Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.



СІМЕЙНІ ЛІКАРІ ТА ТЕРАПЕВТИ
день перший
день другий

АКУШЕРИ ГІНЕКОЛОГИ

КАРДІОЛОГИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, РЕВМАТОЛОГИ, НЕВРОЛОГИ, ЕНДОКРИНОЛОГИ

СТОМАТОЛОГИ

ІНФЕКЦІОНІСТИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, ПЕДІАТРИ, ГАСТРОЕНТЕРОЛОГИ, ГЕПАТОЛОГИ
день перший
день другий

ТРАВМАТОЛОГИ

ОНКОЛОГИ, (ОНКО-ГЕМАТОЛОГИ, ХІМІОТЕРАПЕВТИ, МАМОЛОГИ, ОНКО-ХІРУРГИ)

ЕНДОКРИНОЛОГИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, ПЕДІАТРИ, КАРДІОЛОГИ ТА ІНШІ СПЕЦІАЛІСТИ

ПЕДІАТРИ ТА СІМЕЙНІ ЛІКАРІ

АНЕСТЕЗІОЛОГИ, ХІРУРГИ

"Child`s Health" Том 15, №2, 2020

Back to issue

Drug control of biofilm dispersion due to regulation of the activity of bacterial cyclic guanosine monophosphate (part 2)

Authors: Абатуров А.Е.
ГУ «Днепропетровская медицинская академия МЗ Украины», г. Днепр, Украина

Categories: Pediatrics/Neonatology

Sections: Specialist manual

print version


Summary

Інфекційний процес, викликаний патогенними бактеріями, може супроводжуватися формуванням біоплівки, що зумовлює збереження бактерій і зниження ефективності дії антибактеріальних засобів. Розробка препаратів, що сприяють диспергуванню бактеріальної біоплівки, є одним з найважливіших терапевтичних напрямків, що сприяють вирішенню проблеми лікування бактеріальних інфекцій, викликаних мікроорганізмами, резистентними до дії антибактеріальних засобів. Однією з цільових молекул, що беруть участь у формуванні бактеріальних біоплівок і можуть бути піддані медикаментозній регуляції, є вторинна месенджерна нуклеозидна молекула — циклічний дигуанозинмонофосфат (ц-ди-ГМФ). Медикаментозне пригнічення внутрішньобактеріальної концентрації месенджерної молекули ц-ди-ГМФ або блокування її активності дозволяє запобігти формуванню і викликати руйнування бактеріальної біоплівки, що супроводжується збільшенням ефективності лікування бактеріальних інфекцій. Зниження рівня внутрішньобактеріальної концентрації ц-ди-ГМФ може бути досягнуто інгібуванням процесів синтезу за рахунок 1) пригнічення активності DGC; 2) обмеження доступності субстратів, необхідних для синтезу ц-ди-ГМФ; 3) посилення деградації молекули ц-ди-ГМФ за рахунок підвищення активності PDE. Терапія інфекційних захворювань, які супроводжуються формуванням біоплівок, вимагає медикаментозної індукції диспергування бактерій із біоплівок і застосування цілеспрямованих антибіотичних лікарських засобів, що викликають загибель вивільнених із біоплівок бактерій. Використання аналогів ц-ди-ГМФ, що порушують функціонування нативного ц-ди-ГМФ, і блокування таргетних рецепторів та інших молекулярних структур також може призводити до диспергування бактеріальної біоплівки. Лікарські засоби, що модулюють активність ц-ди-ГМФ, дозволять підвищити ефективність лікування бактеріальних інфекцій, що супроводжуються формуванням біоплівок.

Инфекционный процесс, вызванный патогенными бактериями, может сопровождаться формированием биопленки, что предопределяет сохранность бактерий и снижение эффективности действия антибактериальных средств. Разработка препаратов, которые способствуют диспергированию бактериальной биопленки, является одним из важнейших терапевтических направлений, способствующих решению проблемы лечения бактериальных инфекций, вызванных микроорганизмами, резистентными к действию антибактериальных средств. Одной из целевых, участвующих в формировании биопленок бактериальных молекул, которые могут быть подвергнуты медикаментозной регуляции, является вторичная мессенджерная нуклеозидная молекула — циклический дигуанозинмонофосфат (ц-ди-ГМФ). Медикаментозное подавление внутрибактериальной концентрации мессенджерной молекулы ц-ди-ГМФ или блокирование ее активности позволяет предотвратить формирование и вызвать разрушение бактериальной биопленки, что сопровождается повышением эффективности лечения бактериальных инфекций. Снижение уровня внутрибактериальной концентрации ц-ди-ГМФ может быть достигнуто ингибированием процессов синтеза за счет 1) подавления активности DGC; 2) ограничения доступности субстратов, необходимых для синтеза ц-ди-ГМФ; 3) усиления деградации молекулы ц-ди-ГМФ за счет усиления активности PDE. Терапия инфекционных заболеваний, которые сопровождаются формированием биопленок, требует медикаментозной индукции диспергирования бактерий из биопленок и применения целенаправленных антибиотических лекарственных средств, вызывающих гибель высвобожденных из биопленок бактерий. Использование аналогов ц-ди-ГМФ, нарушающих функционирование нативного ц-ди-ГМФ, и блокирование таргетных рецепторов и других молекулярных структур также может приводить к диспергированию бактериальной биопленки. Лекарственные средства, модулирующие активность ц-ди-ГМФ, позволят повысить эффективность лечения бактериальных инфекций, которые сопровождаются формированием биопленок.

