Los péptidos antimicrobianos ( AMP ), también llamados péptidos de defensa del hospedador ( HDPs, por sus siglas en inglés ) son parte de la respuesta inmune innata que se encuentra en todas las clases de la vida. Existen diferencias fundamentales entre las células procariotas y las eucariotas que pueden representar objetivos para los péptidos antimicrobianos . Estos péptidos son antibióticos potentes de amplio espectro que demuestran su potencial como nuevos agentes terapéuticos. Se ha demostrado que los péptidos antimicrobianos destruyen bacterias Gram negativas y Gram positivas , virus envueltos, hongos e incluso células transformadas o cancerosas. [1]A diferencia de la mayoría de los antibióticos convencionales, parece que los péptidos antimicrobianos frecuentemente desestabilizan las membranas biológicas , pueden formar canales transmembrana y también pueden tener la capacidad de mejorar la inmunidad al funcionar como inmunomoduladores .
Estructura [ editar ]
Los péptidos antimicrobianos son un grupo único y diverso de moléculas, que se dividen en subgrupos en función de su composición y estructura de aminoácidos. [2] Los péptidos antimicrobianos están 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 hidrófobos. [3] [4] [5] Las estructuras secundarias de estas moléculas siguen 4 temas, que incluyen i) α-helicoidal , ii) β-stranded debido a la presencia de 2 o más enlaces disulfuro, iii) horquilla o bucle β debido a la presencia de un solo enlace disulfuro y / o ciclación de la cadena peptídica, y iv) extendido. [6] Muchos de estos péptidos no están estructurados en solución libre y se pliegan en su configuración final al dividirlos en membranas biológicas. Contiene residuos de aminoácidos hidrófilos alineados a lo largo de un lado y residuos de aminoácidos hidrófobos alineados a lo largo del lado opuesto de una molécula helicoidal. [2] Esta anfipatía de los péptidos antimicrobianos les permite repartirse en la membrana de la bicapa lipídica. La capacidad de asociarse con membranas es una característica definitiva de los péptidos antimicrobianos [7] [8]aunque no es necesaria la permeabilización de la membrana. Estos péptidos tienen una variedad de actividades antimicrobianas que van desde la permeabilización de la membrana hasta la acción en un rango de objetivos citoplásmicos.
| Tipo | característica | Amp |
|---|---|---|
| Péptidos aniónicos | Rico en ácidos glutámicos y aspárticos. | Maximin H5 de anfibios, Dermcidin de humanos |
| Péptidos α-helicoidales catiónicos lineales | falta de cisteina | Cecropinas , andropina, moricina , ceratotoxina y melitina de insectos, Magainina , dermaseptina , bombinina, brevinina-1, esculentinas y buforina II de anfibios, CAP18 de conejos, LL37de humanos |
| Péptido catiónico enriquecido para aminoácidos específicos. | Rico en prolina, arginina, fenilalanina, glicina, triptófano | Abaecina, apidaecinas de las abejas, la propina de los cerdos, laindolicidina del ganado. |
| Péptidos aniónicos y catiónicos que contienen cisteína y forman enlaces disulfuro | contiene 1 ~ 3 enlaces disulfuro | 1 enlace: brevinins, 2 enlaces: protegrina de cerdo, taquiplesinasde cangrejos de herradura, 3 enlaces: defensinas de humanos, más de 3: drosomicina en moscas de la fruta |
Actividades [ editar ]
Los modos de acción por los cuales los péptidos antimicrobianos matan a los microbios son variados, [9] y pueden diferir para diferentes especies bacterianas. [10] Algunos péptidos antimicrobianos matan tanto a las bacterias como a los hongos, por ejemplo, la psoriasina mata a la E. coli y varios hongos filamentosos. [11] La membrana citoplásmicaes un objetivo frecuente, pero los péptidos también pueden interferir con la síntesis de proteínas y ADN, el plegamiento de proteínas y la síntesis de la pared celular. [9]El contacto inicial entre el péptido y el organismo objetivo es electrostático, ya que la mayoría de las superficies bacterianas son aniónicas o hidrófobas, como en el péptido antimicrobiano piscidina. Su composición de aminoácidos, anfipatía, carga catiónica y tamaño les permite unirse e insertarse en bicapas de membrana para formar poros mediante mecanismos de "barril", "alfombra" o "poro toroidal". Alternativamente, pueden penetrar