков, субин

перспективным вариантом для разработки аль

гибиторные концентрации эндолизинов не ин

тернативных антимикробных агентов являются

дуцируют рост стафилококковой биоплён

ПГГ, кодируемые геномом бактериофагов и

ки [68].

способные вызывать лизис изнутри инфициро

В биоплёнках стафилококков после обра

ванных бактерий хозяев для освобождения ви

ботки эндолизинами не было обнаружено пер

рионов в конце литического цикла фага. Такие

систирующих бактерий. Выжившие бактерии

бактериофаговые ПГГ часто называют эндоли

были чувствительны к эндолизину. Эти резуль

зинами. При воздействии извне рекомбинант

таты согласуются с отсутствием сообщений о

ные эндолизины быстро и эффективно убивают

бактериях, устойчивых к фаговым эндолизи

грамположительные бактерии, разрушая внеш

нам, несмотря на многочисленные попытки их

ний слой пептидогликана [59]. Основные преи

отбора [69]. Более того, эндолизины способны

мущества эндолизинов заключаются в узком

элиминировать персистирующие бактерии,

спектре действия, что гарантирует воздействие

предварительно отобранные двумя антибиоти

только на определенные виды бактерий, неток

ками, рифампицином и ципрофлоксаци

сичности для эукариотических клеток и низком

ном [58].

риске развития резистентности вследствие вы

Для эффективного лизиса внутриклеточных

сокой консервативности пептидогликановых

S. aureus эндолизины должны быть трансдуци

связей, мишеней для эндолизинов [60].

рованы в эукариотические клетки. Для некото

Эндолизины имеют модульную структуру,

рых эндолизинов проникновение в эукариоти

состоящую из N концевых каталитических до

ческую клетку обеспечивается за счёт собствен

менов и одного C концевого SH3b подобного

ных свойств, о чем сообщалось для эндолизина

субстрат связывающего домена [61]. Наличие

PlyC стрептококкового фага [70]. Для эндолизи

модульной структуры облегчает молекулярную

нов S. aureus доставка в эукариотическую клетку

инженерию этих белков. Наиболее распростра

происходит благодаря слиянию с белковым

ненная архитектура эндолизинов S. aureus со

трансдуцирующим доменом [58]. При этом не

держит N концевую эндопептидазу (Cis His за

обходимо учитывать тот факт, что среда в раз

висимую амидогидролазу/пептидазу, CHAP),

личных компартментах эукариотических кле

которая расщепляет пептидную связь d Ala Gly,

ток, таких как цитоплазма или фаголизосомы,

затем следует второй каталитический домен -

варьирует по множеству параметров, таких как

центрально расположенная амидаза 2, которая

pH, ионная сила и осмотическое давление. Это

БИОХИМИЯ том 85 вып. 11 2020

АНТИБИОТИКИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

1625

Таблица 3. Эндолизины бактериофагов и механизм их действия

Наименование препарата

Механизм действия

Бактерии

Ссылки

или действующего агента

CF 301/Contrafect NCT03163446

гидролиз пептидогликана

S. aureus

[60]

NRephasin/Intron Biotechnology

NCT03089697

P128/GangagenNCT01746654

Staphefekt/Micreos NCT02840955

создаёт, в свою очередь, различные проблемы

НАНОМАТЕРИАЛЫ

для проявления литической активности эндоли

зинов. Вместе с тем было показано, что химер

В настоящее время наномодифицирован

ные эндолизины с белковым трансдуцирующим

ные поверхности все более активно использу

доменом являются многообещающими анти

ются как бактерицидные и иммуномодулирую

бактериальными агентами, способными эффек

щие инструменты при переходе к персонализи

тивно удалять внутриклеточные S. aureus [71].

рованной медицине и технологиям здоровье

Был продемонстрирован синергизм во внутри

сбережения. Значительная доля госпитальных

клеточных компартментах при комбинирова

инфекций связана с бактериальной контамина

нии эндолизинов с различными каталитически

цией медицинских устройств и материалов.

ми активностями.

Применение биомедицинских имплантатов

Эндолизины бактериофагов, обладают уни

значительно увеличивает риск заражения орга

кальным преимуществом активного и быстрого

низма. Несмотря на то что микробиологическая

литического механизма, характеризующегося

контаминация постоянно минимизируется сов

высокой эффективностью в отношении устой

ременными процедурами стерилизации, часто

чивых к антибиотикам бактерий, метаболичес

наблюдаются постоперационные вспышки бак

ки неактивных персисторов и биоплёнок [58].

териальных инфекций после установки имп

Очевидно, что нативные эндолизины, будучи

лантата. Каждый год более 1000 тонн устройств

оптимально приспособленными для выполне

на основе титана (Ti) имплантируется пациен

ния своей природной функции, имеют ряд не

там [74]. Ti и его сплавы чаще всего использу

достатков с точки зрения использования их как

ются для ортопедических имплантатов, вклю

антимикробных агентов. Однако любые измене

чая кости и суставы, устройства для фиксации

ния естественных структур эндолизинов могут

перелома и зубные имплантаты благодаря их

влиять на их активность, причём степень такого

прочности, стабильности, высокой коррозион

влияния зависит от индивидуального белка и

ной стойкости (из за образования тонкого слоя

типа модификации [72]. Причинами этого могут

оксида титана), низкого модуля упругости и би

быть стерическое несоответствие при рецептор

осовместимости. Более того, оксид титана об

ной или каталитической активности, изменения

ладает остеоиндуктивными свойствами [75].

в локальном распределении заряда или третич

Две основные проблемы сопровождают опера

ной структуре. Исследования показали, что ис

цию по замене поврежденной или больной

пользование генной инженерии для создания

костной ткани - недостаточная остеоинтегра

химерных конструкций, несущих функциональ

ция и возникновение инфекций. Согласно дан

ные домены различного происхождения, спо

ным FDA и Medtech Europe, в настоящее время

собно приводить к получению эндолизинов с

на глобальном рынке представлено более

новыми и оптимизированными свойствами

500 000 видов медицинских устройств [76]. Ин

[73]. В процессе анализа литической активности

вазивные медицинские устройства, включая

химерных эндолизинов была установлена спе

стационарные и имплантируемые устройства,

цифика действия функциональных доменов в

представляют собой лишь часть этого списка.

различных условиях, разработана методология

Так, применение цереброспинальных шунтов и

поиска оптимальных комбинаций функцио

различного типа катетеров во всем мире состав

нальных доменов. В настоящее время первые

ляет сотни миллионов [77]. Кроме того, имп

рекомбинантные эндолизины проходят клини

лантируется более миллиона сердечно сосудис

ческие испытания как антимикробные агенты

тых электронных устройств и выполняется 10

против S. aureus [60].

миллионов процедур имплантации зубов [78].

8 БИОХИМИЯ том 85 вып. 11 2020

1626

ШЕМЯКИН и др.

