News-Medical рассказывает доктору Джеймсу Мартину и доктору Земеру Гитай из Принстонского университета об их исследовании, которое привело к открытию нового антибиотика.

Что побудило вас провести это исследование?

Когда я (Джеймс) поступил в аспирантуру, я никогда раньше не работал с бактериями. Первоначально я работал с Drosophila но когда я присоединился к лаборатории Земера, мы в основном подошли к столу с вопросом: «Как мы можем удовлетворить глобальную потребность в новых антибиотиках в свете растущих показателей устойчивости к антибиотикам? «

Это проблема, потому что по мере повышения уровня устойчивости к антибиотикам мы должны создавать новые антибиотики, которые могут лечить эти устойчивые к антибиотикам инфекции.

Однако, только шесть новых классов антибиотиков были одобрены за последние 20 лет, и ни один из них не может лечить грамотрицательные бактерии. В этой области существует огромный пробел, который мы хотели бы устранить, во-первых, создав новый канал для открытия новых классов антибиотиков, и во-вторых, способ быстро и эффективно охарактеризовать их механизм действия.

Цель состояла в том, чтобы найти те механизмы действия, которые являются уникальными, чтобы бактерии никогда не видели их раньше, и гипотеза состояла в том, что, если механизм действия является новым, бактериям будет гораздо труднее стать устойчивыми к нему. .

Традиционно, исследования антибиотиков и новые лидеры проводились с определенным стилем, в котором доминировали эти виды химически-ориентированных перспектив, и общая идея заключалась в том, можем ли мы использовать некоторые свежие подходы, чтобы получить что-то новое здесь .

<img alt=" Граммоотрицательные бактерии "height =" 667 "src =" http://www.news-medical.net/image.axd?picture=2020%2f6%2fshutterstock_1056262322_(1).jpg "title = «Грамотрицательные бактерии» width = "1000" />

Изображение предоставлено: Rost9 / Shutterstock.com

В чем разница между грамположительными и грамотрицательными антибиотиками и почему это важно в вашей работе?

Итак, во-первых, важно прояснить, что бактерии – это те, которые имеют два вкуса: грамположительные и грамотрицательные, а антибиотики – это соединения, которые затем убивают эти бактерии. Когда мы говорим о грамположительных антибиотиках, мы имеем в виду антибиотик, который убивает грамположительный, или грамотрицательный антибиотик, который убивает грамотрицательный.

Различие состоит в том, что грамположительные бактерии имеют только один мембранный слой и затем клеточную стенку вне этой мембраны, тогда как грамотрицательные бактерии имеют вторую мембрану вне клеточной стенки; у них есть внутренняя мембрана, затем клеточная стенка, а затем внешняя мембрана.

Грамм – это просто имя человека, который изобрел это пятно Грамма для проверки второго мембранного слоя. Из-за этой второй мембраны грамотрицательные антибиотики не окрашиваются и так же, как они исключают это окрашивание, эта вторая мембрана также является механизмом, который исключает или предотвращает проникновение многих различных малых молекул.

Причина, по которой грамотрицательные патогены настолько коварны и их трудно убить, заключается в том, что у них есть этот второй барьер, эта наружная мембрана, и поэтому им труднее проникнуть на поверхность.

Пожалуйста, объясните ваш новый антибиотик и как он работает?

Эта небольшая молекула, SCH-79797 (SCH), первоначально использовалась в экспериментах на млекопитающих для лечения тромбоза, поскольку она является ингибитором тромбина R. Мы обнаружили, что он обладает мощной активностью в отношении бактерий, и, вкратце, он работает с помощью двух различных механизмов, которые дополняют друг друга.

Один механизм заключается в том, что он способен проникать и разрушать мембраны грамположительных и грамотрицательных бактерий, но затем он также способен, находясь внутри клетки, нарушать внутриклеточные процессы.