The infectious process caused by pathogenic bacteria can be accompanied by the formation of a biofilm, which determines the safety of bacteria and a decrease in the effectiveness of antibacterial agents. The development of drugs that contribute to the dispersion of bacterial biofilms is one of the most important therapeutic areas that contribute to solving the problem of treating bacterial infections caused by microorganisms that are resistant to antibacterial agents. One of the target bacterial molecules involved in biofilm formation, which can be subjected to drug regulation, is a secondary messenger nucleoside molecule — cyclic dinucleotide GMP (c-di-GMP). Drug suppression of the level of intra-bacterial concentration of the messenger molecule of c-di-GMP or blocking its activity helps prevent the formation and causes the destruction of the bacterial biofilm, which is accompanied by an increase in the level of effectiveness of treatment of bacterial infections. A decrease in the level of intra-bacterial concentration of c-di-GMP can be achieved by inhibiting the synthesis processes due to: 1) suppression of diguanylate cyclase activity; 2) restrictions on the availability of substrates required for the synthesis of c-di-GMP; 3) increased degradation of the c-di-GMP molecule due to activation of phosphodiesterase activity. The treatment of infectious diseases, which are accompanied by the formation of biofilms, requires the medical induction of the dispersion of bacteria from biofilms and the use of targeted antibiotic drugs that cause the death of bacteria released from biofilms. The use of analogues of c-di-GMP, which disrupt the functioning of native c-di-GMP, and the blocking of targeted receptors and other molecular structures can also lead to dispersion of the bacterial biofilm. Medicines that modulate the activity of ­c-di-GMP will increase the effectiveness of the treatment of bacterial infections, which are accompanied by the formation of biofilms.


Keywords

бактеріальні біоплівки; диспергування; ц-ди-ГМФ; антибіоплівкова терапія

бактериальные биопленки; диспергирование; ц-ди-ГМФ; антибиопленочная терапия

bacterial biofilms; dispersion; c-di-GMP; antibiofilm therapy

2. Медикаментозная активация диспергирования бактериальной биопленки за счет снижения концентрации или активности циклического дигуанозинмонофосфата