Согласно данным Arciola et al. [79], в мире ис

Успехи в области бионанотехнологий откры

пользуется около миллиарда имплантируемых

вают новые возможности в науке, биотехноло

медицинских устройств, связанных с риском

гии и медицине. Наличие бактерицидной актив

инфицирования, тем не менее интенсивность

ности у наночастиц серебра является важной

использования таких устройств растёт с каждым

особенностью для борьбы с патогенными мик

годом.

роорганизмами. Наноматериалы на основе се

Разработка и изготовление биосовместимых

ребра оказывают свой бактерицидный эффект

антибактериальных поверхностей по прежнему

преимущественно за счёт высвобождения ионов

остаётся актуальной задачей, решение которой

серебра (в чистом виде или в комплексе) с пос

позволит значительно улучшить качество здра

ледующим увеличением проницаемости мем

воохранения и жизни человека. Инженерия по

бран, потерей протонной движущей силы, что

верхности является мощным инструментом, ко

приводит к потере энергии клеткой и оттоку

торый позволяет придать поверхности нужные

фосфатов, к утечке клеточного содержания и

сочетания физических, химических, механичес

нарушению репликации DNA. В настоящее вре

ких и биологических характеристик, не затраги

мя наночастицы серебра рассматриваются как

вая объёмные свойства материала. Существует

альтернатива антибиотикам, поэтому они ак

четыре основных типа антибактериальных по

тивно изучаются как бактерицидные агенты.

верхностей, предназначенных для борьбы про

Ионная имплантация серебра и платины на тон

тив возбудителей инфекции. Основными меха

кий слой оксида титана приводит к увеличению

низмами бактерицидной активности являются:

бактерицидной активности и улучшению остео

(а) высвобождение бактерицидных агентов,

интеграции имплантата [75]. Низкая цитоток

(б) антиадгезия (препятствие сорбции бактерий

сичность наночастиц серебра имеет большое

на поверхности), (в) локальное изменение рН и

значение для приживления имплантатов, имею

(г) гибель бактерий при непосредственном кон

щих модифицированную наночастицами поверх

такте бактерий с поверхностью (табл. 4). Моди

ность. Для понижения концентрации серебра

фицированные наночастицами поверхности

используются наноиглы на поверхности с пос

могут убивать бактерии и грибы за счёт генера

ледующей их модификацией наночастицами Ag.

ции активных форм кислорода (АФК) и актив

Такой способ получения покрытия приводит к

ных форм азота (АФА) [75, 80]. АФК и АФА вы

высокой бактерицидной активности при низкой

зывают перекисное окисление липидов цито

концентрации серебра [75].

плазматической мембраны. Кроме того, они мо

Новые гибридные наноматериалы являются

гут вызывать повреждение внутриклеточных

ключевыми компонентами современных био

белков и нуклеиновых кислот. Идеальные нано

материалов следующего поколения (табл. 4). Их

поверхности должны обладать бактерицидной и

уникальные свойства определяются синергети

фунгицидной активностями, но при этом быть

ческими эффектами различных нанокомпонен

инертными к клеткам животных и человека и не

тов. В последние годы бор нитридные нано

индуцировать иммунные ответы.

структуры (BN) находятся в центре внимания

Cтратегия на основе высвобождения подра

благодаря их использованию при синтезе сверх

зумевает наличие антимикробных агентов, та

легких металлов и новых керамических поверх

ких как наночастицы металлов различных типов

ностей, полимеров с улучшенной теплопровод

антибиотиков, четвертичных соединений аммо

ностью и механической прочностью, прозрач

ния, галогенид родственных соединений, оксид

ных супергидрофобных плёнок, при создании

азота и хитозана. Подход к высвобождению ан

новых систем доставки лекарств и многим дру

тибиотиков имеет определенные ограничения,

гим эффективным применениям [83]. Нанома

такие как краткосрочный антибактериальный

териалы BN также используются для разработки

эффект, множественная лекарственная устойчи

передовых гибридных наноструктур. Интерес к

вость и, возможно, побочные эффекты. Контро

BN обусловлен их уникальными физико хими

лируемый выход металлических ионов трудно

ческими свойствами, которые включают высо

смоделировать, потому что выход ионов зависит

кую гидрофобность, тепло и электроизоляцию,

от концентрации бактерицидного элемента и

стойкость к окислению, антиокислительную

дополнительных факторов, таких как состояние

способность, теплопроводность, высокую хи

агломерации металла, шероховатости поверх

мическую стабильность, механическую проч

ности и кинетики поверхностного окисления

ность и способность к накоплению водорода.

[81]. Недавние исследования чётко показали от

Они также используются в качестве антибакте

сутствие прямой корреляции между бактери

риальных агентов, защитных покрывающих

цидным ионным выщелачиванием и антибакте

агентов, смазывающих веществ, агентов для

риальными свойствами [82].

бор нейтронозахватной терапии, наноносите

БИОХИМИЯ том 85 вып. 11 2020

АНТИБИОТИКИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

1627

лей для доставки лекарств и для рецепторной

бактерицидную активность. Однако и при та

фазы в хемосенсорах [84]. Прямое связывание

ком подходе наблюдается кратковременный

целевых лигандов или биологически активных

бактерицидный эффект [94]. В настоящее вре

молекул к BN наноматериалам затруднено из за

мя ведутся поиски систем с пролонгированным

присущей данным материалам гидрофобности.

бактерицидным действием. Весьма интересным

Для преодоления данной проблемы могут быть

направлением является разработка биодегради

использованы металлические линкеры, такие

руемых нанополимеров, модифицированных

как наночастицы золота или серебра (NP) [85].

антибиотиками. Такие полимеры обладают вы

Другие перспективные приложения BN нанома

сокой бактерицидной активностью и пролонги

териалов могут быть применены при изготовле

рованным действием [95].

нии квантовых электронных устройств [86] и

Наночастицы на основе сульфидов и окси

носителей катализатора. Наногибриды Ag/BN

дов металлов (Ag₂S, CuS, FeS, диоксид титана,

также представляют большой интерес как фото

оксид серебра, оксид цинка и др.), а также поверх

катализаторы и молекулярные зондовые сенсо

ности, легированные металлами, оксидами и

ры [87], помимо использования в качестве анти

сульфидами металлов, активно используются

бактериальных средств [88]. Использование

для подавления болезнетворной микрофлоры

сложных наноструктур в качестве бактерицид

[96]. Однако до сих пор остаются интригующи

ного элемента является перспективным и быст

ми вопросы: можно ли обеспечить антибактери

ро развивающимся направлением (табл. 4). Од

альную активность только за счёт наногальва

нако известно, что Ag NP легко агрегируются.

нического эффекта или добиться синергетичес

Это приводит к ухудшению их химических

кого эффекта за счёт сочетания наногальвани

свойств и потере антибактериальной активнос

ческого эффекта и высвобождения ионов бакте

ти [89]. Использование наночастиц нитрида бо

рицидов. Предварительные исследования ука

ра может не только помочь преодолеть эту проб

зывают на возможность бактерицидного

лему, но также будет способствовать увеличе

действия за счёт протекания наногальваничес

нию антимикробной активности по сравнению

ких реакций на поверхности [97].

