Ученые лаборатории биоэлектрохимии и лаборатории новых физико-химических проблем ИФХЭ РАН совместно с учеными ИОНХ РАН разработали новый метод предсказания структуры фотосенсибилизаторов для антимикробной фотодинамической терапии. Сочетая молекулярно-динамическое моделирование и биофизические эксперименты с липидными мембранами, ученые выявили структурные особенности молекул, обеспечивающие наилучшие антимикробные свойства в ряду родственных соединений. На основе полученных результатов было синтезировано соединение (порфирин фосфора(V)), антимикробная активность которого по отношению к такой важной внутрибольничной инфекции, как Acinetobacter baumannii, не уступает активности антибиотика «Колистин», а по отношению к кишечной палочке (Escherichia coli) почти в два раза превосходит активность антибиотика «Ампицилин».
Предложен новый способ предсказания антимикробной активности фотосенсибилизаторов / ©Пресс-служба ИФХЭ РАН
Результаты опубликованы в Frontiers in Molecular Biosciences. Фотосенсибилизаторы – это класс соединений, способных поглощать энергию квантов света и передавать ее другим молекулам, в первую очередь, кислороду, переводя его в возбужденное состояние, так называемый синглетный кислород, а также другие активные формы кислорода (АФК). АФК способны повреждать патологические клетки, что позволяет использовать фотосенсибилизаторы в качестве агентов для фотодинамической терапии. Обнаружение антимикробной активности фотосенсибилизирующих веществ привело к развитию нового направления в медицине — антимикробной фотодинамической терапии.
Сегодня использование антимикробной фотодинамической терапии, по большей части, ограничивается стоматологией и дерматологией. Хотя современные оптоволоконные устройства позволяют осветить почти любой орган, развитие фотодинамической антимикробной терапии затрудняется из-за слабой растворимости целевых веществ и их низкой стабильности. Самый большой их недостаток — неспособность воздействовать на одни только болезнетворные микробы, обходя полезные микроорганизмы. Поэтому поиск новых эффективных селективных фотосенсибилизаторов для борьбы с бактериями – это важная и актуальная задача. Среди наиболее изучаемых фотосенсибилизаторов в настоящее время используются соединения класса порфиринов, как природные, так и синтетические.
Исследования показывают, что разные молекулы фотосенсибилизаторов взаимодействуют с бактериями по-разному. Соответственно, синглетный кислород поражает разные структуры, например, мембрану клетки, или цитоплазму, или ДНК. При этом особо важно значение имеет расположение фотосенсибилизатора в клеточной мембране.
Взаимодействие молекулы фотосенсибилизатора с бактериальной клеткой зависит от химической структуры соединения, молекулярной массы, заряда, липофильных и гидрофильных свойств и так далее. Определение зависимости антимикробной активности от структуры фотосенсибилизирующей молекулы и стало главной задачей описанного исследования. Ранее сотрудниками ИФХЭ РАН было продемонстрировано, что фотодинамическая активность как порфиринов, так и их аналогов – фталоцианинов, непосредственно связана с их способностью внедряться в клеточную мембрану бактерии.
«В данной работе мы стремились выяснить, какие структурные особенности молекулы определяют ее эффективные антимикробные свойства при облучении светом. Мы провели биофизические исследования адсорбции, проницаемости и фотодинамической активности серии порфиринов фосфора на модельной липидной мембране. Соединения синтезированы в лаборатории новых физико-химических проблем ИФХЭ РАН в группе главного научного сотрудника нашего института и ИОНХ РАН, академика РАН Юлии Горбуновой.
Также мы проделали полноатомное молекулярно-динамическое моделирования взаимодействия молекулы с липидным матриксом бактериальной клетки, провели необходимые квантово-химические расчеты и эксперименты на двух культурах грамотрицательных бактерий. В результате выяснилось, что порфирины фосфора, проявлявшие антимикробную активность, располагались внутри клеточной мембраны параллельно ее поверхности. Порфирины с другим расположением лигандов антимикробную активность не проявляли.
Таким образом, наша работа открывает путь для направленного поиска новых фотосенсибилизаторов для антимикробной фотодинамической терапии» – рассказал заместитель директора ИФХЭ РАН по научной работе, заведующий лабораторией биоэлектрохимии, доктор физико-математических наук Олег Батищев.
Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) еще в 2014 году декларировала, что все больше и больше бактерий становятся нечувствительными к антибиотикам. От болезней, вызванных антибиотикорезистентными бактериями, ежегодно умирает около 700 тысяч человек. Предполагается, что это количество вырастет к 2050 году до 10 миллионов. Возможно, даже больше, из-за того, что во время пандемии, связанной с Covid-19, многократно и бесконтрольно увеличилось применение антибиотиков. При этом принципиально новые антибиотики на рынке появляются все меньше. В этой ситуации большое значение имеет создание новых, не использующих антибиотиков, методов борьбы с микробами.
«Ценность нашего результата — не только в том, что удалось синтезировать соединение, проявляющее высокую антимикробную активность по отношению к двум бактериям. Мы получили инструмент, благодаря которому можно предсказывать свойства новых потенциальных фотосенсибилизаторов. Метод заключается в сочетании биофизических экспериментов с компьютерным молекулярным моделированием, позволяющих направленно получать фотосенсибилизаторы с высокой антимикробной активностью» – отметила руководитель работ, академик РАН Юлия Германовна Горбунова. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Научного Фонда.
