Péptidos antimicrobianos

péptidos antimicrobianos (AMP), también llamados péptidos de defensa del huésped (HDP), forman parte del sistema innato. respuesta inmune encontrada en todas las clases de vida. Existen diferencias fundamentales entre las células procarióticas y eucariotas que pueden representar objetivos para los péptidos antimicrobianos. Estos péptidos son antimicrobianos potentes y de amplio espectro que demuestran potencial como nuevos agentes terapéuticos. Se ha demostrado que los péptidos antimicrobianos matan bacterias Gram negativas y Gram positivas, virus envueltos, hongos e incluso células transformadas o cancerosas. A diferencia de la mayoría de los antibióticos convencionales, parece que los péptidos antimicrobianos con frecuencia desestabilizan las membranas biológicas, pueden formar canales transmembrana y también pueden tener la capacidad de mejorar la inmunidad al funcionar como inmunomoduladores.

Estructura

Los péptidos antimicrobianos son un grupo único y diverso de moléculas, que se dividen en subgrupos sobre la base de su composición y estructura de aminoácidos. Los péptidos antimicrobianos son generalmente entre 12 y 50 aminoácidos. Estos péptidos incluyen dos o más residuos cargados positivamente proporcionados por arginina, lisina o, en ambientes ácidos, histidina y una gran proporción (generalmente ±50%) de residuos hidrofóbicos. Las estructuras secundarias de estas moléculas siguen 4 temas, incluyendo i) α-helical, ii) rayado β debido a la presencia de 2 o más bonos desulfidos, iii) β-hairpin o bucle debido a la presencia de un único vínculo disulfuro y/o la ciclización de la cadena de péptidos, y iv) extendido. Muchos de estos péptidos no están estructurados en solución libre, y pliegan en su configuración final al dividirse en membranas biológicas. Los péptidos contienen residuos de aminoácidos hidrofílicos alineados a lo largo de un lado y residuos de aminoácidos hidrofóbicos alineados a lo largo del lado opuesto de una molécula helical. Esta amphipathicidad de los péptidos antimicrobianos les permite particionar en el bilayer lipídico de la membrana. La capacidad de asociarse con las membranas es una característica definitiva de los péptidos antimicrobianos, aunque la permeabilización de la membrana no es necesaria. Estos péptidos tienen una variedad de actividades antimicrobianas que van desde la permeabilización de la membrana a la acción en una gama de objetivos citoplasmáticos.

Actividades

Los modos de acción por los cuales los péptidos antimicrobianos matan microbios son variados, y pueden diferir para diferentes especies bacterianas. Algunos péptidos antimicrobianos matan tanto bacterias como hongos, por ejemplo, la psoriasina mata E. coli y varios hongos filamentosos. La membrana citoplasmática es un objetivo frecuente, pero los péptidos también pueden interferir con la síntesis de ADN y proteínas, el plegado de proteínas y la síntesis de la pared celular. El contacto inicial entre el péptido y el organismo objetivo es electrostático, ya que la mayoría de las superficies bacterianas son aniónicas o hidrofóbicas, como en el péptido antimicrobiano Piscidina. Su composición de aminoácidos, amphipathicity, carga y tamaño cationic les permiten fijar e insertar en bicapas de membrana para formar poros por mecanismos de ‘barrel-stave’, ‘carpet’ o ‘pore-toroidal’. Alternately, they may penetrate into the cell to bind intracellular moléculas which are crucial to cell living. Los modelos de unión intracelular incluyen la inhibición de la síntesis de la pared celular, alteración de la membrana citoplasmática, activación de la autosinfección, inhibición del ADN, ARN y síntesis de proteínas, e inhibición de ciertas enzimas. In many cases, the exact mechanism of killing is not known. Una técnica emergente para el estudio de tales mecanismos es la interferometría de doble polarización. En contraste con muchos antibióticos convencionales estos péptidos parecen ser bactericidas en lugar de bacteriostáticos. En general, la actividad antimicrobiana de estos péptidos se determina midiendo la concentración mínima inhibitoria (MIC), que es la concentración más baja de fármaco que inhibe el crecimiento bacteriano.

