Оценка влияния модифицированных пиримидиновых производных нуклеиновых кислот на бактериальные клетки

Широкое применение антибиотиков привело к возникновению и быстрому распространению резистентности у микроорганизмов, что обусловливает необходимость поиска новых классов антибактериальных препаратов. Хорошо известна способность производных компонентов нуклеиновых кислот ингибировать рост эукариотических клеток, однако их антимикробные свойства изучены недостаточно. Нами обнаружено, что модифицированные нуклеозиды арабинофуранозилцитозин (цитарабин, ara-C), [1-(2′,3′,5′-три-О-ацетил-β-D-рибофуранозил)- 4-(1,2,4-триазол-1-ил)]урацил (TTU) и нуклеотиды цитарабин-5′-монофосфат (ara-CMP) и O2,2′-циклоцитидин- 5′-монофосфат (циклоцитидинмонофосфат, цикло-CMP) способны ингибировать рост штаммов Escherichia coli, Sarcina lutea, Bacillus cereus и Proteus mirabilis. Показано, что грамотрицательные бактериальные штаммы (E. coli и P. mirabilis) более чувствительны к воздействию TTU и цикло-CMP и менее чувствительны к воздействию ara-C и ara-CMP по сравнению с грамположительными. Наиболее эффективным ингибитором роста клеток грамположи- тельных штаммов (S. lutea, B. cereus) оказался ара-CMP с ED50 = 5,2–10–5 и ED50 = 3,1·10–4 М соответственно. S. lutea оказалась наиболее чувствительным штаммом бактерий к воздействию всех изученных соединений. Установлено, что изученные модифицированные производные пиримидиновых нуклеозидов усиливают выработку внутриклеточных активных форм кислорода (АФК). Наибольшее повышение уровня АФК при культивировании клеток обнаружено в случае грамотрицательного штамма E. coli в присутствии TTU, а также цикло-CMP, что сильно коррелирует с эффектом ингибирования роста клеток. Обнаружена сильная корреляция между уровнем АФК и жизнеспособностью штамма B. cereus после культивирования с ara-CMP.

1. Nathan C., Cars O. Antibiotic resistance-problems, progress, and prospects. New England Journal of Medicine, 2014, vol. 371, no. 19, рр. 1761–1763. https://doi.org/10.1056/NEJMp1408040

2. Nathan C. Antibiotics at the crossroads. Nature, 2004, vol. 431, no. 7011, рр. 899–902. https://doi.org/10.1038/431899a

3. Davies J., Davies D. Origins and evolution of antibiotic resistance. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2010, vol. 74, no. 3, рр. 417–433. https://doi.org/10.1128/MMBR.00016-10

4. van Boeckel T. P., Brower Ch., Gilbert M., Grenfell B. T., Levin S. A., Robinson T. P., Teillant A., Laxminarayan R. Global trends in antimicrobial use in food animals. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015, vol. 112, no. 18, рр. 5649–5654. https://doi.org/10.1073/pnas.1503141112

5. Roca I., Akova M., Baquero F., Carlet J., Cavaleri M., Coenen S. [et al]. The global threat of antimicrobial resistance: science for intervention. New Microbes and New Infections, 2015, vol. 6, pp. 22–29. https://doi.org/10.1016/j.nmni.2015.02.007

6. Rossolini G. M., Arena F., Pecile P., Pollini S. Update on the antibiotic resistance crisis. Current Opinion in Pharmacology, 2014, vol. 18, pp. 56–60. https://doi.org/10.1016/j.coph.2014.09.006

7. Michael C. A., Dominey-Howes D., Labbate M. The antimicrobial resistance crisis: causes, consequences, and management. Frontiers Public Health, 2014, vol. 2, art. 145. https://doi.org/10.3389/fpubh.2014.00145

8. Spellberg B., Srinivasan A., Chambers H. F. New societal approaches to empowering antibiotic stewardship. JAMA, 2016, vol. 315, no. 12, pp. 1229–1230. https://doi.org/10.1001/jama.2016.1346

9. Hoffman S. J., Caleo G. M., Daulaire N., Elbe S., Matsoso P., Mossialos E., Rizvi Z., Røttingen J.-A. Strategies for achieving global collective action on antimicrobial resistance. Bulletin of the World Health Organization, 2015, vol. 93, no. 12, pp. 867–876. https://doi.org/10.2471/blt.15.153171

10. Payne D. J., Miller L. F., Findlay D., Anderson J., Marks L. Time for a change: addressing R&D and commercialization challenges for antibacterials. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 2015, vol. 370, no. 1670, pp. 20–86. https://doi.org/10.1098/rstb.2014.0086

11. Luepke K. H., Mohr J. F. The antibiotic pipeline: reviving research and development and speeding drugs to market. Expert Review of Anti-infective Therapy, 2017, vol. 15, no. 5, pp. 425–433. https://doi.org/10.1080/14787210.2017.1308251

12. Landers T., Kavanagh K. T. Is the Presidential Advisory Council on Combating Antibiotic Resistance missing opportunities. American Journal of Infection Control, 2016, vol. 44, no. 11, pp. 1356–1359. https://doi.org/10.1016/j.ajic.2016.07.008

13. Ventola C. L. The antibiotic resistance crisis: part 1: causes and threats. Pharmacy and therapeutic, 2015, vol. 40, no. 4, pp. 277–283.