Снижение уровня внутрибактериальной концентрации циклического дигуанозинмонофосфата (ц-ди-ГМФ) может быть достигнуто ингибированием процессов синтеза за счет 1) подавления активности DGC; 2) ограничения доступности субстратов, необходимых для синтеза ц-ди-ГМФ; 3) усиления деградации молекулы ц-ди-ГМФ за счет усиления активности PDE. Использование аналогов ц-ди-ГМФ, нарушающих функционирование нативного ц-ди-ГМФ, и блокирование таргетных рецепторов и других молекулярных структур также может приводить к диспергированию бактериальной биопленки. 
2.1. Подавление синтеза циклического дигуанозинмонофосфата
Неспецифические ингибиторы DGC представляют собой класс наиболее эффективных лекарственных средств, подавляющих образование и способствующих диспергированию бактериальных биопленок. 
Гликозилированный тритерпеноидный сапонин
Одним из первых идентифицированных ингибиторов DGC был гликозилированный тритерпеноидный сапонин (рис. 5), полученный из экстракта гороха садового (Pisum sativum) [34]. 
Однако данная молекула не получила развития и не стала лекарственным средством.
Папулакандин B
Антибиотик папулакандин B (Papulacandin B) (рис. 6) также обладает ингибирующей активностью в отношении DGC со значением IC50 70 мкМ [34]. 
N-(4-анилинофенил) бензамид
N-(4-анилинофенил) бензамид (N-(4-anilinophenyl)benzamide) (рис. 7), ингибируя активность DGC, существенно подавляет образование биопленки бактериями Pseudomonas aeruginosa [43].
Соединения Amb2250085 27a и Amb379455 27b
Соединения Amb2250085 27a и Amb379455 27b (рис. 8) связываются с активным сайтом PleD бактериальных дигуанилатциклаз DGC и подавляют их активность [47].
Соединения LP 3134, LP 3145, LP 4010 и LP 1062
Karthik Sambanthamoorthy и соавт. [42] идентифицировали четыре малые молекулы LP 3134, LP 3145, LP 4010 и LP 1062 (рис. 9), которые непосредственно взаимодействуют с DGC бактерий Pseudomonas aeruginosa, Acinetobacter baumannii и подавляют активность данных ферментов, обусловливая диспергирование биопленки.
Малые молекулы LP непосредственно связываются с ферментами DGC. Так, соединения LP 3145, LP 4010 и LP 1062 образуют две водородные связи, а LP 3134 — три водородные связи с N335 домена PleD молекул DGC. Авторы полагают, что модификация данных соединений будет способствовать разработке мощных ингибиторов бактериальных DGC, которые найдут место в клинической практике [42].
Необходимо отметить наличие подобия молекулярных структур соединений LP 3134 и Amb379455. Молекулы данных ингибиторов DGC характеризуются присутствием N-бензилиденбензогидразидного фрагмента, который, вероятно, и взаимодействует с аминогруппой (Asn335 остаток) активного сайта DGC. Также эти молекулы содержат пирогаллольный фрагмент, который может блокировать AHL-опосредованную передачу сигналов между бактериями [36].
2.2. Снижение доступности субстрата для синтеза циклического дигуанозинмонофосфата
Сульфатиазол
Молекула сульфатиазола (Sulfathiazole) состоит из свободного анилина, ароматического сульфонамида и тиазольного кольца, образующих двустороннюю структуру, которая изогнута вокруг сульфонамидного фрагмента (рис. 10). 
Сульфатиазол представляет собой первый пример лекарственного средства, способного влиять на образование биопленки, нарушая метаболизм ц-ди-ГМФ не за счет ингибирования активности DGC, а за счет изменения соотношения пулов нуклеотидов, тем самым ограничивая доступность субстрата ц-ди-ГМФ [9].
Азатиоприн
Азатиоприн оказывает влияние на концентрацию ц-ди-ГМФ подобно сульфатиазолу [9].
2.3. Усиление деградации циклического дигуанозинмонофосфата
NO-доноры
Лекарственные средства, которые являются NO-донорами, оказывают выраженное ингибирующее действие на бактериальную биопленку. Продемонстрировано, что низкие нетоксичные концентрации оксида азота (NO) индуцируют диспергирование бактериальных биопленок. Также NO повышает подвижность бактерий и их восприимчивость к действию антибактериальных средств. Оксид азота стимулирует генерацию PDE, что приводит к снижению внутриклеточных уровней ц-ди-ГМФ в бактериях. Помимо снижения внутриклеточного уровня ц-ди-ГМФ, NO-доноры вызывают подавление синтеза пиовердина, который является сидерофором, ответственным за рекрутирование железа, необходимого для формирования биопленки [14, 23, 24].
Для оказания антибактериального эффекта наиболее часто используются два типа NO-доноров: диолат диазения (N-диазениумдиолат) (NONOate) и S-нитрозотиол (RSNO), которые могут высвобождать NO в определенных условиях. Одна молекула NONOate спонтанно высвобождает две молекулы NO, в то время как одна молекула RSNO высвобождает одну молекулу NO. Необходимо отметить, что молекула NONOate высвобождает молекулы NO в физиологических условиях, а RSNO выделяют NO после воздействия ультрафиолетового излучения, высокой температуры, ионов металлов, кислот или ферментов [2, 55]. 
Использование газообразного NO или спонтанных NO-доноров сопряжено с побочными эффектами из-за потенциальной цитотоксичности NO в результате его системного действия, отсутствия специфичности его действия на бактериальные биопленки.
Для разрешения данной проблемы также разработаны стерически затрудненные аналоги NO — нитроксиды, которые проявляют биологическое действие как NO-миметики. Нитроксиды, или аминоксилы, представляют собой класс стабильных долгоживущих радикалов, содержащих дизамещенный атом азота, связанный с одновалентным атомом кислорода [33]. Поскольку нитроксидные структуры обладают неспаренным электроном, который делокализован по азотно-кислородной связи, нитроксиды представляют собой стерически затрудненную версию оксида азота. Нитроксиды — карбокси-TEMPO (4-карбокси-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил), CTMIO (5-карбокси-1,1,3,3-тетраметилизоиндолин-2-илоксил) и DCTEIO (5,6-дикарбокси-1,1,3,3-тетраэтилизоиндолин-2-илоксил) (рис. 11) — индуцируют диспергирование биопленки бактерий Pseudomonas aeruginosa и Escherichia coli [26]. 
Новыми лекарственными NO-донорами, которые удовлетворяют клиническим требованиям, являются полимерные NO-доноры, образованные путем ковалентного конъюгирования или физического инкапсулирования малых молекул NO-доноров на полимерные платформы (хитозана, целлюлозы и альгината). Данные формы NO-доноров демонстрируют стабильность депонирования NO, пролонгированное высвобождение NO и хороший профиль фармакокинетики. В настоящее время разработаны различные полимеры, высвобождающие NO, такие как наночастицы, нановолокна и гидрогели для покрытия поверхностей катетеров [6, 40]. 
Показана возможность ингаляционного применения альгинат-полимерных NO-доноров при лечении больных с муковисцидозом. Продемонстрировано, что применение альгинат-полимерных NO-доноров способствует диспергированию биопленок основных бактериальных агентов, инфицирующих респираторный тракт больных муцовисцидозом (Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia cepacia, Staphylococcus aureus). Показано, что для индукции диспергирования биопленки аэробных бактерий требуют большей концентрации начальных доз NO, чем биопленки анаэробных бактерий [5].
Также разработаны препараты, молекула которых представляет собой соединение антибиотика и NO-донора. В частности, представлены цефалоспорин-3'- диазениумдиолаты (cephalosporin-3´-diazeniumdiolates — C3D), состоящие из цефалоспорина и присоединенного к 3'-положению его β-лактамного кольца стабилизированного N-диазениумдиолатного NO-донора. Пролекарства C3D обеспечивают селективную доставку NO к бактериальным биопленкам, так как высвобождение NO происходит при расщеплении β-лактамного кольца, которое выполняют бактериальные β-лактамазы [11]. 