с другими наносоединениями [90].

Следует учитывать, что в дополнение к рис

Изучение и разработка новых материалов с

ку бактериальных инфекций, существует также

бактерицидной активностью интенсивно раз

риск грибковой инфекции [98]. Исследование

виваются в настоящее время. «Материалы буду

фундаментальных взаимодействий между нано

щего» должны обладать биосовместимостью и

частицами и клетками грибов является ключе

антибактериальной активностью [91]. Биодег

вым в определении судьбы и поведения нанома

радируемые нановолокна являются перспек

териалов, разработанных для применения про

тивными кандидатами «материалов будущего».

тивомикробных препаратов. Важно отметить,

Они пропускают кислород, но предотвращают

что присутствие ионов Ag, образованных нано

проникновение микроорганизмов. Такие мате

модифицированными поверхностями, усилива

риалы перспективны для обработки раневых

ет действие противогрибкового антибиотика

поверхностей. Однако для повышения эффек

амфотерицина В [99]. Таким образом, имплан

тивности защиты раны от инфекции наново

таты с включением наномодифицированных

локна должны проявлять высокую антибакте

ионов Ag и загруженные смесью антибиотиков

риальную активность. Для увеличения антибак

обеспечивают инновационные биоконструк

териальной активности нановолокон использу

ции, которые одинаково эффективны против

ют несколько стратегий. Одна из них - раство

бактериальных и грибковых возбудителей. Поэ

рение бактерицидных агентов в смеси, приме

тому комплексная оценка бактерицидной, фун

няемой для получения химических нановоло

гицидной и иммуномодулирующей активности

кон (табл. 4). Эта простая стратегия позволяет

новых сложно организованных поверхностей

загрузить большое количество бактерицидного

является важной задачей для снижения потерь

агента, который может выйти в окружающую

от социально значимых заболеваний.

среду в течение небольшого промежутка време

Бактерицидная активность наномодифици

ни, вызвав кратковременный антибактериаль

рованных поверхностей интенсивно изучается в

ный эффект [92]. Применение наночастиц на

нашей стране с использованием всевозможных

основе гидроксиапатита [93] - более сложный

способов модификации: лазерное нано и мик

метод, но нагрузка бактерицидным агентом при

ротекстурирование поверхностей для ухудше

таком подходе низкая. Применение хитозана,

ния смачивания, придание наношиповидной

не обладающего бактерицидной активностью, с

топографии, повреждающей бактериальные

последующей иммобилизацией на нем анти

мембраны, создание поверхностного гетерослоя

бактериальных агентов показывает высокую

из цитотоксичных наночастиц [100].

БИОХИМИЯ том 85 вып. 11 2020

1628

ШЕМЯКИН и др.

Таблица 4. Бактерицидные наноматериалы и механизм их действия

Наименование препарата

Механизм действия

Бактерии

Ссылки

или действующего агента

Наночастицы на основе металлов,

АФК и прямое ингибирование фер

штаммы, устойчивые

[96]

поверхности, легированные металлами,

ментов, разрушение клеточной стен

к антибиотикам

оксидами металлов и сульфидами металлов

ки и цитоплазматической мембраны

Ag+Pt

АФК и прямое ингибирования фер

штаммы, устойчивые

[75]

ментов

к антибиотикам

наношиповидная топография, генера

штаммы, устойчивые

[85]

ция АФК

к антибиотикам

Нановолокна (модифицированные

антибиотик, бактерицидный агент

штаммы, устойчивые

[95]

антибиотиком или бактерицидным

к антибиотикам

агентом)

Pt Fe на подложке TiCaPCON

наногальваника

штаммы, устойчивые

[97]

к антибиотикам

ЗАКЛЮЧЕНИЕ - ПЕРСПЕКТИВЫ

щим повреждением органов. Поэтому необхо

РАЗВИТИЯ НАПРАВЛЕНИЯ

димо иметь чёткое представление о механизмах

действия специфических лигандов и сигналь

Проблема антибиотикорезистентности воз

ных молекул, используемых в качестве компо

будителей инфекций является важной глобаль

нентов гибридного антибиотика. Весьма перс

ной проблемой; назрела необходимость разра

пективным направлением можно считать эндо

ботки альтернативных инновационных анти

лизины бактериофагов как эффективный про

бактериальных препаратов. Перспективным

тивомикробный препарат против устойчивых к

направлением создания таких препаратов явля

антибиотикам бактерий, метаболически неак

ется использование синтетических некодирую

тивных персисторов и биоплёнок. Наряду с раз

щих RNA (sRNA) и гидовых CRISPR Cas ассо

работкой новых типов антибиотиков необходи

циированных RNA (crRNA). Оба этих типа RNA

ма комплексная оценка бактерицидной, фунги

могут быть нацелены на инактивацию эпидеми

цидной и иммуномодулирующей активности

чески значимых в настоящее время генетичес

новых сложно организованных наноповерхнос

ких детерминант антибиотикорезистентности.

тей (в том числе и модифицированных антибио

Используемая методология позволяет одновре

тиками), что является важной задачей для сни

менно программировать инактивацию несколь

жения потерь от социально значимых заболева

ко мишеней, что повышает степень эффектив

ний.

ности новых антибактериальных препаратов.

Достижения в области изучения sRNA и систем

CRISPR Cas на настоящем этапе позволяют

Финансирование. Работа выполнена при фи

рассматривать их в качестве новых классов ан

нансовой поддержке Министерства науки и

тимикробных препаратов, которые открывают

высшего образования Российской Федерации

возможности не только для лечения инфекций,

(Соглашение от 31 октября 2019 г. № 075 15

вызванных MDR патогенами, но и для изуче

2019 1671). Работа С.Г. Игнатова выполнена в

ния микробных консорциумов и контроля про

рамках отраслевой программы Роспотребнадзо

мышленных ферментаций. Расширяющиеся

ра. Работа С.Ю. Филиппович выполнена в рам

знания о молекулярных механизмах врождён

ках госзадания 0104 2019 0024 для ФИЦ био

ных иммунных реакций активно пытаются ис

технологии РАН.

пользовать для разработки новых противомик

Конфликт интересов. Авторы заявляют, что у

робных препаратов. Однако к очевидным рис

них нет конфликта интересов.

кам применения антибиотических адъювантов,

Соблюдение этических норм. Настоящая

направленных на активацию компонентов им

статья не содержит описания исследований с

мунной системы хозяина, относятся возможное

участием людей или использованием животных

развитие аутоиммунного состояния с последую

в качестве объектов.

БИОХИМИЯ том 85 вып. 11 2020

АНТИБИОТИКИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

1629

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Cascales, E., Buchanan, S. K., Duché, D., Kleanthous, C.,

Mol. Cell, 76, 574 589.e7, doi: 10.1016/j.molcel.2019.08.

