Bakteri Enfeksiyonu İllüstrasyon

İlaçlardan etkilenmeyen bakteriyel enfeksiyonlar arttıkça, daha iyi antibiyotik geliştirme ihtiyacı da artar.

Antibiyotikler var olduğu sürece, antibiyotik direnci de var – bulaşıcı bakterilerin onları öldürmek için tasarlanmış ilaçlardan kaçmak için sürekli olarak gelişmesi kaçınılmaz sonuç.

Günümüzde antibiyotik direnci, büyük bir küresel sağlık tehdidi olarak kabul edilmektedir. Amerika Birleşik Devletleri’nde Hastalık Kontrol ve Önleme Merkezleri, her yıl en az 2,8 milyon insanın antibiyotiklere dirençli enfeksiyonlar geliştirdiğini ve bunun 35.000’den fazla ölüme yol açtığını tahmin ediyor.

Ancak, son yıllarda antibiyotik gelişimi yavaştı ve yeni antibiyotik sınıfları pazara ulaşmadı. Bu arada, şu anda mevcut olan sınırlı sayıdaki antibiyotiğin yaygın kullanımı, daha fazla bakteri suşunun direnç geliştirmesine neden oldu ve genellikle hastanelerde mevcut antibiyotiklere zaten dirençli olan ek suşlar keşfedildi. Bu durumun sadece zamanla kötüleşmesi ve ilaca daha dirençli bakteriyel enfeksiyonlara ve ölümlere yol açması bekleniyor.

Harvard Tıp Okulu Blavatnik Enstitüsü’nde hücre biyolojisi doçenti olan Maofu Liao, Harvard Tıp Haberleri antibiyotik direnci ve yeni antibiyotik geliştirmenin zorlukları hakkında.

Liao, ekibinin bakterilerdeki protein yapıları üzerine yaptığı araştırmaların antibiyotik tasarımına nasıl bilgi verebileceğini açıkladı ve laboratuvarının süreci iyileştirmek için kurduğu yeni bir boru hattını anlattı.

Yakın zamanda yayınlanan bir çalışmada Bilim, Liao ve meslektaşları, boru hatlarının bakterilerdeki temel proteinlere müdahale eden bileşikleri etkili bir şekilde tanımlayabildiğini ve bu nedenle antibiyotik potansiyeline sahip olabileceğini gösterdi.

HMNews: Şu anda mevcut antibiyotiklerle ilgili en acil zorluklardan bazıları nelerdir?

Liao: Bir sorun, çoğu ilaç geliştirme çabasının endüstriye bağlı olmasıdır, ancak antibiyotiklerin geliştirilmesi zaman alır ve pahalıdır – ve genellikle tedavi için gerekli değildir ve hastalar tarafından düzenli olarak alınmaz. Bu kadar çaba ve para gerektiğinde yeni antibiyotikler geliştirmeye değer olduğunu ve kârın öngörülebilir veya acil olmadığını endüstriye anlatmak zor.

İkinci bir konu ise antibiyotik kullanma şeklimiz. Uzun süredir tek kullanımlık antibiyotiklere veya sınırlı bir antibiyotik kombinasyonuna güveniyoruz. Bu, bakterilerin direnç kazanmasını kolaylaştırır. Daha sonra bu yeteneği antibiyotiklere maruz kalmamış diğer bakterilere aktarabilirler. Bu yüzden bakterilerin kolayca üstesinden gelebileceği çok sınırlı araçlar kullanıyoruz.

Bir diğer kritik konu da antibiyotikleri nasıl geliştirdiğimizdir. Birkaç istisna dışında, yeni antibiyotikleri belirleme çabalarımız çoğunlukla bakteri üremesine karşı kimyasal taramalara dayanır. İnsanlar bir ekran yaparlar ve bakterileri büyük bir etkiyle öldürebilecek sihirli bir bileşik bulmayı umarlar. Buna sahip olduklarında, bileşiği optimize eden ve umarız klinik olarak faydalı bir antibiyotiğe dönüştüren kimyagerlere verirler.

Bu tür taramalar, bakterilerdeki belirli proteinleri hedefleyemez ve önemli bakteri proteinlerine saldırma potansiyeline sahip bileşikleri hariç tutabilir. Ayrıca, bu tür taramalar aracılığıyla geliştirilen antibiyotiklerin nasıl çalıştıklarının altında yatan mekanizmayı veya direnç oluştuğunda neden çalışmayı bıraktıklarını çoğu zaman bilmiyoruz. Bu, mevcut yaklaşımımızda kritik bir boşluktur.