Samuel A. Collins и соавт. [13] показали, что применение репрезентативного C3D, содержащего диазениумдиолат NO, донор PYRRO-NO (PYRRO-C3D), против биопленок нетипируемых бактерий Haemophilus influenzae (NTHi), выращенных на первичном реснитчатом эпителии на границе воздух — жидкость, значительно увеличивает восприимчивость биопленок NTHi к действию азитромицина, вызывая снижение жизнеспособности бактерий в 10 раз in vitro. 
Также PYRRO-C3D значительно снижает жизнеспособность планктонных и биопленочных пневмококков. Так, установлено, что по отношению к биопленкам, сформированным бактериями Streptococcus pneumoniae, PYRRO-C3D обладает более высокой эффективностью, чем азитромицин [7].
Продемонстрировано, что пролонгированное пролекарство диэтиламин-цефалоспорин-3'-диазениумдиолат (DEA-C3D) инициирует диспергирование биопленок, образованных лабораторным штаммом бактерий Pseudomonas aeruginosa PAO1. Препарат DEA-C3D селективно высвобождает NO в ответ на контакт с бактериальной β-лактамазой. Конфокальная микроскопия показала, что DEA-C3D в сочетании с тобрамицином дает такое же снижение массы биопленки, что и моноиспользование DEA-C3D, в то время как его комбинация с колистином вызывает практически полное уничтожение биопленок, сформированных бактериями Pseudomonas aeruginosa in vitro [46].
2.4. Модуляция ц-ди-ГМФ-ассоциированными эффектами при помощи синтетических аналогов ц-ди-ГМФ
Аналоги ц-ди-ГМФ, которые селективно связываются с молекулами определенного класса ц-ди-ГМФ-связывающих протеинов, могут быть использованы в качестве антибиопленочных агентов. С учетом того, что и DGC, и PDE активно взаимодействуют с ц-ди-ГМФ, молекулы различных классов ц-ди-ГМФ-связывающих протеинов могут индуцировать развитие противоположных фенотипов у бактерий, так как DGC способствуют формированию, а PDE — диспергированию биопленки. Продемонстрировано, что в присутствии катионов молекулы ц-ди-ГМФ легко образуют димеры, тетраплексы и агрегаты высшего порядка. Так, двухвалентные катионы, такие как магний, способствуют образованию димеров ц-ди-ГМФ, а одновалентные катионы, такие как калий, способствуют образованию тетраплексов и октаплексов ц-ди-ГМФ. Было сделано предположение о том, что модификация структуры молекулы ц-ди-ГМФ, которая сопровождается изменением ее агрегационной способности, может привести к индукции определенных эффектов. В 2011 году Jingxin Wang и соавт. [50] создали аналог ц-ди-ГМФ — эндо-S-ц-ди-ГМФ, у которого один из атомов кислорода в 50-мостиковой фосфодиэфирной связи был заменен на атом серы, что обусловило склонность его молекулы находиться в открытой конформации и не образовывать димерные формы. Молекула ц-ди-ГМФ в открытой конформации имеет мономерную форму и связывается с PDE, а в закрытой конформации принимает димерную форму и взаимодействует с DGC (рис. 12). 
Низкая склонность эндо-S-ц-ди-ГМФ к формированию агрегатов (по сравнению с ц-ди-ГМФ), вероятно, обусловлена затруднением преобразования открытого конформера (где два гуаниновых основания находятся на противоположных сторонах молекулы) в закрытый конформер (где два гуаниновых основания находятся со стороны молекулы). Следовательно, эндо-S-ц-ди-ГМФ обладает селективностью взаимодействия с протеинами, которые связывают мономерный, но не димерный ц-ди-ГМФ, который формируется из молекул с закрытой конформацией. Например, эндо-S-ц-ди-ГМФ взаимодействует с ферментом PDE — RocR, который связывается с мономерным ц-ди-ГМФ, подавляет гидролиз ц-ди-ГМФ и не взаимодействует с Alg44 (протеин семейства PilZ) и WspR — ферментом DGC, который связывается с димерным ц-ди-ГМФ. Авторы полагают, что будущие исследования позволят создавать аналоги ц-ди-ГМФ, которые будут селективно ингибировать продукцию протеинов, участвующих в формировании биопленки [50]. 
Silvia Fernicola и соавт. [18] исследовали аналоги ц-ди-ГМФ для выявления аллостерических ингибиторов DGC, которые не влияют на активность PDE. Они синтезировали массив новых молекул, синтезированных путем упрощения нативной структуры молекулы ц-ди-ГМФ и замены заряженного фосфодиэфирного остова изостерическим негидролизуемым 1,2,3-триазольным фрагментом. Одним из самых клинически перспективных аналогов ц-ди-ГМФ данного массива авторы считают нейтральную малую молекулу — DCI 061, способную селективно взаимодействовать как с DGC, различая ее I-сайт, так и с PDE, связываясь с ее активным сайтом (рис. 13). 
2.5. Блокирование взаимодействия ц-ди-ГМФ с молекулярными мишенями
Нарушение связывания ц-ди-ГМФ с молекулярными мишенями предотвращает развитие биопленки и способствует диспергированию. В настоящее время выделено несколько молекул, которые блокируют связывание ц-ди-ГМФ с протеинами, содержащими домен PilZ, RxxD и др.
2.5.1. Блокирование взаимодействия с протеинами, содержащими домен PilZ
Мессенджер ц-ди-ГМФ, связываясь с рецепторным протеином Alg44, активирует продукцию альгината бактериями Pseudomonas aeruginosa. Eric Zhou и соавт. [58] идентифицировали класс соединений тиолбензотриазолохиназолинона, которые ингибируют связывание ц-ди-ГМФ с Alg44 и подавляют способность бактерий Pseudomonas aeruginosa продуцировать экзополисахаридный полимер альгинат. Тиолбензотриазолохиназолиноны H19 и 925 (рис. 14) специфически ингибируют взаимодействие ц-ди-ГМФ с Alg44 за счет образования дисульфидной связи с остатком цистеина домена PilZ протеина Alg44. Соединения H19 и 925 на две трети подавляют продукцию альгината бактериями Pseudomonas aeruginosa [58]. 
2.5.2. Блокирование взаимодействия с протеинами, содержащими домен RxxD
Установлено, что эбселен (ebselen) является ингибитором аллостерического связывания ц-ди-ГМФ с рецепторами, содержащими домен RxxD, включая WspR и PelD бактерий Pseudomonas aeruginosa [27]. 
Также эбселен подавляет активность DGC, модифицируя строение ее молекулы за счет образования связи между своим ионом селена и тиолом цистеинового остатка ингибирующего сайта DGC (рис. 15) [27]. 
Эбселен способен как ингибировать образование биопленки, так и разрушать зрелую биопленку. Продемонстрировано, что применение эбселена у мышей, инфицированных энтерококками, резистентными к ванкомицину (enterococci resistance to vancomycin — VRE), столь же эффективно, как и применение рамопланина. При сравнительной оценке уровня антибактериального действия против широкого спектра энтерококковых изолятов in vitro было обнаружено, что эбселен обладает такой же эффективностью, как и линезолид (минимальная ингибирующая концентрация в отношении 90 % протестированных клинических изолятов составляет 2 мкг/мл) [4].
Shankar Thangaman и соавт. [48] продемонстрировали, что эбселен обладает выраженной бактерицидной активностью по отношению к мультирезистентным изолятам золотистого стафилококка, включая устойчивые к метициллину и ванкомицину бактерии Staphylococcus aureus (MRSA и VRSA). Эбселен достоверно способствует уменьшению массы стафилококковых биопленок. Применение эбселена значительно снижает бактериальную нагрузку и уровни провоспалительных цитокинов (TNF-α, IL-6, IL-1β) и хемокина (протеина-1 хемоаттрактанта моноцитов CCL2) при поражении кожи бактериями. Авторы полагают, что эбселен обладает терапевтическим потенциалом для местного лечения MRSA-ассоциированных инфекций кожи.
2.6. Селективное ингибирование бактериальной мотильности 
Бензоизотиазолиноны
Yue Zheng и соавт. [58] идентифицировали производное бензоизотиазолинона Соединение 1 (рис. 16) в качестве специфического ингибитора активности RocR PDE бактерии Pseudomonas aeruginosa. 
Данное соединение не подавляет активность других PDE, включая PA4108, PvrR и DipA. Соединение 1 также дозозависимым образом снижает подвижность бактерии Pseudomonas aeruginosa. Представляет интерес, что данный ингибитор RocR не препятствовал формированию биопленки, но подавлял подвижность планктонных бактерий [58]. 