Los AMP pueden poseer múltiples actividades, incluyendo actividades bacterianas anti-gram-positivas, bacterianas antigramáticas, antifúngicas, antivirales, antiparasitarias y anticáncer. Un gran análisis funcional de AMP indica que entre todas las actividades de AMP, anfiteatro y carga, dos propiedades principales de AMP, la mejor distinción entre AMPs con y sin actividades bacterianas antigramáticas. Esto implica que ser AMP con actividades bacterianas anti-gramos-negativas pueden preferir o incluso requerir una fuerte anfipatía y una carga positiva neta.

Inmunomodulación

Además de matar bacterias directamente se ha demostrado que tienen una serie de funciones inmunomoduladoras que pueden estar implicadas en la limpieza de la infección, incluyendo la capacidad de alterar la expresión del gen anfitrión, actuar como quimioquinas y/o inducir la producción de quimioquinas, inhibiendo la producción de citoquinas pro-inflamatorias, promoviendo la curación de heridas, y modulando las respuestas de células dendritas y células inmunitarias. Los modelos animales indican que los péptidos de defensa anfitriona son cruciales tanto para la prevención como para la limpieza de la infección. Parece que muchos péptidos inicialmente aislados y llamados "peptidos antimicrobianos" han demostrado tener funciones alternativas más significativas in vivo (por ejemplo, hepcidina). La dusquetida, por ejemplo, es un inmunomodulador que actúa a través de p62, una proteína implicada en el peaje como la señalización basada en el receptor de la infección. El péptido está siendo examinado en un ensayo clínico de fase III por Soligenix (SGNX) para determinar si puede ayudar a reparar los daños causados por radiación a la mucosa oral que surge durante la radioterapia de cáncer de la cabeza y el cuello.

Mecanismos de acción

Los péptidos antimicrobianos generalmente tienen una carga neta positiva, lo que les permite interactuar con las moléculas cargadas negativamente expuestas en las superficies de las bacterias y las células cancerosas, como los fosfolípidos fosfatidilserina, las mucinas O-glicosiladas, los gangliósidos sialilados y los sulfatos de heparina. El mecanismo de acción de estos péptidos varía ampliamente, pero se puede simplificar en dos categorías: péptidos antimicrobianos membranolíticos y no membranolíticos. La alteración de las membranas por péptidos antimicrobianos membranolíticos puede describirse mediante cuatro modelos:

• Modelo Barrel-stave: El modelo de soporte de barril propone que los AMP interactúen con la bicapa de lípidos de la membrana celular microbiana para formar canales transmembrane o "estapas de barranco". Se cree que estos canales interrumpen la integridad de la membrana, lo que lleva a la muerte del microbio.
• Modelo de alfombras: El modelo de alfombra propone que AMPs adsorb en el bilayer lipídico de la membrana celular microbiana, formando una capa densa que hace que la membrana se permeabilice. Este modelo sugiere que el AMP actúa como un "carpet" que cubre la superficie de la célula, evitando que el microbio funcione correctamente.
• Modelo toroidal: El modelo toroidal propone que los AMP interactúen con la bicapa de lípidos de la membrana celular microbiana para formar estructuras toroidales, que se piensa para pellizcar secciones de la membrana y llevar a la formación de vesículas. Se piensa que este proceso altera la integridad de la membrana y causa la muerte del microbio.
• Modelo de pobres toroidales desordenados: Según este modelo, los AMP desordenados envuelven alrededor de la bicapa de lípidos y crean un poro, que interrumpe la integridad de la membrana y conduce a la muerte del microbio. A diferencia del modelo toroidal, que sugiere que el AMP crea una estructura toroidal estable, el modelo toroidal-pore desordenado sugiere que el AMP es flexible y no forma una estructura toroidal estable. El complejo de poro péptido-lipido se vuelve intrínsecamente desordenado, con la orientación del péptido no bien definido.