В частности, это нарушает способность клетки вырабатывать фолат, который является необходимым питательным веществом, необходимым бактериальным клеткам для производства необходимых частей жизни, ДНК, аминокислот, белков. Без этих вещей бактериальная клетка никогда не будет расти.

<img alt=" Тромбоз "height =" 570 "src =" http://www.news-medical.net/image.axd?picture=2020%2f6%2fshutterstock_1303476349.jpg "title =" Тромбоз "width =" 1000" />

Изображение предоставлено: Victor Josan / Shutterstock.com

Почему вашу технику сравнивают с отравленной стрелой?

Идея состоит в том, что для того, чтобы антибиотик работал, он должен проникнуть в клетку, а затем он также должен убить. Мы обнаружили, что наш антибиотик делает две вещи одновременно.

Во-первых, он проделывает отверстия в бактериальных мембранах, и мы сравниваем это со стрелой. Это само по себе вредно для бактерий – очевидно, что дыра в вашей мембране вредна, так как вещество вытекает. Тем не менее, он также затем ингибирует основные процессы метаболизма фолата, когда попадает внутрь.

Мы думаем о проницаемости мембраны или прокалывании отверстия как о стрелке, а затем об ограничении способности затем создавать строительные блоки, необходимые для роста и деления бактерий, ингибирование фолата как яд .

Как вы разработали свой новый антибиотик?

Наука – это совместное усилие, и мы не могли бы выполнить эту работу самостоятельно. Нам помогали наши соавторы Джо Шихан, Бен Браттон и другие наши сотрудники.

Наше соединение уникально и имеет механизм действия, который ранее не был охарактеризован. Что еще интересно в этом антибиотике, так это то, что мы не смогли приобрести устойчивость к нему в наших экспериментах. Резистентность является одним из основных способов, которыми ученые могут установить механизм действия антибиотика.

Без этого нам пришлось бы использовать различные методы, чтобы подойти к проблеме с разных точек зрения. Мы использовали метаболизм; мы использовали проточную цитометрию, где мы смотрели на мембрану; мы использовали количественную высокопроизводительную визуализацию под микроскопом; мы использовали генетику; мы использовали протеомику.

По сути, для разработки этого нового антибиотика мы использовали все эти разные методы, чтобы получить разные кусочки головоломки, а затем мы смогли собрать их все воедино. В конце статьи у нас есть эта цифра, где мы пытаемся подвести итог проекта.

Мы сделали что-то, известное как бактериальное цитологическое профилирование, или BCP, где мы можем посмотреть, как определенный антибиотик влияет на бактерии. Исходя из этого, мы показали, что ни один из протестированных нами антибиотиков не похож на SCH.

Если вы комбинируете два антибиотика, которые имеют два отдельных механизма действия SCH, и одновременно лечите вместе с ними бактерии, эти бактерии теперь выглядят похожими на SCH после своей смерти.

Затем мы сделали производное этой молекулы, которое мы называем Ирресистин-16. Это было в состоянии иметь даже большую потенцию и иметь больший терапевтический эффект на нашей модели гонореи у мышей, чем у SCH.

<img alt=" Irrestin-16 "height =" 2880 "src =" http://www.news-medical.net/image.axd?picture=2020%2f6%2fAntibiotics_Gitai_banner.jpg "title =" Иррестин-16 "width =" 3750 "/>

Как вы проверили устойчивость вашего антибиотика?

Во многих отношениях это была самая трудная часть, так как с научной точки зрения невозможно доказать отрицание. Мы не можем доказать, что что-то не может произойти, и поэтому мы стараемся быть осторожными и говорим, что мы не смогли обнаружить сопротивление, или частота сопротивления была ниже предела нашего обнаружения.

Это был действительно важный момент, над которым Джеймс работал несколькими разными способами. Традиционный способ – положить бактерии на чашки с антибиотиком, и мысль состоит в том, что если у одной из бактерий есть мутация, которая делает его устойчивым к антибиотику, то он будет расти даже в его присутствии, и тогда вы сможете изолировать мутанта.