Lloubès, R., Postle, K., Riley, M., Slatin, S., and Cavardet, D.

013.

(2007) Colicin biology, Microbiol. Mol. Biol. Rev., 71, 158

16.

Barkowsky, G., Lemster, A. L., Pappesch, R., Jacob, A.,

229, doi: 10.1128/MMBR.00036 06.

Krüger, S., Schröder, A., Kreikemeyer, B., and Patenge, N.

Spaulding, C. N., Klein, R. D., Ruer, S., Kau, A. L.,

(2019) Influence of different cell penetrating peptides on

Schreiber, H. L., Cusumano, Z. T., Dodson, K. W.,

the antimicrobial efficiency of PNAs in Streptococcus pyo*

Pinkner, J. S., Fremont, D. H., Janetka, J. W., Remaut, H.,

genes, Mol. Ther. Nucleic Acids,

18,

444454,

Gordon, J. I., and Hultgren, S. J. (2017) Selective de

doi: 10.1016/j.omtn.2019.09.010.

pletion of uropathogenic E. coli from the gut by a

17.

Lee, H. J. (2019) Microbe host communication by small

FimH antagonist, Nature, 546, 528 532, doi: 10.1038/

RNAs in extracellular vesicles: vehicles for transkingdom

nature22972.

RNA transportation, Int. J. Mol. Sci.,

20,

1487,

Cattoir, V., and Felden, B. (2019) Future antibacterial

doi: 10.3390/ijms20061487.

strategies: from basic concepts to clinical challenges, J.

18.

Hansen, A. M., Bonke, G., Larsen, C. J., Yavari, N.,

Infect. Dis., 220, 350 360, doi: 10.1093/infdis/jiz134.

Nielsen, P. E., and Franzyk, H. (2016) Antibacterial pep

Hesse, S., and Adhya, S. (2019) Phage therapy in the twen

tide nucleic acid antimicrobial peptide (PNA AMP) con

ty first century: facing the decline of the antibiotic era; is it

jugates: antisense targeting of fatty acid biosynthesis,

finally time for the age of the phage? Annu. Rev. Microbiol.,

Bioconjug. Chem.,

27,

863867, doi:

10.1021/acs.

73, 155 174, doi: 10.1146/annurev micro 090817 062535.

bioconjchem.6b00013.

Hör, J., Matera, G., Vogel, J., Gottesman, S., Storz, G.

19.

Bernheim, A. G., Libis, V. K., Lindner, A. B., and

(2020) Trans acting small RNAs and their effects on gene

Wintermute, E. H. (2016) Phage mediated delivery of tar

expression in Escherichia coli and Salmonella enterica,

geted sRNA constructs to knock down gene expression in

EcoSal. Plus, 9, doi: 10.1128/ecosalplus.ESP 0030 2019.

E. coli, J. Vis. Exp., 109, 53618, doi: 10.3791/53618.

Gorski, S. A., Vogel, J., and Doudna, J. A. (2017) RNA

20.

Balaban, N. Q., Helaine, S., Lewis, K., Ackermann, M.,

based recognition and targeting: sowing the seeds of speci

Aldridge, B., Andersson, D. I., and Zinkernagel, A. (2019)

ficity, Nat. Rev. Mol. Cell Biol.,

18,

215228,

Definitions and guidelines for research on antibiotic persis

doi: 10.1038/nrm.2016.174.

tence, Nat. Rev. Microbiol., 17, 441-448, doi: 10.1038/

Goltermann, L., Yavari, N., Zhang, M., Ghosal, A., and

s41579 019 0196 3.

Nielsen, P. E. (2019) PNA length restriction of antibacter

21.

Koonin, E. V., Makarova, K. S., and Zhang, F. (2017)

ial activity of peptide PNA conjugates in Escherichia coli

Diversity, classification and evolution of CRISPR Cas sys

through effects of the inner membrane, Front. Microbiol.,

tems, Curr. Opin. Microbiol., 37, 67 78, doi: 10.1016/

10, 1032, doi: 10.3389/fmicb.2019.01032.

j.mib.2017.05.008.

Nuss, A. M., Beckstette, M., Pimenova, M., Schmühl, C.,

22.

Greene, A. C. (2018) CRISPR based antibacterials: trans

Opitz, W., Pisano, F., Heroven, A. K., and Dersch, P.

forming bacterial defense into offense, Trends Biotechnol.,

(2017) Tissue dual RNA seq allows fast discovery of infec

36, 127 130, doi: 10.1016/j.tibtech.2017.10.021.

tion specific functions and riboregulators shaping host

23.

Bikard, D., and Barrangou, R. (2017) Using CRISPR Cas

pathogen transcriptomes, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 114,

systems as antimicrobials, Curr. Opin. Microbiol., 37, 155

E791 E800, doi: 10.1073/pnas.1613405114.

160, doi: 10.1016/j.mib.2017.08.005.

Melamed, S., Adams, P. P., Zhang, A., Zhang, H., and

24.

Citorik, R. J., Mimee, M., and Lu, T. K. (2014) Sequence

Storz, G. (2020) RNA RNA interactomes of ProQ and

specific antimicrobials using efficiently delivered RNA

Hfq reveal overlapping and competing roles, Mol. Cell, 77,

guided nucleases, Nat. Biotechnol.,

32,

11411145,

411 425.e7, doi: 10.1016/j.molcel.2019.10.022.

doi: 10.1038/nbt.3011.

10.

Xue, X. Y., Mao, X. G., Zhou, Y., Chen, Z., Hu, Y., Hou, Z.,

25.

Yosef, I., Manor, M., Kiro, R., and Qimron, U. (2015)

Li, M. K., Meng, J. R., and Luo, X. X. (2018) Advances

Temperate and lytic bacteriophages programmed to sensi

in the delivery of antisense oligonucleotides for combating

tize and kill antibiotic resistant bacteria, Proc. Natl. Acad.

bacterial infectious diseases, Nanomedicine, 14, 745 758,

Sci. USA, 112, 7267 7272, doi: 10.1073/pnas.1500107112.

doi: 10.1016/j.nano.2017.12.026.

26.

Parmeciano Di Noto, G., Molina, M. C, and Quiroga, C.

11.

Jayaraman, K., McParland, K., Miller, P., and Ts’o, P.O.

(2019) Insights into non coding RNAs as novel antimicro

(1981) Selective inhibition of Escherichia coli protein syn

bial drugs, Front. Genet.,

10,

57, doi:

10.3389/

thesis and growth by nonionic oligonucleotides comple

fgene.2019.00057.

mentary to the 3′ end of 16S rRNA, Proc. Natl. Acad. Sci.

27.

Wright, G. D. (2016) Antibiotic adjuvants: rescuing antibi

USA, 78, 1537 1541, doi: 10.1073/pnas.78.3.1537.

otics from resistance, Trends Microbiol.,

24,

862,

12.

