Оценка бактерицидной активности грамицидина С в отношении клинических изолятов Streptococcus pneumoniae и Staphylococcus aureus при однократном и многократном воздействии

Актуальность. Боль в горле инфекционно-воспалительного генеза является одной из наиболее распространённых причин обращения за медицинской помощью и поводом для назначения антимикробных препаратов. С учётом высокой значимости проблемы распространения микробной устойчивости к системным этиотропным препаратам, применение антимикробных пептидов (АМП) для топической терапии может являться перспективным решением благодаря особенностям механизма действия АМП.
Цель исследования — оценка формирования устойчивости к АМП грамицидина С (ГС) в отношении клинических изолятов Streptococcus pneumoniae и Staphylococcus aureus, включая штаммы, резистентные к антимикробным препаратам, в ходе многоразового воздействия, приближённого к применению в клинической практике.
Материал и методы. Исследуемый объект — АМП ГС. Тестовые микроорганизмы — эталонные штаммы S.pneumoniae (АТСС 6303), S.aureus (ATCC 6538-Р) и по 10 штаммов клинических изолятов каждого вида микроорганизма, включая резистентные к антимикробным препаратам (в т. ч. MRSA). На первом этапе методом микроразведений в планшетах оценивали антимикробную активность ГС по оценке величины минимальной подавляющей и минимальной бактерицидной концентраций (МПК и МБК, соответственно). На втором этапе с использованием эталонных штаммов и по 4 клинических изолята каждого микроорганизма, включая устойчивые к антимикробным препаратам, формировали резистентность двумя способами параллельно (с жидкими и плотными средами) на протяжении 7 последовательных пассажей за 7 сут с ГС в концентрациях равных 0,5 и 1,0 МПК. Оценивали количество выживших микроорганизмов и определяли МПК и МБК на каждом пассаже.
Результаты. На первом этапе МПК ГС в отношении S.pneumoniae составила для 5 штаммов — 8 мкг/мл, для 5 штаммов — 16 мкг/мл, для одного — 4 мкг/мл. В отношении 10 из 11 штаммов S.aureus, включая MRSA, МПК ГС составила 4 мкг/мл (для 1 штамма — 8 мкг/мл). Для 4 штаммов S.pneumoniae МБК ГС была равна МПК (16 мкг/мл), для 7 штаммов МБК была выше МПК в 4–8 раз и в основном составила 32 мкг/мл (для 1 штамма — 64 мкг/мл). МБК в отношении 6 штаммов S.aureus была равна МПК (4 мкг/мл), для 5 оставшихся штаммов МБК была выше МПК в 2–8 раз, но не превышала 64 мкг/мл. На втором этапе при многократном воздействии ГС установлено, что оцениваемые величины МПК и МБК на протяжении 7 пассажей сохранились на прежнем уровне у всех штаммов, включая резистентные к антибиотикам в жидких и на плотных средах.
Выводы. Грамицидин С продемонстрировал высокую бактерицидную активность в отношении эталонных штаммов и клинических изолятов ведущих патогенных микроорганизмов S.pneumoniae и S.aureus, включая штаммы, устойчивые к системным антимикробным препаратам, при этом МПК и МБК не превышали концентраций, создаваемых при применении в клинической практике. В ходе многократного воздействия (7 пассажей за 7 сут) не было выявлено признаков формирования устойчивости тестовых штаммов патогенов, включая устойчивые к системным антимикробным препаратам из групп бета-лактамов, макролидов, фторхинолонов, тетрациклинов, аминогликозидов и др.

1. Крюков А.И., Гуров А.В., Юшкина М.А., Изотова Г.Н. Особенности клинического течения воспалительных заболеваний ротоглотки различной этиологии и возможности местной терапии. Вестник оториноларингологии. 2019; 84 (5): 68–72. https://doi.org/10.17116/otorino20198405168.

2. Гуров А. В., Мужичкова А.В., Юшкина М.А. Комплексный подход к лечению воспалительных заболеваний верхних дыхательных путей. Лечебное дело. 2021; 3: 23–29. https://doi.org/10.24412/2071-5315-2021-12356.

3. Сидоренко С.В., Дронов И.А. Место амоксициллина в лечении острых инфекций дыхательных путей у детей: диалог микробиолога и клинического фармаколога. Рос вестн перинатол и педиатр. 2020; 65 (3): 169–176. https://doi.org/10.21508/1027-4065-2020-65-3-169-176.

4. Устойчивость к антибиотикам. Информационный бюллетень ВОЗ. 5 февраля 2018 г. (Электронный ресурс). URL: https://www.who.int/ru/news-room/fact-sheets/detail/antibiotic-resistance (дата обращения: 13.08.2022).