Джеймс попробовал это безуспешно, но затем он попробовал гораздо более количественный и осторожный подход, который убедил нас в том, что не было обнаруживаемого сопротивления. Он принял препарат в половине минимальной концентрации, необходимой для уничтожения бактерий. Другими словами, он принял концентрацию препарата, в которой бактерии еще могут расти, но не очень хорошо.

Он проводил многомесячный эксперимент, в котором каждый день или два он приходил в лабораторию и выращивал бактерии в той концентрации, которая была прямо на краю, где эффективен антибиотик.

Идея заключалась в том, что если бы существовала даже минимальная мутация, которая давала бы какое-либо преимущество, эти бактерии росли бы быстрее, и, поскольку они росли быстрее, они тогда превзошли бы своих соседей и стали бы обогащаться в популяции, и со временем Вы получите это очень постепенное увеличение сопротивления.

Он проверил это на многих различных антибиотиках, включая антибиотики, которые, как известно, трудно получить устойчивость, и он показал, что эта концепция работает. Постепенно он смог развить устойчивость ко всем другим антибиотикам, которые он попробовал, но к SCH было нулевое увеличение устойчивости. Это была совершенно плоская линия.

Почему вы не смогли использовать традиционные методы, чтобы выяснить механизмы антибиотиков в этом исследовании?

Традиционный способ выяснить, как работает антибиотик, – найти мутантов устойчивости. Они обычно соответствуют цели препарата, а затем вам сообщают, что это за препарат. В данном случае это своего рода обоюдоострый меч.

Клинически, тот факт, что нет сопротивления этим соединениям, является именно тем, что мы хотим. Это Святой Грааль антибиотиков – антибиотиков, к которым вы не можете получить резистентность, но в то же время причины, по которым нам пришлось использовать все эти разные подходы, были той же самой причиной, по которой мы не могли устранить резистентность, используя традиционный способ выяснить механизм действия.

<img alt=" Устойчивость к антибиотикам "height =" 667 "src =" http://www.news-medical.net/image.axd?picture=2020%2f6%2fshutterstock_367715540_(3).jpg "title =" Антибиотик Resistance "width =" 1000 "/>

Изображение предоставлено: Kateryna Kon / Shutterstock.com

В чем была проблема с исходным SCH 79797 и как вы ее решили?

Проблема с оригинальным SCH заключается в том, что он был великолепен в уничтожении бактерий, но когда мы тестировали его, он был почти так же хорош в уничтожении многих клеток млекопитающих. Это проблема в том смысле, что для антибиотика мы хотим что-то, что убьет бактерии, но не убьет нас.

Отбеливатель, например, хорошо убивает бактерии, но не является хорошим антибиотиком, потому что он также убивает наши клетки. В своей первоначальной конфигурации SCH был не совсем таким, но именно в этом направлении, и поэтому мы сделали производные от SCH.

Мы были очень рады, что нашли эту производную SCH, которую мы назвали Irresistin-16. Отличительной особенностью Irresistin-16 является то, что он поддерживает тот же уровень токсичности по отношению к клеткам млекопитающих, что и SCH, но убивает бактерии на уровне от 100 до 1000 раз ниже, поэтому повышается эффективность уничтожения бактерий.

Так как мы не изменили уровень, на котором мы убиваем клетки млекопитающих, мы резко изменили уровень, на котором мы убиваем бактерии. Это означает, что у нас есть это 100-1000-кратное окно концентраций, которое может быть ниже концентрации уничтожения клеток млекопитающих, но выше концентрации уничтожения бактериальных клеток.

С какими примерами бактерий вы показали эффективность своего антибиотика?

Одним из них является MRSA, устойчивый к метициллину Staphylococcus aureus который представляет собой огромную проблему, особенно в условиях больницы. Другой является Acinetobacter baumannii который является грамотрицательной бактерией, которая печально известна своей устойчивостью к антибиотикам.