en la célula para unirse a moléculas intracelulares que son cruciales para la vida celular. [12]Los modelos de unión intracelular incluyen la inhibición de la síntesis de la pared celular, la alteración de la membrana citoplásmica, la activación de la autolisina, la inhibición de la síntesis de ADN, ARN y proteínas, y la inhibición de ciertas enzimas. Sin embargo, en muchos casos, el mecanismo exacto de la muerte no se conoce. Una técnica emergente para el estudio de tales mecanismos es la interferometría de polarización dual . [13] [14] En contraste con muchos antibióticos convencionales, estos péptidos parecen ser bactericidas [1] en lugar de bacteriostáticos . En general, la actividad antimicrobiana de estos péptidos se determina midiendo la concentración inhibitoria mínima (CIM), que es la concentración más baja de fármaco que inhibe el crecimiento bacteriano.[15]
Las AMP pueden tener múltiples actividades, entre ellas, bacterias bacterianas anti-grampositivas, bacterianas anti-gram-negativas, antifúngicas, antivirales, antiparasitarias y contra el cáncer. Un gran análisis funcional de AMP indica que, entre todas las actividades de AMP, la anfipatía y la carga, dos propiedades principales de los AMP, distinguen mejor entre los AMP con y sin actividades bacterianas anti-gramnegativas. [16] Esto implica que ser AMP con actividad bacteriana anti-gram-negativa puede preferir o incluso requerir una fuerte anfipatía y una carga neta positiva.
Inmunomodulación [ editar ]
Además de matar las bacterias directamente que se ha demostrado que tienen un número de inmunomoduladores funciones que pueden estar implicados en el aclaramiento de la infección, incluyendo la capacidad de alterar la expresión del gen huésped, actuar como quimioquinas y / o inducir quimiocinasproducción, la inhibición de lipopolisacárido inducida pro Producción de citoquinas inflamatorias , que promueve la curación de heridas y la modulación de las respuestas de las células dendríticas.y células de la respuesta inmune adaptativa. Los modelos animales indican que los péptidos de defensa del huésped son cruciales tanto para la prevención como para la eliminación de la infección. Parece que muchos péptidos aislados inicialmente y denominados "péptidos antimicrobianos" han demostrado tener funciones alternativas más significativas in vivo (por ejemplo, hepcidina [17] ). Dusquetide, por ejemplo, es un inmunomodulador que actúa a través de p62, una proteína involucrada en la señalización de infección basada en el receptor, como el receptor. El péptido se está examinando en un ensayo clínico de Fase III con Soligenix (SGNX) para determinar si puede ayudar en la reparación del daño inducido por radiación en la mucosa oral que surge durante la radioterapia del cáncer en la cabeza y el cuello. [18]
Mecanismos de acción [ editar ]
Los péptidos antimicrobianos que poseen una carga neta positiva son atraídos e incorporados en membranas bacterianas cargadas negativamente. Una vez dentro de la membrana, se cree que causan interrupción a través de tres mecanismos posibles:
- formación de poro toroidal
- formación de alfombras
- formacion de madera de barril
Aunque las características específicas de cada mecanismo difieren, todas proponen la ruptura de la membrana inducida por péptidos, lo que permite una fuga citoplásmica que finalmente conduce a la muerte.
Trabajos recientes han pintado un cuadro más complejo de la actividad del péptido antimicrobiano. Los péptidos antimicrobianos también pueden funcionar como inhibidores metabólicos, inhibidores de la síntesis de ADN, ARN y proteínas, e inhibidores de la síntesis de la pared celular o formación de septo. También se sabe que causan agregación ribosomal y deslocalizan las proteínas de la membrana.
Añadiendo una capa adicional de complejidad, muchos péptidos antimicrobianos naturales poseen una actividad bactericida débil. En lugar de inhibir directamente el crecimiento bacteriano, ahora se sabe que actúan en concierto con el sistema inmunitario del huésped a través de mecanismos que incluyen la inducción de quimioquinas, la liberación de histamina y la modulación de la angiogénesis. Estos efectos inmunomoduladores han comenzado recientemente a recibir atención.