Sender, R., Fuchs, S., and Milo, R. (2016) Revised esti

doi: 10.1016/j.tim.2016.07.008.

mates for the number of human and bacteria cells in the

28.

Tooke, C. L., Hinchliffe, P., Bragginton, E. C., Colenso,

body, PLoS Biol., 14, e1002533, doi: 10.1371/journal.pbio.

C. K., Hirvonen, V. H. A., Takebayashi, Y., and Spencer, J.

1002533.

(2019) β Lactamases and β lactamase inhibitors in the

13.

Daly, S. M., Sturge, C. R., Marshall Batty, K. R., Felder

21st century, J. Mol. Biol., 431, 3472 3500, doi: 10.1016/

Scott, C. F., Jain, R., Geller, B. L., and Greenberg, D. E.

j.jmb.2019.04.002.

(2018) Antisense inhibitors retain activity in pulmonary

29.

Papp Wallace, K. M. (2019) The latest advances in β lac

models of Burkholderia infection, ACS Infect. Dis., 4, 806

tam/β lactamase inhibitor combinations for the treatment

814, doi: 10.1021/acsinfecdis.7b00235.

of gram negative bacterial infections, Expert. Opin.

14.

Hoekzema, M., Romilly, C., Holmqvist, E., and Wagner,

Pharmacother., 20, 2169 2184, doi: 10.1080/14656566.

E. G. H. (2019) Hfq dependent mRNA unfolding pro

2019.1660772.

motes sRNA based inhibition of translation, EMBO J., 38,

30.

Ehmann, D. E., Jahić, C. H., Ross, P. L., Gu, R. F., Hu, J.,

e101199, doi: 10.15252/embj.2018101199.

Kern, G., Walkup, G. K., and Fisher, S. L.

(2012)

15.

Kannaiah, S., Livny, J., and Amster Choder, O. (2019)

Avibactam is a covalent, reversible, non b lactam b lacta

Spatiotemporal organization of the E. coli transcriptome:

mase inhibitor, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109, 11663

translation independence and engagement in regulation,

11668, doi: 10.1073/pnas.1205073109.

БИОХИМИЯ том 85 вып. 11 2020

1630

ШЕМЯКИН и др.

31.

Zhanel, G. G., Lawrence, C. K., Adam, H., Schweizer, F.,

covery of novel anti infective pathoblockers, Beilstein J.

Zelenitsky, S., et al. (2018) Imipenem relebactam and

Org. Chem., 14, 2627 2645, doi: 10.3762/ bjoc.14.241.

meropenem vaborbactam: two novel carbapenem b lacta

45.

Overhage, J., Campisano, A., Bains, M., Torfs, E. C. W.,

mase inhibitor combinations, Drugs,

78,

6598,

Rehm, B. H. A., and Hancock, R. E. W. (2008) Human

doi: 10.1007/s40265 017 0851 9.

host defense peptide LL 37 prevents bacterial biofilm for

32.

Sully, E. K., Geller, B. L., Li, L., Moody, C. M., Bailey, S. M.,

mation, Infect. Immun., 76, 4176 4182, doi: 10.1128/iai.

et al. (2017) Peptide conjugated phosphorodiamidate

00318 08.

morpholino oligomer (PPMO) restores carbapenem sus

46.

Reffuveille, F., de la Fuente Núñez, C., Mansour, S., and

ceptibility to NDM 1 positive pathogens in vitro and in

Hancock, R. E. W. (2014) A broad spectrum antibiofilm

vivo, J. Antimicrob. Chemother., 72, 782 790, doi: 10.1093/

peptide enhances antibiotic action against bacterial

jac/dkw476.

biofilms, Antimicrob. Agents Chemother., 58, 5363 5371,

33.

Mo, Y., Lorenzo, M., Farghaly, S., Kaur, K., and

doi: 10.1128/aac.03163 14.

Housman, S. T. (2019) What’s new in the treatment of

47.

Brancatisano, F. L., Maisetta, G., Di Luca, M., Esin, S.,

multidrug resistant gramnegative infections? Diagn.

Bottai, D., Bizzarri, R., Campa, M., and Batoni, G. (2014)

Microbiol. Infect. Dis.,

93,

171181, doi:

10.1016/

Inhibitory effect of the human liver derived antimicrobial

j.diagmicrobio.2018.08.007.

peptide hepcidin 20 on biofilms of polysaccharide intercel

34.

Tran, H. T., Solnier, J., Pferschy Wenzig, E. M., Kunert, O.,

lular adhesin (PIA) positive and PIA negative strains of

Martin, L., et al. (2020) Antimicrobial and efflux pump

Staphylococcus epidermidis, Biofouling,

30,

435446,

inhibitory activity of carvotacetones from Sphaeranthus

doi: 10.1080/08927014.2014.888062.

africanus against mycobacteria, Antibiotics (Basel), 9, 390,

48.

Pletzer, D., Coleman, S. R., and Hancock, R. E. (2016)

doi: 10.3390/antibiotics9070390.

Anti biofilm peptides as a new weapon in antimicrobial

35.

Osei Sekyere, J., and Amoako, D. G. (2017) Carbonyl

warfare,

Curr.

Opin. Microbiol.,

33,

3540,

cyanide m chlorophenylhydrazine (CCCP) reverses resis

doi: 10.1016/j.mib.2016.05.016.

tance to colistin, but not to carbapenems and tigecycline in

49.

Ribes, S., Adam, N., Ebert, S., Regen, T., Bunkowski, S.,

multidrug resistant Enterobacteriaceae, Front. Microbiol.,

Hanisch, U. K., and Nau, R. (2010) The viral TLR3 ago

8, 228, doi: 10.3389/fmicb.2017.00228.

nist poly(I:C) stimulates phagocytosis and intracellular

36.

Negash, K. H., Norris, J. K. S., and Hodgkinson, J. T.

killing of Escherichia coli by microglial cells, Neurosci.

(2019) Siderophore antibiotic conjugate design: new drugs

Lett., 482, 17 20, doi: 10.1016/j.neulet.2010.06.078.

for bad bugs? Molecules,

24,

3314, doi:

10.3390/

50.

Mata Haro, V., Cekic, C., Martin, M., Chilton, P. M.,

molecules24183314.

Casella, C. R., and Mitchell, T. C. (2007) The vaccine

37.

Tonziello, G., Caraffa, E., Pinchera, B., Granata, G., and

adjuvant monophosphoryl lipid A as a TRIF biased agonist

Petrosillo, N. (2019) Present and future of siderophore

of TLR4, Science, 316, 1628 1632, doi: 10.1126/science.

based therapeutic and diagnostic approaches in infec

1138963.

tious diseases, Infect. Dis. Rep., 11, doi: 10.4081/idr.2019.

51.

Juárez, E., Carranza, C., Hernández Sánchez, F., León

8208.

Contreras, J. C., Hernández Pando, R., et al.

(2012)

38.