Se han utilizado varios métodos para determinar los mecanismos de la actividad de los péptidos antimicrobianos. En particular, los estudios de RMN de estado sólido han proporcionado una explicación de resolución a nivel atómico de la alteración de la membrana por péptidos antimicrobianos. En años más recientes, la cristalografía de rayos X se ha utilizado para delinear con detalle atómico cómo la familia de defensinas vegetales rompe las membranas mediante la identificación de fosfolípidos clave en las membranas celulares del patógeno. Se pensaba que las defensinas humanas actuaban a través de un mecanismo similar, dirigiéndose a los lípidos de la membrana celular como parte de su función. De hecho, ahora se ha demostrado que la beta-defensina 2 humana mata los hongos patógenos Candida albicans mediante interacciones con fosfolípidos específicos. Desde el punto de vista computacional, las simulaciones de Dinámica Molecular pueden proporcionar información detallada sobre la estructura y dinámica de las interacciones péptido-membrana, incluyendo la orientación, conformación e inserción del péptido en la membrana, así como interacciones específicas del péptido con lípidos. iones y disolvente.

Investigación y uso terapéutico

Los péptidos antimicrobianos se han utilizado como agentes terapéuticos; su uso generalmente se limita a la administración intravenosa o aplicaciones tópicas debido a su corta vida media. En enero de 2018, los siguientes péptidos antimicrobianos estaban en uso clínico:

• Bacitracina para neumonía tópica
• Boceprevir, Hepatitis C (péptido oral, cíclico)
• Dalbavancina, infecciones bacterianas, IV
• Daptomicina, infecciones bacterianas, IV
• Enfuvirtida, VIH, inyección subcutánea
• Oritavancina, infecciones bacterianas, IV
• Teicoplanina, infecciones bacterianas, IV
• Telaprevir, Hepatitis C, péptidos cíclicos orales
• Telavancina, infección bacteriana, IV
• Vancomicina, infección bacteriana, IV.
• Guavanin 2, infección bacteriana contra grampositivo y gramnegativo también.

Actividad más allá de las funciones antibacterianas

Se ha observado que los AMP tienen funciones distintas a la destrucción de bacterias y hongos. Estas actividades incluyen efectos antivirales, pero también funciones en la defensa del huésped, como funciones anticancerígenas y funciones en neurología. Esto ha llevado a un movimiento para cambiar el nombre de los AMP a "péptidos de defensa del huésped" para abarcar el amplio alcance de actividades que pueden tener los PMAPE.

Propiedades anticancerígenas

Algunas cecropinas (por ejemplo, cecropina A y cecropina B) tienen propiedades anticancerígenas y se denominan péptidos anticancerígenos (ACP). Se han estudiado las propiedades anticancerígenas de los ACP híbridos basados en Cecropin A. La mosca de la fruta Defensin previene el crecimiento tumoral, y se sospecha que se une a las células tumorales debido a modificaciones de la membrana celular comunes a la mayoría de las células cancerosas, como la exposición a la fosfatidilserina.

Propiedades antibiofilm

La cecropina A puede destruir las células uropatógenas de E. coli (UPEC), planctónicas y sésiles formadoras de biopelículas, ya sea sola o combinada con el antibiótico ácido nalidíxico, eliminando sinérgicamente la infección in vivo (en el insecto huésped Galleria mellonella) sin citotoxicidad fuera del objetivo. El mecanismo de acción multiobjetivo implica la permeabilización de la membrana externa seguida de la alteración de la biopelícula provocada por la inhibición de la actividad de la bomba de eflujo y las interacciones con los ácidos nucleicos extracelulares e intracelulares.

Otras investigaciones

Recientemente se han realizado algunas investigaciones para identificar posibles péptidos antimicrobianos de procariotas, organismos acuáticos como peces y mariscos, y monotremas como los equidnas.