Заключение

Уровень внутрибактериальной концентрации ц-ди-ГМФ определяет форму жизнедеятельности бактерий. При высокой концентрации ц-ди-ГМФ происходит трансформация бактерий от планктонной формы к биопленочной форме жизнедеятельности. Под влиянием ц-ди-ГМФ усиливается биосинтез полисахаридов (альгината, альгинатного и пленочного полисахарида Pel). При низкой концентрации ц-ди-ГМФ усиливается развитие жгутиков, что способствует бактериальной подвижности, и активируется диспергирование [45]. Медикаментозное подавление уровня внутрибактериальной концентрации мессенджерной молекулы ц-ди-ГМФ или блокирование ее активности позволяет повысить эффективность лечения бактериальных инфекций, развитие которых сопровождается формированием биопленки.
Лечение инфекций, которые сопровождаются формированием биопленок, требует индукции активного диспергирования бактерий из биопленок и применения антибиотиков, вызывающих гибель высвобожденных бактерий.
Основным направлением в разработке препаратов, влияющих на концентрацию ц-ди-ГМФ, является создание лекарственных средств, ингибирующих синтез ц-ди-ГМФ за счет подавления активности DGC или усиливающих деградацию ц-ди-ГМФ за счет стимуляции активности PDE. Однако разработка лекарственных средств, снижающих концентрацию ц-ди-ГМФ, связана с определенной сложностью, которая обусловлена тем, что геномы большинства бактерий кодируют многочисленные протеины, содержащие GGDEF-, EAL- и HD-GYP-домены с различной геометрией активного сайта, и поэтому ингибирование активности данных ферментов невозможно выполнить одним соединением. Например, бактерии Pseudomonas aeruginosa продуцируют 18 протеинов с доменом GGDEF, 16 протеинов с доменом GGDEF-EAL, 5 протеинов с доменом EAL и 3 протеина с доменом HD-GYP, а бактерии Salmonella enterica serovar Typhimurium синтезируют 12 протеинов с доменом GGDEF и 14 протеинов с доменом EAL. Также продемонстрировано, что ингибирование одного типа молекул DGC не является эффективной стратегией подавления формирования бактериальной биопленки [34]. 
Дальнейшие разработки лекарственных средств, нацеленных на конкретные DGC и PDE, позволят проводить эффективное лечение бактериальных инфекций, которые сопровождаются формированием биопленок, в зависимости от особенностей причинно-значимого возбудителя. 
Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии какого-либо конфликта интересов и собственной финансовой заинтересованности при подготовке данной статьи.