Nguyen, L. P., Pinto, N. A., Vu, T. N., Lee, H., Cho, Y. L.,

NOD2 enhances the innate response of alveolar

Byun, J H., D’Souza, R., and Yong, D. (2020) In vitro

macrophages to Mycobacterium tuberculosis in humans,

activity of a novel siderophore cephalosporin, GT 1 and

Eur. J. Immunol., 42, 880 889, doi: 10.1002/eji.201142105.

serine type β lactamase inhibitor, GT 055, against

52.

Gorityala, B. K., Guchhait, G., Goswami, S., Fernando,

Escherichia coli, Klebsiella pneumonia and Acinetobacter

D. M., Kumar, A., Zhanel, G. G., and Schweizer, F. (2016)

spp. panel strains, Antibiotics (Basel), 9, 267, doi: 10.3390/

Hybrid antibiotic overcomes resistance in P. aeruginosa by

antibiotics9050267.

enhancing outer membrane penetration and reducing

39.

Turnbull, A. L., and Surette, M. G. (2008) L Cysteine is

efflux, J. Med. Chem., 59, 8441 8455, doi: 10.1021/acs.

required for induced antibiotic resistance in actively

jmedchem.6b00867.

swarming Salmonella enterica serovar Typhimurium,

53.

Laselva, O., Stone, T. A., Bear, C. E., and Deber, C. M.

Microbiology, 154, 3410 3419, doi: 10.1099/mic.0.2008/

(2020) Anti infectives restore ORKAMBI^® rescue of

020347 0.

F508del CFTR function in human bronchial epithelial

40.

Huber, A., Hajdu, D., Bratschun Khan, D., Gáspári, Z.,

cells infected with clinical strains of P. aeruginosa,

Varbanov, M., Philippot, S., et al. (2018) New antimicro

Biomolecules, 10, 334, doi: 10.3390/biom10020334.

bial potential and structural properties of PAFB: a cation

54.

Malachowa, N., and DeLeo, F. R. (2010) Mobile genetic

ic, cysteine rich protein from Penicillium chrysogenum

elements of Staphylococcus aureus, Cell Mol. Life Sci., 67,

Q176, Sci. Rep., 8, 1751, doi: 10.1038/s41598 018

3057 3071, doi: 10.1007/s00018 010 0389 4.

20002 2.

55.

James, G. A., Swogger, E., Wolcott, R., Pulcini, E., Secor,

41.

Turnbull, A. L., and Surette, M. G. (2010) Cysteine

P., Sestrich, J., Costerton, J. W., and Stewart, P. S. (2008)

biosynthesis, oxidative stress and antibiotic resistance in

Biofilms in chronic wounds, Wound Rep. Regen., 16, 37

Salmonella typhimurium, Res. Microbiol., 161, 643 650,

44, doi: 10.1111/j.1524 475X.2007.00321.x.

doi: 10.1016/j.resmic.2010.06.004.

56.

Leimer, N., Rachmuhl, C., Palheiros Marques, M.,

42.

Chen, H. L., Su, P. Y., Kuo, S. C., Lauderdale, T. Y., and

Bahlmann, A. S., Furrer, A., et al. (2016) Nonstable

Shih, C. (2018) Adding a C terminal cysteine (CTC) can

Staphylococcus aureus small colony variants are induced by

enhance the bactericidal activity of three different antimi

low pH and sensitized to antimicrobial therapy by

crobial peptides, Front. Microbiol.,

1440,

phagolysosomal alkalinization, J. Infect. Dis., 213, 305

doi: 10.3389/fmicb.2018.01440.

313, doi: 10.1093/infdis/jiv388.

43.

Fontes, L. E. S., Martimbianco, A. L. C., Zanin, C., and

57.

Nelson, D. C., Schmelcher, M., Rodriguez Rubio, L.,

Riera, R. (2019) N acetylcysteine as an adjuvant therapy

Klumpp, J., Pritchard, D. G., Dong, S., and Donovan, D.

for Helicobacter pylori eradication, Cochrane Database Syst.

M. (2012) Endolysins as antimicrobials, Adv. Virus Res.,

Rev., 2, CD012357, doi: 10.1002/14651858.CD012357.

83, 299 365, doi: 10.1016/B978 0 12 394438 2.00007 4.

pub2.

58.

Nakamura, T., Kitana, J., Fujiki, J., Takase, M., Iyori, K.,

44.

Schütz, C., and Empting, M. (2018) Targeting the Pseudo*

Simoike, K., and Iwano, H. (2020) Lytic activity of polyva

monas quinolone signal quorum sensing system for the dis

lent staphylococcal bacteriophage PhiSA012 and its

БИОХИМИЯ том 85 вып. 11 2020

АНТИБИОТИКИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

1631

endolysin Lys PhiSA012 against antibiotic resistant

74.

Thukkaram, M., Cools, P., Nikiforov, A., Rigole, P.,

staphylococcal clinical isolates from canine skin infection

Coenye, T., et al. (2020) Antibacterial activity of a porous

sites, Front. Med., 7, 234, doi: 10.3389/fmed.2020.00234.

silver doped TiO₂ coating on titanium substrates synthe

59.

Schmelcher, M., Donovan, D. M., and Loessner, M. J.

sized by plasma electrolytic oxidation, Appl. Surf. Sci., 500,

(2012) Bacteriophage endolysins as novel antimicrobials,

144235, doi: 10.1016/j.apsusc.2019.144235.

Future Microbiol., 7, 1147 1171, doi: 10.2217/fmb.12.97.

75.

Ponomarev, V. A., Orlov, E. A., Malikov, N. A., Tarasov, Y. V.,

60.

Gerstmans, H., Criel, B., and Briers, Y. (2018) Synthetic

Sheveyko, A. N., et al. (2020) Ag(Pt) nanoparticles deco

biology of modular endolysins, Biotechnol. Adv., 36, 624

rated bioactive yet antibacterial Ca and P doped TiO₂

640, doi: 10.1016/j.biotechadv.2017.12.009.

coatings produced by plasma electrolytic oxidation and ion

61.

Schmelcher, M., Tchang, V. S., and Loessner, M. J. (2011)

implantation, Appl. Surf. Sci.,

516,

146068,

Domain shuffling and module engineering of Listeria

doi: 10.1016/j.apsusc.2020.146068.

phage endolysins for enhanced lytic activity and binding

76.

Feldman, M. D., Petersen, A. J., Karliner, L. S., and Tice,

affinity, Microb. Biotechnol., 4, 651 662, doi: 10.1111/

J. A. (2008) Who is responsible for evaluating the safety and

j.1751 7915.2011.00263.x.

effectiveness of medical devices? The role of independent

62.

Becker, S. C., Foster Frey, J., and Donovan, D. M. (2008)

technology assessment, J. Gen. Intern. Med., 23, 57 63,

The phage K lytic enzyme LysK and lysostaphin act syner

doi: 10.1007/s11606 007 0275 4.

gistically to kill MRSA, FEMS Microbiol. Lett., 287, 185

77.