Se han usado varios métodos para determinar los mecanismos de la actividad del péptido antimicrobiano. [10] [12]En particular, los estudios de RMN en estado sólido han proporcionado una explicación a nivel atómico de la ruptura de la membrana por los péptidos antimicrobianos. [19] [20] En años más recientes, la cristalografía de rayos X se ha utilizado para delinear en detalle atómico cómo la familia de defensinas de las plantas rompe lasmembranas al identificar los fosfolípidos clave en las membranas celulares del patógeno. [21] [22] Se ha pensado que las defensinas humanas actúan a través de un mecanismo similar, dirigiéndose a los lípidos de la membrana celular como parte de su función. De hecho la beta-defensina humana 2ahora se ha demostrado que matan a los hongos patógenos Candida albicans a través de interacciones con fosfolípidos específicos. [23]
| Los metodos | Aplicaciones |
|---|---|
| Microscopía | para visualizar los efectos de los péptidos antimicrobianos en las células microbianas |
| Espectroscopia de emisión atómica | para detectar la pérdida de potasio intracelular (una indicación de que la integridad de la membrana bacteriana ha sido comprometida) |
| Tintes fluorescentes | para medir la capacidad de los péptidos antimicrobianos para permeabilizar las vesículas de membrana |
| Formación de canales iónicos | para evaluar la formación y estabilidad de un poro inducido por un péptido antimicrobiano |
| Dicroísmo circular y dicroísmo circular orientado. | para medir la orientación y la estructura secundaria de un péptido antimicrobiano unido a una bicapa lipídica |
| Interferometría de polarización dual | Medir los diferentes mecanismos de los péptidos antimicrobianos. |
| Espectroscopia de RMN de estado sólido | para medir la estructura secundaria, la orientación y la penetración de péptidos antimicrobianos en bicapas lipídicas en el estado líquido-cristalino biológicamente relevante |
| Difracción de neutrones y rayos X | para medir los patrones de difracción de poros inducidos por péptidos dentro de membranas en multicapas orientadas o líquidos |
Uso terapéutico [ editar ]
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. A partir de enero de 2018, los siguientes péptidos antimicrobianos estaban en uso clínico: [24]
- Bacitracina para neumonía, tópica.
- Boceprevir , Hepatitis C (oral, péptido cíclico)
- Dalbavancin , infecciones bacterianas, IV
- Daptomicina , infecciones bacterianas, IV
- Enfuvirtida , VIH, inyección subcutánea.
- Oritavancin , infecciones bacterianas, IV
- Teicoplanina , infecciones bacterianas, IV
- Telaprevir , hepatitis C, péptido cíclico oral
- Telavancina , infección bacteriana, IV
- Vancomicina , infección bacteriana, IV.
- Guavanin 2 , infección bacteriana contra Gram-positivos y Gram-negativos también.
Investigación [ editar ]
Algunas cecropinas (por ejemplo, la cecropina A y la cecropina B) tienen propiedades anticancerígenas y se llaman péptidos anticancerígenos (ACP). [25] : 3 ACP híbridos basados en Cecropin A han sido estudiados por sus propiedades anticancerígenas. [25] : 7.1 Recientemente se han realizado algunas investigaciones para identificar posibles péptidos antimicrobianos de procariotas, [26] organismos acuáticos como el pescado [27] [28] y mariscos, [29] y monotremas como los equidnas. [30] [31]
Selectividad [ editar ]
En la competición de células bacterianas y células huésped con los péptidos antimicrobianos, los péptidos antimicrobianos interactuarán preferentemente con la célula bacteriana a las células de mamíferos, lo que les permite matar microorganismos sin ser significativamente tóxicos para las células de mamíferos. [32] Laselectividad es una característica muy importante de los péptidos antimicrobianos y puede garantizar su función como antibióticos en los sistemas de defensa del huésped.