Selectividad

En la competencia de las células bacterianas y las células huésped con los péptidos antimicrobianos, los péptidos antimicrobianos interactuarán preferentemente con las células bacterianas y con las células de los mamíferos, lo que les permite matar microorganismos sin ser significativamente tóxicos para las células de los mamíferos.

Con respecto a las células cancerosas, ellas mismas también secretan péptidos antimicrobianos humanos, incluida la defensina, y en algunos casos, se informa que son más resistentes que las células normales circundantes. Por lo tanto, no podemos concluir que la selectividad sea siempre alta contra las células cancerosas.

Factores

Hay algunos factores que están estrechamente relacionados con la propiedad de selectividad de los péptidos antimicrobianos, entre los cuales la propiedad catiónica contribuye más. Dado que la superficie de las membranas bacterianas está más cargada negativamente que las células de los mamíferos, los péptidos antimicrobianos mostrarán diferentes afinidades hacia las membranas bacterianas y las membranas de las células de los mamíferos.

Además, también hay otros factores que afectarán la selectividad. Es bien sabido que el colesterol normalmente se distribuye ampliamente en las membranas celulares de los mamíferos como agente estabilizador de membranas, pero está ausente en las membranas celulares bacterianas (excepto cuando es secuestrado por H. pylori); y la presencia de estos colesteroles también reducirá generalmente las actividades de los péptidos antimicrobianos, debido a la estabilización de la bicapa lipídica o a interacciones entre el colesterol y el péptido. Entonces, el colesterol en las células de los mamíferos protegerá a las células del ataque de los péptidos antimicrobianos.

Además, es bien sabido que el potencial transmembrana afecta las interacciones péptido-lípido. Existe un potencial transmembrana interno negativo que existe desde la valva externa hasta la valva interna de las membranas celulares y este potencial transmembrana interno negativo facilitará la permeabilización de la membrana, probablemente al facilitar la inserción de péptidos cargados positivamente en las membranas. En comparación, el potencial transmembrana de las células bacterianas es más negativo que el de las células de mamíferos normales, por lo que la membrana bacteriana será propensa a ser atacada por péptidos antimicrobianos cargados positivamente.

De manera similar, también se cree que el aumento de la fuerza iónica, que en general reduce la actividad de la mayoría de los péptidos antimicrobianos, contribuye parcialmente a la selectividad de los péptidos antimicrobianos al debilitar las interacciones electrostáticas requeridas para la interacción inicial.

Mecanismo

Las membranas celulares de las bacterias son ricas en fosfolípidos ácidos, como el fosfatidilglicerol y la cardiolipina.

Por el contrario, la parte exterior de las membranas de plantas y mamíferos está compuesta principalmente de lípidos sin cargas netas, ya que la mayoría de los lípidos con grupos de cabeza cargados negativamente están principalmente secuestrados en la valva interna de las membranas plasmáticas. Así, en el caso de las células de mamíferos, las superficies exteriores de las membranas suelen estar formadas por fosfatidilcolina zwitteriónica y esfingomielina, aunque una pequeña porción de las superficies exteriores de las membranas contienen algunos gangliósidos cargados negativamente. Por lo tanto, la interacción hidrofóbica entre la cara hidrofóbica de los péptidos antimicrobianos anfipáticos y los fosfolípidos zwitteriónicos en la superficie celular de las membranas celulares de mamíferos juega un papel importante en la formación de la unión péptido-célula.

La interferometría de doble polarización se ha utilizado in vitro para estudiar y cuantificar la asociación con el grupo de cabeza, la inserción en la bicapa, la formación de poros y la eventual rotura de la membrana.

