Leczenie sezonowych infekcji bakteryjnych staje się poważnym problem na całym świecie. Wiele agencji publikuje dane o systematycznie zwiększającej się liczbie drobnoustrojów odpornych na działanie antybiotyków. W dodatku od 2000 roku wprowadzono do lecznictwa tylko 3 antybiotyki o nowym mechanizmie działania, działające selektywnie na bakterie z grupy Gram-dodatnich. W chwili obecnej nie ma nowych antybiotyków przeciw bakteriom Gram-ujemnym oraz drożdżakom. Aktualnym trendem w poszukiwaniu związków biologicznie aktywnych, jest obserwacja natury. Pochodzenie naturalne mają również stosowane  obecnie antybiotyki  takie jak penicyliny, cefalosporyny, polimyksyny, makrolidy, itp. Grupą bardzo ciekawych związków o charakterze antybiotyków są małe naturalne 11-50-peptydy przeciwdrobnoustrojowe, które istnieją w przyrodzie od czasu powstania bardziej zaawansowanych form życia. Pomimo tak długiej historii wspomagają one przetrwanie wielu organizmów, a drobnoustroje do tej pory nie wykształciły przeciw nim mechanizmów oporności. Ta grupa peptydów ma pewne cechy charakterystyczne, np. wielokrotne powtórzenia w sekwencji aminokwasów o zasadowych i hydrofobowych łańcuchach bocznych. Generuje to w cząsteczce ładunek dodatni i daje możliwość zmiany struktury na taką, która może oddziaływać niespecyficznie z membranami patogennych bakterii. Takie peptydy np. w organizmie ludzkim stanowią barierę nie tylko przeciw infekcjom bakteryjnym ale także wirusom, grzybom, komórkom nowotworowym, itp. W naszych badaniach odtworzyliśmy te cechy naturalnych peptydów za pomocą związków zwanych dendrymerami. Dendrymery są nową klasą związków o strukturze rozgałęzionej i pomimo, że podobnie jak liniowe peptydy zbudowane są z tych samych aminokwasów, nie „pasują” strukturalnie do systemu enzymatycznego. Co za tym idzie, są trwałe w fizjologicznym środowisku człowieka i nie ulegają degradacji pod wpływem enzymów produkowanych przez bakterie oporne na antybiotyki. Jak pokazano na Rys. 1, cząsteczki naszych dendrymerycznych peptydów są małe i stosunkowo proste w porównaniu do liniowych związków naturalnych, a co za tym idzie ich synteza i oczyszczanie są ekonomicznie korzystne.

Rys. 1. Przykładowe struktury chemiczne peptydowych dendrymerów 

Jak sprawdzono podczas realizacji niedawno zakończonego projektu rozwojowego, cząsteczki te są szczególnie aktywne wobec opornych na antybiotyki szpitalnych izolatów E. coli. Nie powodują również mutacji genetycznych w szczepach, referencyjnych, które mają do tego szczególne predyspozycje. Wśród innych ciekawych właściwości stwierdziliśmy, że związki te mają aktywność antyproliferacyjną wobec linii komórkowej czerniaka ludzkiego. Jako cząsteczki obdarzone ładunkiem dodatnim oddziałują preferencyjnie z ujemnie naładowanymi membranami komórkowymi drobnoustrojów. Jak zilustrowano na zdjęciach z mikroskopu skaningowego (Rys. 2), pod wpływem dendrymeru membrana komórkowa bakterii E. coli ulega deformacji, zaburzając funkcje istotne dla życia bakterii. Niektóre z tych cząsteczek mogą przekraczać barierę komórkową i wnikać do wnętrza komórki. Daje to możliwość ich użycia np. jako nośniki słabo rozpuszczalnych leków lub innych cząsteczek. Aktywność przeciwdrobnoustrojowa zależy wprost od struktury cząsteczki, tzn. od przestrzennego rozłożenia ładunków dodatnich i rodzaju aminokwasów umieszczonych na powierzchni dendrymeru. Większość otrzymanych dendrymerów ma szerokie spektrum działania na bakterie z grupy Gram-dodatnich, Gram-ujemnych i grzyby. Ostatnio udało się otrzymać cząsteczki działające selektywnie na bakterie E. coli  oraz biofilmy tworzone przez Candida. Dlatego w Instytucie Chemii Organicznej PAN w Warszawie projektujemy syntezy cząsteczek o różnorodnych strukturach W badaniach nad korelacją zmian strukturalnych i aktywności biologicznej wspomagają nas współpracujące instytucje - Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego – Państwowy Zakład Higieny oraz Instytut Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej im. M. Mossakowskiego. Struktury dendrymerów i ich właściwości chronione są patentami krajowymi i międzynarodowymi. 

Rys. 2. Zmiana struktury otoczki zewnętrznej bakterii E. coli pod wpływem dendrymeru (na lewo oryginalna kultura bakteryjna).

prof. Zofia Urbańczyk- Lipkowska

Instytut Chemii Organicznej PAN

Wykonane badania były finansowane przez NCBiR w ramach projektu rozwojowego NR13-0153-10/2010 zatytułowanego „Założenia technologiczne otrzymywania oraz badania przedkliniczne niskocząsteczkowych peptydowych związków dendrymerycznych o własnościach przeciwdrobnoustrojowych do zastosowań u ludzi i zwierząt”. Ochrona własności przemysłowej opracowania jest finansowana w ramach projektu POIG.01.03.02-00-030/08.