14. Koszytkowska-Stawińska M., Buchowicz W. Multicomponent reactions in nucleoside chemistry. Beilstein Journal of Organic Chemistry, 2014, vol. 10, pp. 1706–1732. https://doi.org/10.3762/bjoc.10.179

15. Nizhegorodova D. B., Zafranskaya M. M., Kvasyuk E. I., Sysa A. G. Effect of emoxipine on cytotoxicity of peripheral blood mononuclears under cultivation with cytarabine and cyclocytidine. Zhurnal Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta. Biologiya [Journal of the Belarusian State University. Biology], 2021, no. 2, pp. 3–10 (in Russian).

16. Akhrem A. A., Kalinichenko E. N., Kvasyuk E. I., Mikhailopulo I. A. Synthesis of O2, 2ʹ-cyclociditin and its 5ʹ-monophosphate. Bioorganicheskaya khimiya [Bioorganic chemistry], 1977, vol. 3, no. 6, pp. 845–847 (in Russian).

17. Travnickova E., Mikula P., Oprsal J., Bohacova M., Kubac L., Kimmer D., Soukupova J., Bittner M. Resazurin assay for assessment of antimicrobial properties of electrospun nanofiber filtration membranes. AMB Express, 2019, vol. 9, no. 1, art. 183. https://doi.org/10.1186/s13568-019-0909-z

18. Jordheim, L. P., Durantel D., Zoulim F., Dumontet Ch. Advances in the development of nucleoside and nucleotide analogues for cancer and viral diseases. Nature Reviews Drug Discovery, 2013, vol. 12, no. 6, pp. 447–464. https://doi.org/10.1038/nrd4010

19. Seley-Radtke K. L., Yates M. K. The evolution of nucleoside analogue antivirals: a review for chemists and nonchemists. Part 1: early structural modifications to the nucleoside scaffold. Antiviral Research, 2018, vol. 154, pp. 66–86. https://doi.org/10.1016/j.antiviral.2018.04.004

20. Khandazhinskaya A. L., Matyugina E., Solyev P., Wilkinson M., Buckheit K., Buckheit R. [et al]. Investigation of 5ʹ-norcarbocyclic nucleoside analogues as antiprotozoal and antibacterial agents. Molecules, 2019, vol. 24, no. 19, pp. 34–43. https://doi.org/10.3390/molecules24193433

21. Yates M. K., Seley-Radtke K. L. The evolution of antiviral nucleoside analogues: A review for chemists and nonchemists. Part II: Complex modifications to the nucleoside scaffold. Antiviral Research, 2019, vol. 162, pp. 5–21. https://doi.org/10.1016/j.antiviral.2018.11.016

22. Yang Z., Unrine J., Nonaka K., van Lanen S. G. Fe(II)-dependent, uridine-50 – monophosphate a-ketoglutarate dioxygenases in the synthesis of 50-modified nucleosides. Methods in Enzymology, 2012, vol. 516, pp. 153–168. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-394291-3.00031-9

23. Xing L., Honda T., Fitz L., Ojima I. Fluorine in Life Sciences: Pharmaceuticals, Medicinal Diagnostics, and Agrochemicals. 4-Case studies of fluorine in drug discovery. Cambridge, 2019, pp. 181–211.

24. Sanderson K. E., MacAlister T., Costerton J. W., Cheng K.-J. Permeability of lipopolysaccharide-deficient (rough) mutants of Salmonella typhimurium to antibiotics, lysozyme, and other agents. Canadian Journal of Microbiology, 1974, vol. 20, no. 8, pp. 1135–1145.

25. Dahl T. A., Midden W. R., Hartman P. E. Pure singlet oxygen cytotoxicity for bacteria. Photochemistry and Photobiology, 1987, vol. 46, no. 3, pp. 345–352. https://doi.org/10.1111/j.1751-1097.1987.tb04779.x

26. Breijyeh Z., Jubeh B., Karaman R. Resistance of gram-negative bacteria to current antibacterial agents and approaches to resolve it. Molecules, 2020, vol. 25, no. 6, p. 1340. https://doi.org/10.3390/molecules25061340

27. Foote C. S., Denny R. W. Chemistry of singlet oxygen. VII. Quenching by P-carotene. Journal of the American Chemical Society, 1968, vol. 90, no. 22, pp. 6233–6235. https://doi.org/10.1021/ja01024a061

28. Mathews M. M., Sistrom W. R. The function of carotenoid pigments of Sarcina lutea. Archiv for Mikrobiologie, 1960, vol. 35, no. 2, pp. 139–146. https://doi.org/10.1007/bf00425002

29. Mathew-Roth M. M., Wilson T., Fujimori E., Krinsky N. I. Carotenoid chromophore length and protection against photosensitization. Photochemistry and Photobiology, 1974, vol. 19, no. 3, pp. 217–222. https://doi.org/10.1111/j.1751-1097.1974.tb06501.x

30. Krinsky N. I. Singlet excited oxygen as a mediator of the antibacterial action of leukocytes. Science, 1974, vol. 186, no. 4161, pp. 363–365. https://doi.org/10.1126/science.186.4161.363

31. Mathews-Roth M. M. Photoprotection by carotenoids. Journal of Ethnopharmacology, 1988, vol. 22, no. 3, p. 315. https://doi.org/10.1016/0378-8741(88)90245-0