Эти бактерии на самом деле были большой проблемой здесь, в Америке, во время, я полагаю, войны в Ираке, потому что эти бактерии очень устойчивы к нагреванию, и поэтому в этих условиях бактерии будут жить и питаться медицинским оборудованием или кроватями. Солдаты, которым нужны ампутации или что-то в этом роде, заболеют этой инфекцией и вернут ее домой.

Neisseria gonorrhoeae был крупным, и это было очень важно, потому что он грамотрицательный, и у нас заканчиваются антибиотики для лечения лекарственно-устойчивой гонореи. Я считаю, что мы недавно нашли резистентность к антибиотику последней инстанции, и поэтому это необходимо. Даже Всемирная организация здравоохранения говорит, что это проблема, которую необходимо решить.

Одна очень интересная вещь заключается в том, что Всемирная организация здравоохранения имеет штамм Neisseria gonorrhoeae, устойчивый почти ко всем известным антибиотикам, и все же наши лекарства смогли убить эти штаммы. Это было очень волнительно для нас, и это говорит о том, что эта концепция, с которой мы начали, действительно новый класс антибиотиков, действительно может работать в борьбе с устойчивостью к антибиотикам.

<img alt=" MRSA "height =" 667 "src =" http://www.news-medical.net/image.axd?picture=2020%2f6%2fshutterstock_614007776.jpg "title =" MRSA "width =" 1000" />

Изображение предоставлено: Kateryna Kon / Shutterstock.com

Какие стадии необходимы для того, чтобы можно было надеяться, что ваше лекарство можно использовать для лечения этих инфекций у людей?

Во-первых, мы должны прояснить, что есть много шагов между этим и применением его к людям. На данный момент мы помогли лечить гонорею у мышей.

Мы активно работаем над различными вещами, чтобы улучшить лекарство. Есть три основных момента. Во-первых, мы хотим убивать бактерии еще эффективнее, что мы называем потенцией. Во-вторых, мы хотим сделать его еще менее токсичным для клеток млекопитающих. В-третьих, необходимо улучшить различные лекарственные свойства.

Например, Ирресистин-16 очень гидрофобен и поэтому не очень хорошо растворяется в воде. Это было бы непрактично, как таблетка, поэтому в данный момент мы вводим ее. Есть разные вещи, которые нужно оптимизировать. Однако мы воодушевлены тем, что в этом самом первом примере мы уже смогли доставить его туда, где он работал на животном.

Еще одна вещь, которую я действительно хочу подчеркнуть, это то, что как бы мы ни были в восторге от Irresistin-16 в частности, мы также думаем, что это общая концепция, которую можно использовать. Мы думаем, что эта идея подхода отравленной стрелы может быть применена ко многим другим лекарствам, и поэтому мы надеемся, что либо мы, либо другие в этой области возьмем эту идею, которая на самом деле не была реализована ранее, и будем использовать ее, чтобы попытаться развить больше виды новых лекарств.

Даже если наша цель с самим Иррезистином-16 не будет достигнута, мы надеемся, что это вдохновит новые классы лекарств или исследования в том же духе, что даст нам больше возможностей для достижения цели.

Как этот антибиотик может революционизировать лечение бактериальной инфекции и стимулировать разработку новых лекарств?

Это интересный вопрос лично для меня (Джеймса), потому что я думаю, что важно признать, что то, что входит в статью, это не все, что произошло. Вы не описываете всю душевную боль или все странные вещи, которые вы не совсем поняли.

Антибиотики были вокруг в течение прошлых 100 лет или около того, и есть некоторые записи, что это было еще дольше – люди просто использовали это как естественное домашнее средство, например, взяли заплесневелый хлеб, делая припарки из это и положить его в свою рану.