HMNews: Antibiyotik direnci alanında ne okuyorsunuz?

Liao: Proteinlerin nasıl çalıştığını incelemeye uzun süredir ilgim var, bu yüzden bu alana protein mekanizması tarafında giriyorum. İnsanların veya herhangi bir canlı organizmanın içinde, birçok farklı şey yapan birçok protein vardır. Bakterilerde, bu proteinlerin bazıları çok önemli işler yapıyor – bu nedenle proteinler bozulursa, bakteriler mutlu olmaz ve hatta ölebilir. Bu, sömürmek istediğimiz bir şey. İlk olarak, bakterilerin içindeki bu temel proteinlerin nasıl çalıştığını anlamak istiyoruz ve sonra bu bilgiyi bakterileri antibiyotiklerle öldürme çabalarımızı yönlendirmek için kullanmak istiyoruz.

HMNews: Çalıştığınız bakteriler hakkında daha fazla ayrıntı verebilir misiniz?

Liao: işimizin çoğu devam ediyor E. koli, birçok patojenik bakteri ile ilgili model bir organizmadır. E. koli bir tür Gram negatif bakteridir, yani hücrenin etrafındaki normal zara ek olarak fazladan bir zara sahiptir. Bu ekstra dış zar, mikrobu canlı tutmak için hayati önem taşır. Antibiyotikler dahil pek çok şeyin hücreye girmesini engeller ve antibiyotik direncinde anahtar rol oynar. Dış zar lipitlerden yapılmıştır, ancak bu lipit moleküllerinin çoğu uzun polisakkarit zincirlerine veya şekerlere bağlıdır – bu nedenle zar kıllı görünür, ancak bu kıllar aslında şeker zincirleridir.

Bunlar, hücre içinde sentezlenmesi ve daha sonra birleştirildikleri dış zara taşınması gereken lipopolisakkaritler adı verilen büyük, garip lipid molekülleridir. Bu lipidlerin hücre içinden dış yüzeye taşınmasında rol oynayan proteinleri inceliyoruz. Taşıma işleminde yer alan proteinler, E. koli hayatta kalma ve büyüme. Bu taşıma proteinlerinin işlevine bir şekilde müdahale edebilirsek, bakteri üremesini ve hayatta kalmasını etkileyebiliriz.

HMNews: Araştırmanızda Cryo-EM adlı bir teknik kullanıyorsunuz. Bu tekniğin faydaları nelerdir?

Liao: Cryo-EM, küçük şeyleri yüksek çözünürlükte görmeyi amaçlayan bir alan olan yapısal biyolojide kullanılan bir mikroskopi tekniğidir. Geleneksel yapısal biyoloji, protein yapısının yüksek çözünürlüklü ayrıntılarını elde etmek için X-ışını kristalografisi gibi yöntemlere dayanıyordu. Bununla birlikte, X-ışını kristalografisi ile proteininizi solüsyon yerine kristal temasına sokmanız gerekir, bu da proteinin tüm farklı konformasyonlarını veya şekillerini gözlemlemeyi zorlaştırır – sadece bazıları alakalı olabilir. Cryo-EM kristal temas gerektirmediği için daha esnektir. Protein örneğinizi buzda dondurursunuz, mikroskoba koyarsınız ve çok, çok sayıda görüntü alırsınız. Bu görüntüler, farklı konformasyonlarında proteinin yüksek çözünürlüklü yapılarını elde etmek için bir araya getirilebilir ve işlenebilir. Bu yöntem, taşıyıcı proteinlerin vücutta nasıl olduğuna dair kritik bilgiler edinmemize yardımcı olur. E. koli İş. Proteinin lipid substratı ile nasıl etkileşime girdiğini çok ayrıntılı olarak görmek için tüm protein-lipit kompleksine yüksek çözünürlükte bakabiliyoruz.

HMNews: Cryo-EM’den elde edilen bilgiler antibiyotik gelişimini nasıl iyileştirebilir?