McIntyre, W. F., and Healey, J. S. (2017) Cardiac

191, doi: 10.1111/j.1574 6968.2008.01308.x.

implantable electronic device infections: from recognizing

63.

Gutierrez, D., Fernandez, L., Martinez, B., Ruas

risk to prevention, Heart Rhythm.,

14,

846847,

Madiedo, P., Garcia, P., and Rodriguez, A. (2017) Real

doi: 10.1016/j.hrthm.2017.03.027.

time assessment of Staphylococcus aureus biofilm disrup

78.

Andersen, O. Z., Offermanns, V., Sillassen, M., Almtoft, K. P.,

tion by phage derived proteins, Front. Microbiol., 8, 1632,

Andersen, I. H., et al. (2013) Accelerated bone in growth

doi: 10.3389/fmicb.2017.01632.

by local delivery of strontium from surface functionalized

64.

Freitas, A. I., Vasconcelos, C., Vilanova, M., and Cerca, N.

titanium implants, Biomaterials,

34,

58835890,

(2014) Optimization of an automatic counting system for

doi: 10.1016/ j.biomaterials.2013.04.031.

the quantification of Staphylococcus epidermidis cells in

79.

Arciola, C. R., Campoccia, D., and Montanaro, L. (2018)

biofilms, J. Basic Microbiol., 54, 750 757, doi: 10.1002/

Implant infections: adhesion, biofilm formation and

jobm.201200603.

immune evasion, Nat. Rev. Microbiol., 16, 397409,

65.

Melo, L. D. R., Brandão, A., Akturk, E., Santos, S. B., and

doi: 10.1038/s41579 018 0019 y.

Azeredo, J. (2018) Characterization of a new Staphylo*coc*

80.

Mukherjee, K., Acharya, K., Biswas, A., and Jana, N. R.

cus aureus kayvirus harboring a lysin active against biofilms,

(2020) TiO₂ nanoparticles co doped with nitrogen and

Viruses, 10, 182, doi: 10.3390/v10040182.

fluorine as visible light activated antifungal agents, ACS

66.

Gutiérrez, D., Ruas Madiedo, P., Mart nez, B.,

Appl. Nano Mater., 3, 2016 2025, doi: 10.1021/acsanm.

Rodr guez, A., and Garc a, P. (2014) Effective removal of

0c00108.

staphylococcal biofilms by the endolysin LysH5, PLoS

81.

Atay, H. Y., and Celik, E. (2017) Investigations of antibac

One, 9, e107307, doi: 10.1371/journal.pone.0107307.

terial activity of chitosan in the olymeric composite coat

67.

Kaplan, J. B. (2011) Antibiotic induced biofilm formation,

ings, Prog. Org. Coat., 102, 194200, doi: 10.1016/

Int. J. Artif. Organs,

34,

737751, doi:

10.5301/

j.porgcoat.2016.10.013.

ijao.5000027.

82.

Sukhorukova, I. V., Sheveyko, A. N., Shvindina, N. V.,

68.

Fischetti, V. A. (2008) Bacteriophage lysins as effective

Zhitnyak, I. Y., Gloushankova, N. A., et al.

(2017)

antibacterials, Curr. Opin. Microbiol.,

11,

393400,

Approaches for controlled Ag⁺ ion release: influence of

doi: 10.1016/j.mib.2008.09.012.

surface topography, roughness, and bactericide content,

69.

Shen, Y., Barros, M., Vennemann, T., Gallagher, D. T.,

ACS Appl. Mater. Interfaces, 9, 4259 4271, doi: 10.1021/

Yin, Y., et al. (2016) A bacteriophage endolysin that elimi

acsami.6b15096.

nates intracellular streptococci, Elife,

5, e13152,

83.

Kalmantaeva, O. V., Firstova, V. V., Grishchenko, N. S.,

doi: 10.7554/eLife.13152.

Rudnitskaya, T. I., Potapov, V. D., and Ignatov, S. G.

70.

Röhrig, C., Huemer, M., Lorge, D., Luterbacher, S.,

(2020) Antibacterial and immunomodulating activity of

Phothaworn, P., et al. (2020) Targeting hidden pathogens:

silver nanoparticles in tuberculosis models on experimental

cell penetrating enzybiotics eradicate intracellular drug

mice, Appl. Biochem. Microbiol.,

56,

226232,

resistant Staphylococcus aureus, mBio, 11, e00209 20,

doi: 10.1134/S0003683820020088.

doi: 10.1128/mBio.00209 20.

84.

Weng, Q., Wang, X., Bando, Y., and Golberg, D. (2016)

71.

Olsen, N. M. C., Thiran, E., Hasler, T., Vanzieleghem, T.,

Functionalized hexagonal boron nitride nanomaterials:

Belibasakis, G. N., Mahillon, J., Loessner, M. J., and

emerging properties and applications, Chem. Soc. Rev., 45,

Schmelcher, M. (2018) Synergistic removal of static and

3989 4012, doi: 10.1039/C5CS00869G.

dynamic Staphylococcus aureus biofilms by combined

85.

Emanet, M., Sen, Ö., Taşkin, I. Ç., and Çulha, M. (2019)

treatment with a bacteriophage endolysin and a polysac

Synthesis, functionalization, and bioapplications of two

charide

depolymerase,

Viruses,

10,

438,

dimensional boron nitride nanomaterials, Front. Bioeng.

doi: 10.3390/v10080438.

Biotechnol., 7, 363, doi: 10.3389/fbioe.2019.00363.

72.

Hjelm, L. C., Nilvebrant, J., Nygren, P. A., Nilsson, A. S.,

86.

Han, A., Li, X., Huang, B., Tsoi, J. K. H., Matinlinna, J. P.,

and Seijsing, J. (2019) Lysis of staphylococcal cells by

Chen, Z., and Deng, D. M. (2016) The effect of titanium

modular lysin domains linked via a non covalent barnase

implant surface modification on the dynamic process of

barstar interaction bridge, Front. Microbiol., 10, 558,

initial microbial adhesion and biofilm formation, Int. J.

doi: 10.3389/fmicb.2019.00558.

Adhes. Adhes., 69, 125 132.

73.

Verbree, C. T., Datwyler, S. M., Meile, S., Eichenseher, F.,

87.

Huang, H., Chang, Y., Lai, M., Lin, C., Lai, C., and

Donovan, D. M., Loessner, M. J., and Schmelcher, M.

Shieh, T. (2010) Antibacterial TaN Ag coatings on titani

(2017) Corrected and republished from: identification of

um dental implants, Surf. Coat. Technol., 205, 1636 1641,

peptidoglycan hydrolase constructs with synergistic staphy

doi: 10.1016/j.surfcoat.2010.07.096.

lolytic activity in cow’s milk, Appl. Environ. Microbiol., 84,

88.

Sukhorukova, I. V., Sheveyko, A. N., Kiryukhantsev

e02134 17, doi: 10.1128/AEM.02134 17.