Bibliography

  1. Абатуров А.Е., Крючко Т.А. Диспергирование бактериальной биопленки и хронизация инфекционного процесса респираторного тракта. Здоровье ребенка. 2019. № 5 (14). С. 94-98. DOI: 10.22141/2224-0551.14.5.2019.177411.
  2. Абатуров А.Е., Крючко Т.А. Медикаментозное влияние на диспергирование биопленки. Доноры оксида азота. Здоровье ребенка. 2019. № 7 (14). С. 79-86. DOI: 10.22141/2224-0551.14.7.2019.184626.
  3. Абатуров А.Е., Юлиш Е.И. Роль интерферонов в защите респираторного тракта. Каскад возбуждения системы интерферонов. Здоровье ребенка. 2007. № 5. С. 136-144.
  4. AbdelKhalek A., Abutaleb N.S., Mohammad H., Seleem M.N. Repurposing ebselen for decolonization of vancomycin-resistant enterococci (VRE). PLoS One. 2018 Jun 28. 13 (6). e0199710. doi: 10.1371/journal.pone.0199710.
  5. Ahonen M.J.R., Dorrier J.M., Schoenfisch M.H. Antibiofilm Efficacy of Nitric Oxide-Releasing Alginates against Cystic Fibrosis Bacterial Pathogens. ACS Infect Dis. 2019 Aug 9. 5 (8). 1327-1335. doi: 10.1021/acsinfecdis.9b00016.
  6. Ahonen M.J.R., Suchyta D.J., Zhu H.1, Schoenfisch M.H. Nitric Oxide-Releasing Alginates. Biomacromolecules. 2018 Apr 9. 19 (4). 1189-1197. doi: 10.1021/acs.biomac.8b00063.
  7. Allan R.N., Kelso M.J., Rineh A., Yepuri N.R., Feelisch M., Soren O., Brito-Mutunayagam S., Salib R.J., Stoodley P., Clarke S.C., Webb J.S., Hall-Stoodley L., Faust S.N. Cephalosporin-NO-donor prodrug PYRRO-C3D shows β-lactam-mediated activity against Streptococcus pneumoniae biofilms. Nitric Oxide. 2017 May 1. 65. 43-49. doi: 10.1016/j.niox.2017.02.006.
  8. Almblad H., Harrison J.J., Rybtke M. et al. The Cyclic AMP-Vfr Signaling Pathway in Pseudomonas aeruginosa Is Inhibited by Cyclic Di-GMP. J. Bacteriol. 2015 Jul. 197 (13). 2190-200. doi: 10.1128/JB.00193-15.
  9. Antoniani D., Bocci P., Maciag A., Raffaelli N., Landini P. Monitoring of diguanylate cyclase activity and of cyclic-di-GMP biosynthesis by whole-cell assays suitable for high-throughput screening of biofilm inhibitors. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2010 Jan. 85 (4). 1095-104. doi: 10.1007/s00253-009-2199-x.
  10. Antoniani D., Rossi E., Rinaldo S., Bocci P., Lolicato M., Paiardini A., Raffaelli N., Cutruzzolà F., Landini P. The immunosuppressive drug azathioprine inhibits biosynthesis of the bacterial signal molecule cyclic-di-GMP by interfering with intracellular nucleotide pool availability. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2013 Aug. 97 (16). 7325-36. doi: 10.1007/s00253-013-4875-0.
  11. Barraud N., Kardak B.G., Yepuri N.R., Howlin R.P., Webb J.S., Faust S.N., Kjelleberg S., Rice S.A., Kelso M.J. Cephalosporin-3'-diazeniumdiolates: targeted NO-donor prodrugs for dispersing bacterial biofilms. Angew Chem. Int. Ed. Engl. 2012 Sep 3. 51 (36). 9057-60. doi: 10.1002/anie.201202414.
  12. Chou S.H., Galperin M.Y. Diversity of Cyclic Di-GMP-Binding Proteins and Mechanisms. J. Bacteriol. 2016 Jan 1. 198 (1). 32-46. PMID: 26055114.
  13. Collins S.A., Kelso M.J., Rineh A., Yepuri N.R., Coles J., Jackson C.L., Halladay G.D., Walker W.T., Webb J.S., Hall-Stoodley L., Connett G.J., Feelisch M., Faust S.N., Lucas J.S., Allan R.N. Cephalosporin-3'-Diazeniumdiolate NO Donor Prodrug PYRRO-C3D Enhances Azithromycin Susceptibility of Nontypeable Haemophilus influenzae Biofilms. Antimicrob Agents Chemother. 2017 Jan 24. 61 (2). pii: e02086-16. doi: 10.1128/AAC.02086-16.
  14. Cutruzzolà F., Frankenberg-Dinkel N. Origin and Impact of Nitric Oxide in Pseudomonas aeruginosa Biofilms. J. Bacteriol. 2016 Jan 1. 198 (1). 55-65.
  15. De la Fuente-Núñez C., Reffuveille F., Fairfull-Smith K.E., Hancock R.E. Effect of nitroxides on swarming motility and biofilm formation, multicellular behaviors in Pseudomonas aeruginosa. Antimicrob. Agents Chemother. 2013 Oct. 57 (10). 4877-81. doi: 10.1128/AAC.01381-13.
  16. Düvel J., Bense S., Möller S., Bertinetti D., Schwede F., Morr M., Eckweiler D., Genieser H.G., Jänsch L., Herberg F.W., Frank R., Häussler S. Application of Synthetic Peptide Arrays To Uncover Cyclic Di-GMP Binding Motifs. J. Bacteriol. 2015 Aug 31. 198 (1). 138-46. doi: 10.1128/JB.00377-15.
  17. Fernicola S., Paiardini A., Giardina G., Rampioni G., Leoni L., Cutruzzolà F., Rinaldo S. In Silico Discovery and In Vitro Validation of Catechol-Containing Sulfonohydrazide Compounds as Potent Inhibitors of the Diguanylate Cyclase PleD. J. Bacteriol. 2015 Sep 28. 198 (1). 147-56. doi: 10.1128/JB.00742-15.
  18. Fernicola S., Torquati I., Paiardini A., Giardina G., Rampioni G., Messina M., Leoni L., Del Bello F., Petrelli R., Rinaldo S., Cappellacci L., Cutruzzolà F. Synthesis of Triazole-Linked Analogues of c-di-GMP and Their Interactions with Diguanylate Cyclase. J. Med. Chem. 2015 Oct 22. 58 (20). 8269-84. doi: 10.1021/acs.jmedchem.5b01184.