Controlar

Se ha puesto mucho esfuerzo en controlar la selectividad celular. Por ejemplo, se ha intentado modificar y optimizar los parámetros fisicoquímicos de los péptidos para controlar las selectividades, incluyendo carga neta, helicidad, hidrofobicidad por residuo (H), momento hidrofóbico (μ) y el ángulo subtendido por la hélice polar cargada positivamente. cara (Φ). Se cree que otros mecanismos, como la introducción de D-aminoácidos y aminoácidos fluorados en la fase hidrofóbica, rompen la estructura secundaria y, por lo tanto, reducen la interacción hidrofóbica con las células de mamíferos. También se ha descubierto que la sustitución de Pro→Nlys en péptidos antimicrobianos de giro β que contienen Pro era una estrategia prometedora para el diseño de nuevos péptidos antimicrobianos selectivos de células bacterianas pequeñas con mecanismos de acción intracelular. Se ha sugerido que la unión directa de magainina a la superficie del sustrato disminuyó la unión celular inespecífica y condujo a un límite de detección mejorado para células bacterianas como Salmonella y E. coli.

Resistencia bacteriana

Las bacterias utilizan diversas estrategias de resistencia para evitar la destrucción de los péptidos antimicrobianos.

• Algunos microorganismos alteran las cargas de superficie neta. Staphylococcus aureus transportes D-alanina del citoplasma al ácido teicoico superficial que reduce la carga negativa neta introduciendo grupos amino básicos. S. aureus También modifica sus membranas aniónicas a través de MprF con L-lysine, aumentando la carga neta positiva.
• La interacción de péptidos antimicrobianos con objetivos de membrana puede ser limitada por la cápsula polisacárida de Klebsiella pneumoniae.
• Salmonella las especies reducen la fluidez de su membrana exterior aumentando las interacciones hidrofóbicas entre un mayor número de colas de Lipid A acyl añadiendo miristato a Lipid A con 2-hidroximyristate y formando Lipid A hepta-acylated añadiendo palmitate. Se cree que el creciente momento hidrofóbico retrasa o elimina la inserción de péptidos antimicrobianos y la formación de poros. Los residuos sufren alteración en proteínas de membrana. En algunas bacterias gramnegativas, la alteración en la producción de proteínas de membrana externa correlaciona con resistencia a la muerte por péptidos antimicrobianos.
• No de tipo Hemophilus influenzae transporta AMPs al interior de la célula, donde están degradados. Además, H. influenzae remodela sus membranas para que parezca como si la bacteria ya hubiera sido atacada con éxito por AMPs, protegiéndolo de ser atacado por más AMPs.
• Los transportadores de cinta adhesiva de ATP importan péptidos antimicrobianos y la bomba antimicrobianos anti-nodulación celular-division efflux exporta péptidos antimicrobianos. Ambos transportistas se han asociado con la resistencia antimicrobiana del péptidos
• Las bacterias producen enzimas proteolíticas, que pueden degradar los péptidos antimicrobianos que conducen a su resistencia.
• Las vesículas de membrana externa producidas por bacterias gramnegativas atan los péptidos antimicrobianos y secuestrarlos lejos de las células, protegiendo así las células. Las vesículas de membrana externa también se conocen para contener diversas proteas, peptidasas y otras enzimas líticas, que pueden tener un papel en degradar las moléculas extracelulares de péptidos y ácidos nucleicos, que si se permite llegar a las células bacterianas pueden ser peligrosas para las células.
• La señalización Cyclic-di-GMP también había participado en la regulación de la resistencia antimicrobiana del péptidos Pseudomonas aeruginosa

Si bien estos ejemplos muestran que la resistencia puede evolucionar de forma natural, existe una creciente preocupación de que el uso de copias farmacéuticas de péptidos antimicrobianos pueda hacer que la resistencia se produzca con mayor frecuencia y rapidez. En algunos casos, la resistencia a estos péptidos utilizados como productos farmacéuticos para tratar problemas médicos puede provocar resistencia, no sólo a la aplicación médica de los péptidos, sino a la función fisiológica de esos péptidos.