Люди очень давно лечат бактериальные инфекции, и поэтому для меня, когда я думаю об этом проекте, я не думаю о том, чтобы революционизировать способ лечения бактериальных инфекций, а революцию в том, как мы идентифицируем новые антибиотики. лечить те же инфекции.

Это вторая половина вопроса, которая, на мой взгляд, является наиболее важной, и я думаю, что то, что я, Земер, Джо, Бен и другие наши соавторы продемонстрировали, это две основные вещи.

Во-первых, мембрана, которая изначально была бесполезной мишенью в разработке антибиотиков, может быть нацелена таким образом, что она в основном поражает бактериальные мембраны больше, чем вредит человеку, и я думаю, что это открывает возможность целого нового класса молекул просто сам по себе.

Но я думаю, что еще одна вещь, с которой мы столкнулись, это идея, что два в одном лучше, чем просто два. В статье есть фигура, где мы демонстрируем, что объединение двух антибиотиков, которые имеют те же отдельные механизмы уничтожения бактерий, что и SCH, не так мощно или столь же эффективно, как SCH, и я не думаю, что это было чем-то, что было исследовано ранее.

Концепция комбинированного лечения была изучена, и все эти осложнения возникли, и поэтому некоторые люди преследовали ее, а некоторые – нет, но я думаю, что мы продемонстрировали здесь, что, возможно, это не так сложно, как мы делаем возможно, есть более простой способ проникнуть в эту молекулу в бактерии, если мы объединим два отдельных механизма.

Я действительно рад видеть некоторые работы, которые выходят из нашей лаборатории, и другие, если они их возьмут, при выполнении этого подхода с двойным механизмом. Это не должно быть двумя механизмами – нет никаких причин, почему это не может быть любое количество целей. Я думаю, что было бы действительно интересно взглянуть на молекулы с несколькими модальностями.

<img alt=" Drug Discovery "height =" 750 "src =" http://www.news-medical.net/image.axd?picture=2020%2f6%2fshutterstock_643085443_(1).jpg "title =" Наркотики Открытие "width =" 1000 "/>

Изображение предоставлено: Orawan Pattarawimonchai / Shutterstock.com

Каковы следующие шаги для вашего исследования?

Есть две руки. Первая рука – это улучшение существующих лекарств, которые мы должны сделать, чтобы они становились все более и более похожими на наркотики и подходящими, подталкивая их к использованию в качестве антибиотика. Это означает создание большого количества производных и модификаций их и т. Д.

Второе направление: можем ли мы обобщить эти принципы? Можем ли мы найти новые антибиотики, которые объединяют два механизма действия вместе? Можем ли мы сделать больше отравленных стрел? Можем ли мы понять, как именно работает каждый из двух механизмов?

С научной точки зрения большим сюрпризом было то, что мы смогли нацеливаться на бактериальные мембраны, не нацеливаясь на мембраны млекопитающих, и эта специфичность была для нас огромной неожиданностью.

Раньше мы думали, что мембрана – это мембрана, кого волнует, бактериальная она или человеческая? Вот почему исторически мы избегали попыток нацеливаться на мембрану, потому что думали, что не можем получить специфичность таким образом. Однако это говорит о том, что это не так. Возможно, мы могли бы даже найти способы нацеливания на вирусные мембраны, если это правда, поэтому есть много таких вопросов, о которых мы сейчас пытаемся подумать.

Есть ли у вас что-нибудь еще, что вы хотели бы добавить?

На самом деле, я делаю. Я чувствую, что в свете последних нескольких недель мы не можем просто сидеть здесь и игнорировать тот факт, что исторически, в частности, в США, чернокожие ученые были маргинализованы и недопредставлены всеми возможными способами.

Быть чернокожим, темнокожим мужчиной в Америке, трудно по многим различным причинам, а пытаться быть чернокожим в STEM еще сложнее.