Liao: Antibiyotik gelişimi için tamamen yeni bir boru hattı inşa etmeye çalışıyoruz. Boru hattı, bakterilerdeki temel proteinlerin aktivitesini durdurabilecek bir bileşik bulmak için kimyasal bir ekranla başlar. Bunu elde ettikten sonra, bileşiğe bağlı hedef proteinin yüksek çözünürlüklü yapısını elde etmek için kriyo-EM kullanırız. Daha sonra bileşiğin protein üzerinde hangi cebe bağlandığını biliyoruz ve bağlayıcı cep hakkında yüksek çözünürlüklü bilgi elde ediyoruz. Sözde uyuşturulabilir cep hakkındaki yapısal bilgileri, potansiyel olarak yapay zeka kullanarak, protein üzerindeki aynı cebe bağlanan diğer kimyasal omurgalara (veya yapı iskelelerine) sahip diğer bileşikleri bulmak için sanal bir ekran yapmak için kullanıyoruz.

Öyleyse şu soruyu soruyoruz: İlk bileşik için çalışan bu cepten diğer iskelelerle birlikte başka hangi bileşikler yararlanabilir? Daha sonra, tanımlanan herhangi bir yeni bileşiğe bağlı proteinin yapısını belirlemek için kriyo-EM kullanıyoruz ve bileşiğin protein aktivitesi ve bakteri büyümesi üzerindeki etkisini teyit ediyoruz. Bunu, tahminimizi doğrulamak ve yeni bileşiğin her parçasının ceple nasıl etkileşime girdiği hakkında daha ayrıntılı bilgi almak için yapıyoruz; Hangi parçalar daha önemli, hangi parçalar daha az önemli.

Protein yeni bileşiğe bağlandığında, ilaçlanabilir cebin potansiyel varyasyonları hakkında da bilgi alırız, böylece protein ve bileşik arasındaki etkileşimi daha iyi anlayabiliriz. Bu bize, bir antibiyotiğe dönüşürken bileşiği daha da optimize etmenin rasyonel bir yolunu sunar. Son makalemizde Bilim, başlangıç ​​bileşiğimiz olarak temel bir taşıyıcı protein üzerinde aynı etkiye sahip olan tamamen farklı bir bileşiği tanımlamak için bu boru hattını başarıyla kullandık.

HMNews: Boru hattınız için uzun vadeli hedef nedir?

Liao: Hala boru hattımızın gücünü göstermek için ilk çalışmaları yapıyoruz, ancak bu temel taşıyıcı proteinlere odaklandıkça, bu bilgilerin daha iyi antibiyotikler geliştirmek için kullanılabileceğini umuyoruz. Araştırmamız sırasında, bir bileşiğin mekanizmasını bilmenin ve bileşiğin hedef protein ile nasıl etkileşime girdiği hakkında yüksek çözünürlüklü bilgiye sahip olmanın, antibiyotik ilaç geliştirmenin birçok olasılığını gerçekten ortadan kaldırdığını fark ettik. Antibiyotikleri verimli bir şekilde geliştirmek için daha rasyonel yaklaşımlar kullanmamızı sağlar.

Amacımız antibiyotik geliştirme şeklimizi değiştirmek. Yeni fikirlerin ve yeni teknolojilerin antibiyotik keşfini daha sistematik, akılcı ve sağlam bir sürece dönüştürebileceğini göstermek istiyoruz.

Umarım gelecekte, antibiyotik geliştirme şeklimizi değiştirerek, insanlar antibiyotik direnci yarışını sonunda kazanabilirler. Bence geniş spektrumlu ve dar spektrumlu antibiyotikler geliştirmeliyiz: Bakterilerin içindeki birden fazla proteini hedef alan birden fazla ilacımız olmalı ve farklı ilaç cepleri gibi farklı mekanizmalar yoluyla aynı temel proteini hedef alan birden fazla ilacımız olmalıdır. .

Çok sayıda yararlı antibiyotiğe sahipsek, bakteriler bu kadar kolay direnç geliştirememelidir. Ayrıca, en iyi sonuçları elde etmek için, kendi özel hastalıklarına ve enfeksiyon koşullarına göre farklı hastalar için farklı antibiyotikleri birleştirebiliriz. Önce araçlara ihtiyacımız var, sonra onları kullanmak için akıllıca yöntemlere sahip olabiliriz. Ama elimizde araçlar yoksa gerçekten yapabileceğimiz bir şey yok.

Referans: François A. Thélot, Wenyi Zhang, KangKang Song, Chen Xu, Jing Huang ve Maofu Liao tarafından yazılan “Birinci nesil MsbA inhibitörlerinin belirgin allosterik mekanizmaları”, 23 Eylül 2021, Bilim.
DOI: 10.1126/science.abi9009





#Antibiyotik #Direnciyle #Mücadele #Büyük #Bir #Küresel #Sağlık #Tehdidi