Con respecto a las células cancerosas , ellas 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 siempre sea alta contra las células cancerosas. [33] [34]
Factores [ editar ]
Hay algunos factores que están estrechamente relacionados con la propiedad de selectividad de los péptidos antimicrobianos, entre los cuales la propiedad catiónica es la que más contribuye. Dado que la superficie de las membranas bacterianas está más cargada negativamente que las células de mamíferos, los péptidos antimicrobianos mostrarán diferentes afinidades hacia las membranas bacterianas y las membranas de células de mamíferos. [35]
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 agentes estabilizadores de la membrana, pero está ausente en las membranas celulares bacterianas; y la presencia de estos colesteroles también generalmente reducirá las actividades de los péptidos antimicrobianos, debido a la estabilización de la bicapa lipídica o a las interacciones entre el colesterol y el péptido. Por lo tanto, el colesterol en las células de mamíferos protegerá a las células del ataque de los péptidos antimicrobianos. [36]
Además, se sabe que el potencial transmembrana afecta las interacciones péptido-lípido. [37] Existe un potencial transmembrana negativo interno desde el prospecto externo hasta el prospecto interno de las membranas celulares y este potencial transmembrana negativo interno 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 las membranas bacterianas serán propensas a ser atacadas por los péptidos antimicrobianos cargados positivamente.
De manera similar, también se cree que el aumento de la fuerza iónica , [36] 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 [ editar ]
Las membranas celulares de las bacterias son ricas en fosfolípidos ácidos , como el fosfatidilglicerol y la cardiolipina . [32] [38]Estos grupos de cabeza de fosfolípidos están muy cargados negativamente. Por lo tanto, las hojas externas de la bicapa que están expuestas al exterior de las membranas bacterianas son más atractivas para el ataque de los péptidos antimicrobianos cargados positivamente. Por lo tanto, la interacción entre las cargas positivas de los péptidos antimicrobianos y las membranas bacterianas con carga negativa se debe principalmente a las interacciones electrostáticas, que es la principal fuerza impulsora de la asociación celular. Además, dado que los péptidos antimicrobianos forman estructuras con una cara cargada positivamente, así como una cara hidrófoba, también hay algunas interacciones hidrófobas entre las regiones hidrófobas de los péptidos antimicrobianos y la zwitteriónica. Superficie de fosfolípidos (eléctricamente neutros) de las membranas bacterianas, que actúan solo como un efecto menor en este caso.
En contraste, la parte externa de las membranas de las plantas y los mamíferos está compuesta principalmente de lípidos sin ninguna carga neta, ya que la mayoría de los lípidos con grupos de cabeza cargados negativamente se secuestran principalmente en la hoja interna de las membranas plasmáticas. [35] Por lo tanto, en el caso de las células de mamíferos, las superficies externas de las membranas suelen estar hechas de fosfatidilcolina zwitteriónica y esfingomielina , aunque una pequeña parte de las superficies externas de la membrana contienen algunos gangliósidos con carga negativa. Por lo tanto, la interacción hidrófoba entre la cara hidrófoba de los péptidos antimicrobianos anfipáticos y los fosfolípidos zwitteriónicos en la superficie celular de las membranas celulares de los mamíferos desempeña un papel importante en la formación de la unión péptido-célula. [39] Sin embargo, la interacción hidrófoba es relativamente débil en comparación con la interacción electrostática, por lo tanto, los péptidos antimicrobianos interactuarán preferentemente con las membranas bacterianas. [ cita requerida ]
La interferometría de polarización dual se ha utilizado in vitro para estudiar y cuantificar la asociación al grupo de la cabeza, la inserción en la bicapa, la formación de poros y la eventual interrupción de la membrana. [40] [41]
Control [ editar ]
Se ha puesto mucho esfuerzo en controlar la selectividad celular. Por ejemplo, se han hecho intentos para modificar y optimizar los parámetros fisicoquímicos de los péptidos para controlar las selectividades, incluida la carga neta, la helicidad , la hidrofobicidad por residuo (H), el momento hidrofóbico (μ) y el ángulo subtendido por la hélice polar cargada positivamente. cara (Φ). [37] Otros mecanismos como la introducción de D- aminoácidos.y se cree que los aminoácidos fluorados en la fase hidrófoba rompen la estructura secundaria y, por lo tanto, reducen la interacción hidrófoba con células de mamíferos. También se ha encontrado que la sustitución de Pro → Nlys en los péptidos antimicrobianos de giro β que contienen Pro era una estrategia prometedora para el diseño de nuevos péptidos antimicrobianos de células bacterianas pequeñas con mecanismos de acción intracelulares. [42] 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 Salmonellay E. coli . [43]