El enfoque del "caballo de Troya" para resolver este problema aprovecha la necesidad innata de hierro de los patógenos. El “contrabando” de antimicrobianos hacia el patógeno se logra vinculándolos a sideróforos para su transporte. Si bien su concepto es simple, se han necesitado muchas décadas de trabajo para superar el difícil obstáculo de transportar antimicrobianos a través de las membranas celulares de los patógenos. Se han revisado las lecciones aprendidas de los éxitos y fracasos de los fármacos conjugados de sideróforo evaluados durante el desarrollo de nuevos agentes utilizando el enfoque del "caballo de Troya".

Ejemplos

Los péptidos antimicrobianos son producidos por especies de todo el árbol de la vida, entre ellas:

• bacterias ()Por ejemplo. bacteriocina, y muchos otros)
• hongosPor ejemplo. peptaibols, plectasin, y muchos otros)
• cnidaria ()Por ejemplo. hidramacina, aurelina)
• muchos de insectos y artrópodos (Por ejemplo. cecropina, attacina, melittina, mastoparano, estromicina, proteína que contiene tioester 1)
• anfibia, ranas (magain, dermaseptin, aurein y otros)
• avesPor ejemplo. avian defensins)
• y mamíferosPor ejemplo. cthelicidins, alpha- and beta-defensins, regIII peptides)

En los últimos años ha aumentado la investigación para desarrollar imitadores de péptidos antimicrobianos diseñados artificialmente, como los SNAPP, en parte debido al costo prohibitivo de producir AMP de origen natural. Un ejemplo de esto es el péptido catiónico facial C18G, que fue diseñado a partir del dominio C-terminal del factor IV plaquetario humano. Actualmente, el péptido antimicrobiano más utilizado es la nisina; Al ser el único péptido antimicrobiano aprobado por la FDA, se usa comúnmente como conservante artificial.

Bioinformática

Existen varias bases de datos bioinformáticas para catalogar los péptidos antimicrobianos. La base de datos de péptidos antimicrobianos (APD) es la base de datos original y modelo para péptidos antimicrobianos (https://aps.unmc.edu). A partir de la APD, también se han construido otras bases de datos, entre ellas ADAM (Base de datos de péptidos antimicrobianos), BioPD (Base de datos de péptidos biológicamente activos), CAMP (Colección de secuencias y estructuras de péptidos antimicrobianos), DBAASP (Base de datos de actividad antimicrobiana). y estructura de péptidos), DRAMP (Repositorio de datos de péptidos antimicrobianos) Bienvenido a la base de datos Dramp y LAMP (Linking AMP).

Las bases de datos de péptidos antimicrobianos se pueden dividir en dos categorías según la fuente de péptidos que contienen, como bases de datos específicas y bases de datos generales. Estas bases de datos cuentan con diversas herramientas para el análisis y predicción de péptidos antimicrobianos. Por ejemplo, la APD tiene una interfaz de cálculo muy utilizada. También proporciona enlaces a muchas otras herramientas. CAMP contiene predicción de AMP, calculadora de funciones, búsqueda BLAST, ClustalW, VAST, PRATT, rueda helicoidal, etc. Además, ADAM permite a los usuarios buscar o navegar a través de relaciones secuencia-estructura de AMP. Los péptidos antimicrobianos a menudo abarcan una amplia gama de categorías, como péptidos antifúngicos, antibacterianos y antituberculosos.

dbAMP: proporciona una plataforma en línea para explorar péptidos antimicrobianos con actividades funcionales y propiedades fisicoquímicas en datos de transcriptomas y proteomas. dbAMP es un recurso en línea que aborda diversos temas, como anotaciones de péptidos antimicrobianos (AMP), incluida información de secuencia, actividades antimicrobianas, modificaciones postraduccionales (PTM), visualización estructural, potencia antimicrobiana, especies objetivo con concentración inhibidora mínima (MIC), fisicoquímicas. propiedades o interacciones AMP-proteína.

Herramientas como PeptideRanker, PeptideLocator y AntiMPmod permiten la predicción de péptidos antimicrobianos, mientras que se han desarrollado otras para predecir actividades antifúngicas y antituberculosas.