Просто поддержки не так много. Часто существует предположение, что вы не настолько «умны», как ваши сверстники, и поэтому для того, чтобы действительно научиться делать что-то вроде науки и сказать «я что-то открыл», действительно мощно.

В последние несколько недель в Америке мы выглядим, и есть много разных молодых людей, которые похожи на меня, и я на самом деле очень знаком со многими из них в Чикаго. Даже при том, что у меня могут быть все эти научные достижения, в конце концов, это может ничего не значить, потому что в глазах многих людей я прежде всего черный, и это подводит итог всему моему существу, полному негативных стереотипов и переизображений. Для меня, когда эта статья публикуется и, к счастью, привлекает внимание средств массовой информации, я хочу, чтобы стало известно, что я поддерживаю тех, кто похож на меня, и тех, кто угнетен или маргинализирован.

Я не хочу отправлять сообщение о том, что я другой или что я каким-то образом сделал это из-за чего-то, чего я достиг, но вместо этого, я здесь, мне больно с вами, и я хочу использовать эту платформу, которая Я должен помочь изменить взгляд людей на то, каким должен быть или может быть черный человек.

Где читатели могут найти больше информации?

Оригинальный документ: https://www.cell.com/cell/pdf/S0092-8674(20)30567-5.pdf?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii% 2FS0092867420305675% 3Fshowall% 3Dtrue

Бесплатная предварительная печать статьи в открытом доступе: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.03.12.984229v1

Руководство по ресурсам CDC для устойчивости к антибиотикам: https://www.cdc.gov/drugresistance/index.html

О докторе Джеймсе Мартине

Меня зовут доктор Джеймс Мартин. Я ученый и педагог, и у меня есть страсть к воспитанию следующего поколения чернокожих ученых. <img alt=" Д-р. Джеймс Мартин "height =" 270 "src =" http://www.news-medical.net/image.axd?picture=2020%2f6%2fJamesMartin_Bio.jpg "style =" float: right; "title =" Dr. Джеймс Мартин "width =" 180 "/>

Учитывая все волнения в Америке, вызванные расовой несправедливостью, я с гордостью могу сказать, что я чернокожий, и я надеюсь, что смогу вдохновить других на то, чтобы продолжать двигаться вперед и быть стойкими.

О профессоре Земере Гитай

.

Земер Гитай – профессор молекулярной биологии в Принстонском университете. Он закончил со степенью бакалавра в Массачусетском технологическом институте в 1996 году. После завершения его аспирантуры в UCSF в 2002 году и постдока в Стэнфорде в 2005 году, доктор Гитай присоединился к факультету Принстонского университета в качестве доцента.

Он был повышен до звания доцента в 2012 году и до профессора в 2016 году. В настоящее время он является профессором биологии Эдвина Гранта Конклина на кафедре молекулярной биологии Принстонского университета.

Д-р. Исследования Gitai сосредоточены на клеточной биологии бактерий и их взаимодействии с хозяевами. Его лаборатория изучает, как клетки самоорганизуются в пространственных масштабах, используя количественные, молекулярные и инженерные подходы. <img alt=" Профессор Земер Гитаи "height =" 270 "src =" http://www.news-medical.net/image. axd? picture = 2020% 2f6% 2fZemer_Bio.jpg "style =" float: right; "title =" Профессор Земер Гитай "width =" 180 "/>

Д-р. Gitai опубликовал более 70 оригинальных статей в ведущих журналах. Его работа открыла новые компоненты бактериального цитоскелета и установила важность сборки белка для неожиданных процессов, таких как метаболизм и патогенез.

Совсем недавно д-р Гитай сосредоточился на понимании механического восприятия бактерий и борьбе с повышением устойчивости к антибиотикам путем разработки новых антибиотиков и противоинфекционных средств. Достижения доктора Гитай были отмечены многими престижными наградами, в том числе премией директора NIH, премией NIH за новаторство, премией молодых исследователей Бекмана и премией молодых исследователей HFSP

.