  19. Hasan N., Cao J., Lee J., Naeem M., Hlaing S.P., Kim J., Jung Y., Lee B.L., Yoo J.W. PEI/NONOates-doped PLGA nanoparticles for eradicating methicillin-resistant Staphylococcus aureus biofilm in diabetic wounds via binding to the biofilm matrix. Mater. Sci Eng. C. Mater. Biol. Appl. 2019 Oct. 103. 109741. doi: 10.1016/j.msec.2019.109741.
  20. Hengge R. Trigger phosphodiesterases as a novel class of c-di-GMP effector proteins. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 2016 Nov 5. 371 (1707). pii: 20150498. doi: 10.1098/rstb.2015.0498.
  21. Jenal U., Reinders A., Lori C. Cyclic di-GMP: second messenger extraordinaire. Nat. Rev. Microbiol. 2017 May. 15 (5). 271-284. doi: 10.1038/nrmicro.2016.190.
  22. Kalia D., Merey G., Nakayama S. et al. Nucleotide, c-di-GMP, c-di-AMP, cGMP, cAMP, (p)ppGpp signaling in bacteria and implications in pathogenesis. Chem. Soc. Rev. 2013 Jan 7. 42 (1). 305-41. doi: 10.1039/c2cs35206k.
  23. Kang D., Kirienko N.V. High-Throughput Genetic Screen Reveals that Early Attachment and Biofilm Formation Are Necessary for Full Pyoverdine Production by Pseudomonas aeruginosa. Front Microbiol. 2017 Sep 5. 8. 1707. doi: 10.3389/fmicb.2017.01707.
  24. Kang D., Turner K.E., Kirienko N.V. PqsA Promotes Pyoverdine Production via Biofilm Formation. Pathogens. 2017 Dec 25. 7 (1). pii: E3. doi: 10.3390/pathogens7010003.
  25. Karaolis D.K., Means T.K., Yang D., Takahashi M., Yoshimura T., Muraille E., Philpott D., Schroeder J.T., Hyodo M., Hayakawa Y., Talbot B.G., Brouillette E., Malouin F. Bacterial c-di-GMP is an immunostimulatory molecule. J. Immunol. 2007 Feb 15. 178 (4). 2171-81. PMID: 17277122.
  26. Koo H., Allan R.N., Howlin R.P., Stoodley P., Hall-Stoodley L. Targeting microbial biofilms: current and prospective therapeutic strategies. Nat. Rev. Microbiol. 2017 Dec. 15 (12). 740-755. doi: 10.1038/nrmicro.2017.99.
  27. Lieberman O.J., Orr M.W., Wang Y., Lee V.T. High-throughput screening using the differential radial capillary action of ligand assay identifies ebselen as an inhibitor of diguanylate cyclases. ACS Chem. Biol. 2014 Jan 17. 9 (1). 183-92. doi: 10.1021/cb400485k.
  28. Mann E.E., Wozniak D.J. Pseudomonas biofilm matrix composition and niche biology. FEMS Microbiol Rev. 2012 Jul. 36 (4). 893-916. doi: 10.1111/j.1574-6976.2011.00322.x.
  29. Matsuyama B.Y., Krasteva P.V., Baraquet C. et al. Mechanistic insights into c-di-GMP-dependent control of the biofilm regulator FleQ from Pseudomonas aeruginosa. Proc. Natl. Acad. Sci USA. 2016 Jan 12. 113 (2). E209-18. doi: 10.1073/pnas.1523148113.
  30. McCarthy R.R., Valentini M., Filloux A. Contribution of Cyclic di-GMP in the Control of Type III and Type VI Secretion in Pseudomonas aeruginosa. Methods Mol Biol. 2017. 1657. 213-224. doi: 10.1007/978-1-4939-7240-1_17.
  31. Moradali M.F., Ghods S., Rehm B.H.A. Activation Mechanism and Cellular Localization of Membrane-Anchored Alginate Polymerase in Pseudomonas aeruginosa. Appl Environ Microbiol. 2017 Apr 17. 83 (9). pii: e03499-16. doi: 10.1128/AEM.03499-16.
  32. O'Connor J.R., Kuwada N.J., Huangyutitham V. et al. Surface sensing and lateral subcellular localization of WspA, the receptor in a chemosensory-like system leading to c-di-GMP production. Mol. Microbiol. 2012 Nov. 86 (3). 720-9. doi: 10.1111/mmi.12013.
  33. Oliveira C., Benfeito S., Fernandes C., Cagide F., Silva T., Borges F. NO and HNO donors, nitrones, and nitroxides: Past, present, and future. Med. Res. Rev. 2018 Jul. 38 (4). 1159-1187. doi: 10.1002/med.21461.
  34. Opoku-Temeng C., Sintim H.O. Targeting c-di-GMP Signaling, Biofilm Formation, and Bacterial Motility with Small Molecules. Methods Mol. Biol. 2017. 1657. 419-430. doi: 10.1007/978-1-4939-7240-1_31.
  35. Orr M.W., Lee V.T. A PilZ domain protein for chemotaxis adds another layer to c-di-GMP-mediated regulation of flagellar motility. Sci Signal. 2016 Oct 18. 9 (450). fs16. PMID: 27811181.
  36. Qvortrup K., Hultqvist L.D., Nilsson M., Jakobsen T.H., Jansen C.U., Uhd J., Andersen J.B., Nielsen T.E., Givskov M., Tolker-Nielsen T. Small Molecule Anti-biofilm Agents Developed on the Basis of Mechanistic Understanding of Biofilm Formation. Front Chem. 2019 Nov 1. 7. 742. doi: 10.3389/fchem.2019.00742.
  37. Ravichandran A., Ramachandran M., Suriyanarayanan T. et al. Global Regulator MorA Affects Virulence-Associated Protease Secretion in Pseudomonas aeruginosa PAO1. PLoS One. 2015 Apr 20. 10 (4). e0123805. doi: 10.1371/journal.pone.0123805.e.
  38. Römling U., Galperin M.Y. Discovery of the Second Messenger Cyclic di-GMP. Methods Mol. Biol. 2017. 1657. 1-8. doi: 10.1007/978-1-4939-7240-1_1.
  39. Römling U., Galperin M.Y., Gomelsky M. Cyclic di-GMP: the first 25 years of a universal bacterial second messenger. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2013 Mar. 77 (1). 1-52. doi: 10.1128/MMBR.00043-12.