La resistencia bacteriana [ editar ]
Las bacterias utilizan diversas estrategias de resistencia para evitar la destrucción de péptidos antimicrobianos. [12] Algunos microorganismos alteran las cargas netas de la superficie. Staphylococcus aureus transporta D-alanina desde el citoplasma a la superficie del ácido teicoico, lo que reduce la carga negativa neta al introducir grupos amino básicos. [44] S. aureus también modifica sus membranas aniónicas a través de MprF con L-lisina, aumentando la carga neta positiva. [44] La interacción de los péptidos antimicrobianos con dianas de membrana puede estar limitada por el polisacárido en cápsula de Klebsiella pneumoniae . [45] Alteraciones ocurren en el lípido A. Salmonella.las especies reducen la fluidez de su membrana externa al aumentar las interacciones hidrofóbicas entre un mayor número de colas de lípido A del lípido A al agregar miristato al lípido A con 2-hidroximististato y formar el lípido A heptaacilado al agregar palmitato. Se cree que el aumento del momento hidrófobo retrasa o anula la inserción de péptidos antimicrobianos y la formación de poros. Los residuos sufren alteración en las proteínas de membrana. En algunas bacterias gramnegativas, la alteración en la producción de proteínas de la membrana externa se correlaciona con la resistencia a la muerte por péptidos antimicrobianos. [46] Hemophilus influenzae no tipificable transporta los AMP al interior de la célula, donde se degradan. Además, H. influenzaeremodela sus membranas para que parezca que la AMP ya ha atacado con éxito a la bacteria, protegiéndola de ser atacada por más AMP. [47] Los transportadores de casetes de unión a ATP importan péptidos antimicrobianos y la bomba de flujo de salida de división celular de nodulación por resistencia exporta péptidos antimicrobianos. [48] Ambos transportadores se han asociado con resistencia a los péptidos antimicrobianos. Las bacterias producen enzimas proteolíticas, que pueden degradar los péptidos antimicrobianos, lo que lleva a su resistencia. [49] Las vesículas de la membrana externa producidas por bacterias gramnegativas se unen a los péptidos antimicrobianos y los secuestran de las células, protegiendo así las células. [50]También se sabe que las vesículas de la membrana externa contienen varias proteasas, peptidasas y otras enzimas líticas, que pueden tener un papel en la degradación del péptido extracelular y las moléculas de ácido nucleico, que si se les permite llegar a las células bacterianas pueden ser peligrosas para las células. Laseñalización cíclica-di-GMP también había participado en la regulación de la resistencia a los péptidos antimicrobianos en Pseudomonas aeruginosa [51]
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 puede hacer que la resistencia se produzca con mayor frecuencia y más rápido. En algunos casos, la resistencia a estos péptidos utilizados como un producto farmacéutico para tratar problemas médicos puede conducir a la resistencia, no solo a la aplicación médica de los péptidos, sino a la función fisiológica de esos péptidos. [52] [53]
El enfoque de 'Caballo de Troya' para resolver este problema capitaliza la necesidad innata de hierro por parte de los patógenos. Los antimicrobianos de "contrabando" en el patógeno se logran vinculándolos a los sideróforos para el transporte. Si bien su concepto es simple, ha costado muchas décadas de trabajo lograr el difícil obstáculo del transporte de 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 con sideróforos evaluados durante el desarrollo de agentes novedosos que utilizan el enfoque del "caballo de Troya". [54]
Ejemplos [ editar ]
Péptidos antimicrobal son producidos por todas las especies conocidas, incluyendo péptidos de bacterias , de hongos , de hidra , insectos ( mastoparán , poneratoxin , cecropina , moricin , melitina y otros), [55] ranas ( magainina , dermaseptina y otros), [56] aviar (por ejemplo, catelicidina y defensinas ), [57] y mamíferos (por ejemplo, catelicidinas , defensinas y protegrinas). La investigación ha aumentado en los últimos años para desarrollar imitadores diseñados artificialmente de péptidos antimicrobianos como los SNAPP , en parte debido al costo prohibitivo de producir AMP de origen natural. [58] Un ejemplo de esto es el péptido C18G facialmente catiónico , que se diseñó a partir del dominio C-terminal del factor plaquetario IV humano. [59] 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.
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