Korneev, Ph. V., Anisimova, N. Y., Gloushankova, N. A.,

БИОХИМИЯ том 85 вып. 11 2020

1632

ШЕМЯКИН и др.

Zhitnyak, I. Y., Benesova, J., Amler, E., and Shtansky, V. D.

95. Permyakova, E. S., Polčak, J., Slukin, P. V., Ignatov, S. G.,

(2015) Two approaches to form antibacterial surface:

Gloushankova, N. A., Zaj čková, L., Shtansky, D. V., and

doping with bactericidal element and drug loading, Appl.

Manakhov, A. (2018) Antibacterial biocompatible PCL

Surf. Sci., 330, 339 350, doi: 10.1016/j.apsusc.2014.12.

nanofibers modified by COOH anhydride plasma poly

119.

mers and gentamicin immobilization, Materials & Design,

89.

Carvalho, I., Henriques, M., Oliveira, J. C., Alves, C. F. A.,

153, 60 70, doi: 10.1016/j.matdes.2018.05.002.

Piedade, A. P., and Carvalho, S. (2013) Influence of sur

96. Yaqoob, A. A., Ahmad, H., Parveen, T., Ahmad, A., Oves, M.,

face features on the adhesion of Staphylococcus epidermidis

et al. (2020) Recent advances in metal decorated nanoma

to Ag TiCN thin films, Sci. Technol. Adv. Mater., 14,

terials and their various biological applications: a review,

035009, doi: 10.1088/1468 6996/14/3/035009.

Front. Chem., 8, doi: 10.3389/fchem.2020.00341.

90.

Bai, L. (2015) Nanostructured titanium-silver coatings

97. Ponomarev, V. A., Sheveyko, A. N., Permyakova, E. S.,

with good antibacterial activity and cytocompatibility fab

Lee, J., Voevodin, A. A., et al. (2019) TiCaPCON support

ricated by one step magnetron sputtering, Appl. Surf. Sci.,

ed Pt and Fe based nanoparticles and related antibacteri

355, 32 44, doi: 10.1016/j.apsusc.2015.07.064.

al activity, ACS Appl. Mater. Interfaces, 11, 28699 28719,

91.

Koci, K., Mateju, K., Obalova, L., Krejcikova, S., Lacny, Z.,

doi: 10.1021/acsami.9b09649.

Placha, D., Capek, L., Hospodkova, A., and Solcova, O.

98. Sardi, J. C. O., Scorzoni, L., Bernardi, T., Fusco Almeida,

(2010) Effect of silver doping on the TiO₂ for photocatalyt

A. M., and Giannini, M. J. S. M. (2013) Candida species:

ic reduction of CO₂, Appl. Catalysis B*Environ., 96, 239

current epidemiology, pathogenicity, biofilm formation,

244, doi: 10.1016/j.apcatb.2010.02.030.

natural antifungal products and new therapeutic options, J.

92.

Cloutier, M., Mantovani, D., and Rosei, F.

(2015)

Med. Microbiol., 62, 10 24, doi: 10.1099/jmm.0.045054 0.

Antibacterial coatings: challenges, perspectives, and

99. Sukhorukova, I. V., Sheveyko, A. N., Manakhov, A.,

opportunities, Trends Biotechnol.,

33,

637652,

Zhitnyak, I. Y., Gloushankova, N. A., et al.

(2018)

doi: 10.1016/j.tibtech.2015.09.002.

Synergistic and long lasting antibacterial effect of antibiot

93.

Gao, Y., Truong, Y. B., Zhu, Y., and Kyratzis, I. L. (2014)

ic loaded TiCaPCON Ag films against pathogenic bacteria

Electrospun antibacterial nanofibers: production, activity,

and fungi, Mater. Sci. Eng. C, 90, 289 299, doi: 10.1016/

and in vivo applications, J. Appl. Polym. Sci., 131, 9041

j.msec.2018.04.068.

9053, doi: 10.1002/app.40797.

100. Saraeva, I. N., Tolordava, E. R., Nastulyavichus, A. A.,

94.

Monteiro, N., Martins, M., Martins, A., Fonseca, N. A.,

Ivanova, A. K., Kudryashov, S. I., et al. (2020) A bacterial

Moreira, J. N., Reis, R. L., and Neves, N. M. (2015)

misericorde: laser generated silicon nanorazors with

Antibacterial activity of chitosan nanofiber meshes with

embedded biotoxic nanoparticles combat the formation of

liposomes immobilized releasing gentamicin, Acta

durable biofilms, Laser Phys. Lett., 17, doi: 10.1088/1612

Biomater., 18, 196 205, doi: 10.1016/j.actbio.2015.02.018.

202x/ab5fca.

NEW8GENERATION ANTIBIOTICS, BACTERIOPHAGE ENDOLYSINS

AND NANOMATERIALS FOR COMBATING PATHOGENS

Review

I. G. Shemyakin¹, V. V. Firstova¹*, N. K. Fursova¹, I. V. Abaev¹,

S. Yu. Filippovich², S. G. Ignatov¹, and I. A. Dyatlov¹

¹ State Research Center for Applied Microbiology and Biotechnology, 142279 Obolensk,

Moscow Region, Russia; E*mail: firstova@obolensk.org

² Bach Institute of Biochemistry, Research Center of Biotechnology

of the Russian Academy of Sciences, 119071 Moscow, Russia

Received July 12, 2020

Revised September 14, 2020

Accepted September 14, 2020

This review presents various strategies to fight causative agents of infectious diseases. Species specific programmable

RNA containing antibiotics open up new possibilities for creating next generation of personalized drugs based on

microbiome editing and can serve as a new tool for selective elimination of pathogenic bacterial species while keep

ing intact the rest of microbiota. Another promising approach in combating bacterial infections is genome editing

using the CRISPR Cas systems. Expanding knowledge on the molecular mechanisms of innate immunity has been

actively used for developing new antimicrobials. However, obvious risks of using antibiotic adjuvants aimed at activa

tion of the host immune system include development of the autoimmune response with subsequent organ damage. To

avoid these risks, it is essential to elucidate action mechanisms of the specific ligands and signal molecules used as

components of the hybrid antibiotics. Bacteriophage endolysins are also considered as effective antimicrobials against

antibiotic resistant bacteria, metabolically inactive persisters, and microbial biofilms. Despite significant advances in

the design of implants with antibacterial properties, the problem of postoperative infections still remains. Different

nanomodifications of the implant surface have been designed to reduce bacterial contamination. Here, we review bac

tericidal, fungicidal, and immunomodulating properties of compounds used for the implant surface nanomodifica

tions, such as silver, boron nitride nanomaterials, nanofibers, and nanogalvanic materials.

Keywords: RNA containing antibiotics, bacterial CRISPR Cas systems, hybrid antibiotics, endolysins, nanosurfaces

БИОХИМИЯ том 85 вып. 11 2020