  40. Rong F., Tang Y., Wang T., Feng T., Song J., Li P., Huang W. Nitric Oxide-Releasing Polymeric Materials for Antimicrobial Applications: A Review. Antioxidants (Basel). 2019 Nov 15. 8 (11). pii: E556. doi: 10.3390/antiox8110556.
  41. Ross P., Weinhouse H., Aloni Y. et al. Regulation of cellulose synthesis in Acetobacter xylinum by cyclic diguanylic acid. Nature. 1987 Jan 15-21. 325 (6101). 279-81. PMID: 18990795.
  42. Sambanthamoorthy K., Luo C., Pattabiraman N., Feng X., Koestler B., Waters C.M., Palys T.J. Identification of small molecules inhibiting diguanylate cyclases to control bacterial biofilm development. Biofouling. 2014 Jan. 30 (1). 17-28. doi: 10.1080/08927014.2013.832224.
  43. Sambanthamoorthy K., Sloup R.E., Parashar V., Smith J.M., Kim E.E., Semmelhack M.F., Neiditch M.B., Waters C.M. Identification of small molecules that antagonize diguanylate cyclase enzymes to inhibit biofilm formation. Antimicrob. Agents Chemother. 2012 Oct. 56 (10). 5202-11. doi: 10.1128/AAC.01396-12.
  44. Schirmer T. C-di-GMP Synthesis: Structural Aspects of Evolution, Catalysis and Regulation. J. Mol. Biol. 2016 Sep 25. 428 (19). 3683-701. doi: 10.1016/j.jmb.2016.07.023.
  45. Skariyachan S., Sridhar V.S., Packirisamy S. et al. Recent perspectives on the molecular basis of biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa and approaches for treatment and biofilm dispersal. Folia Microbiol. (Praha). 2018 Jul. 63 (4). 413-432. doi: 10.1007/s12223-018-0585-4.
  46. Soren O., Rineh A., Silva D.G., Cai Y., Howlin R.P., Allan R.N., Feelisch M., Davies J.C., Connett G.J., Faust S.N., Kelso M.J., Webb J.S. Cephalosporin nitric oxide-donor prodrug DEA-C3D disperses biofilms formed by clinical cystic fibrosis isolates of Pseudomonas aeruginosa. J. Antimicrob. Chemother. 2019 Sep 17. pii: dkz378. doi: 10.1093/jac/dkz378.
  47. Sortino S. Light-controlled nitric oxide delivering molecular assemblies. Chem. Soc. Rev. 2010 Aug. 39 (8). 2903-13. doi: 10.1039/b908663n.
  48. Thangamani S., Younis W., Seleem M.N. Repurposing ebselen for treatment of multidrug-resistant staphylococcal infections. Sci Rep. 2015 Jun 26. 5. 11596. doi: 10.1038/srep11596.
  49. Valentini M., Filloux A. Biofilms and Cyclic di-GMP (c-di-GMP) Signaling: Lessons from Pseudomonas aeruginosa and Other Bacteria. J. Biol. Chem. 2016 Jun 10. 291 (24). 12547-55. doi: 10.1074/jbc.R115.711507.
  50. Wang J., Zhou J., Donaldson G.P., Nakayama S., Yan L., Lam Y.F., Lee V.T., Sintim H.O. Conservative change to the phosphate moiety of cyclic diguanylic monophosphate remarkably affects its polymorphism and ability to bind DGC, PDE, and PilZ proteins. J. Am. Chem. Soc. 2011 Jun 22. 133 (24). 9320-30. doi: 10.1021/ja1112029.
  51. Wang T., Cai Z., Shao X., Zhang W., Xie Y., Zhang Y., Hua C., Schuster S.C., Yang L., Deng X. Pleiotropic Effects of c-di-GMP Content in Pseudomonas syringae. Appl. Environ. Microbiol. 2019 May 2. 85 (10). pii: e00152-19. doi: 10.1128/AEM.00152-19.
  52. Wei Q., Leclercq S., Bhasme P., Xu A., Zhu B., Zhang Y., Zhang M., Wang S., Ma L.Z. Diguanylate Cyclases and Phosphodiesterases Required for Basal-Level c-di-GMP in Pseudomonas aeruginosa as Revealed by Systematic Phylogenetic and Transcriptomic Analyses. Appl. Environ. Microbiol. 2019 Oct 16. 85 (21). pii: e01194-19. doi: 10.1128/AEM.01194-19.
  53. Wo Y., Li Z., Brisbois E.J., Colletta A., Wu J., Major T.C., Xi C., Bartlett R.H., Matzger A.J., Meyerhoff M.E. Origin of Long-Term Storage Stability and Nitric Oxide Release Behavior of CarboSil Polymer Doped with S-Nitroso-N-acetyl-D-penicillamine. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2015 Oct 14. 7 (40). 22218-27. doi: 10.1021/acsami.5b07501.
  54. Yan J., Deforet M., Boyle K.E. et al. Bow-tie signaling in c-di-GMP: Machine learning in a simple biochemical network. PLoS Comput. Biol. 2017 Aug 2. 13 (8). e1005677. doi: 10.1371/journal.pcbi.1005677.
  55. Yang L., Feura E.S., Ahonen M.J.R., Schoenfisch M.H. Nitric Oxide-Releasing Macromolecular Scaffolds for Antibacterial Applications. Adv. Healthc Mater. 2018 Jul. 7 (13). e1800155. doi: 10.1002/adhm.201800155.
  56. Yin W., Wang Y., Liu L., He J. Biofilms: The Microbial "Protective Clothing" in Extreme Environments. Int. J. Mol. Sci. 2019 Jul 12. 20 (14). pii: E3423. doi: 10.3390/ijms20143423.
  57. Zheng Y., Tsuji G., Opoku-Temeng C., Sintim H.O. Inhibition of P. aeruginosa c-di-GMP phosphodiesterase RocR and swarming motility by a benzoisothiazolinone derivative. Chem. Sci. 2016 Sep 1. 7 (9). 6238-6244. doi: 10.1039/c6sc02103d.
  58. Zhou E., Seminara A.B., Kim S.K., Hall C.L., Wang Y., Lee V.T. Thiol-benzo-triazolo-quinazolinone Inhibits Alg44 Binding to c-di-GMP and Reduces Alginate Production by Pseudomonas aeruginosa. ACS Chem. Biol. 2017 Dec 15. 12 (12). 3076-3085. doi: 10.1021/acschembio.7b00826.

Back to issue