5. Сидоренко С. В. Антимикробная резистентность: механизмы и пути преодоления. Молекулярные и биологические аспекты химии, фармацевтики и фармакологии: сборник тезисов докладов шестой междисциплинарной конференции, Нижний Новгород, 27–30 сентября 2020 года / Под редакцией К.В. Кудрявцева и Е.М. Паниной. М.: Издательство Перо, 2020; 95.

6. Bin Hafeez A., Jiang X., Bergen P.J., Zhu Y. Antimicrobial peptides: an update on classifications and databases. Int J Mol Sci. 2021 Oct 28; 22 (21): 11691. doi:10.3390/ijms222111691.

7. Prenner E.J., Lewis R.N., McElhaney R.N. The interaction of the antimicrobial peptide gramicidin S with lipid bilayer model and biological membranes. Biochim Biophys Acta. 1999 Dec 15; 1462 (1–2): 201–21. doi:10.1016/s0005-2736(99)00207-2.

8. Rodríguez A.A., Otero-González A., Ghattas M., Ständker L. Discovery, optimization, and clinical application of natural antimicrobial peptides. Biomedicines. 2021 Oct 3; 9 (10): 1381. doi:10.3390/biomedicines9101381.

9. Ghoreishi F.S., Roghanian R., Emtiazi G. Novel chronic wound healing by anti-biofilm peptides and protease. Adv Pharm Bull. 2022 May; 12 (3): 424–436. doi:10.34172/apb.2022.047.

10. Wenzel M., Rautenbach M., Vosloo J.A., Siersma T., Aisenbrey C.H.M., Zaitseva E., Laubscher W.E., van Rensburg W., Behrends J.C., Bechinger B., Hamoen L.W. The multifaceted antibacterial mechanisms of the pioneering peptide antibiotics tyrocidine and gramicidin S. mBio. 2018 Oct 9; 9 (5): e00802–18. doi:10.1128/mBio.00802-18.

11. Berditsch M., Lux H., Babii O., Afonin S., Ulrich A.S. Therapeutic potential of gramicidin S in the treatment of root canal infections. Pharmaceuticals (Basel). 2016 Sep 7; 9 (3): 56. doi:10.3390/ph9030056

12. Hale S.J.M., Wagner Mackenzie B., Lux C.A., Biswas K., Kim R., Douglas R.G. Topical antibiofilm agents with potential utility in the treatment of chronic rhinosinusitis: a narrative review. Front Pharmacol. 2022 Jun 13; 13: 840323. doi:10.3389/fphar.2022.840323.

13. ГОСТ Р ИСО 20776-1-2010. Клинические лабораторные исследования и диагностические тест-системы in vitro. Исследование чувствительности инфекционных агентов и оценка функциональных характеристик изделий для исследования чувствительности к антимикробным средствам. Часть 1. Референтный метод лабораторного исследования активности антимикробных агентов против быстрорастущих аэробных бактерий, вызывающих инфекционные болезни. Доступ: http://docs.cntd.ru/document/1200083430 (дата обращения: 03.08.2022 г.)

14. Рекомендации «Определение чувствительности микроорганизмов к антимикробным препаратам Версия 2021-01». Межрегиональная ассоциация по клинической микробиологии и антимикробной химиотерапии — Доступ: https://www.antibiotic.ru/files/321/clrec-dsma2021.pdf (дата обращения: 03.08.2022 г.)

15. Parvekar P., Palaskar J., Metgud S., Maria R., Dutta S. The minimum inhibitory concentration (MIC) and minimum bactericidal concentration (MBC) of silver nanoparticles against Staphylococcus aureus. Biomater Investig Dent. 2020 Jul 23; 7 (1): 105–109. doi:10.1080/26415275.2020.1796674.

16. Rodríguez-Melcón C., Alonso-Calleja C., García-Fernández C., Carballo J., Capita R. Minimum inhibitory concentration (MIC) and minimum bactericidal concentration (MBC) for twelve antimicrobials (Biocides and Antibiotics) in eight strains of Listeria monocytogenes. Biology (Basel). 2021 Dec 29; 11 (1): 46. doi:10.3390/biology11010046.

17. Knapp L., Amézquita A., McClure P., Stewart S., Maillard J.Y. Development of a protocol for predicting bacterial resistance to microbicides. Appl Environ Microbiol. 2015 Apr; 81 (8): 2652–2659. doi:10.1128/AEM.03843-14.

18. Clinical and Laboratory Standards Institute (CLSI). Methods for determining bactericidal activity of antimicrobial agents; Approved Guideline. CLSI documents M26-A. ISBN 1-56238-384-1). Clinical and Laboratory Standards Institute, 950 West Valley Road, Suite 2500, Wayne, PA 19087, USA.

19. European Committee for Antimicrobial Susceptibility Testing (EUCAST) of the European Society of Clinical Microbiology and Infectious Dieases (ESCMID). EUCAST Definitive Document E.Def 1.2, May 2000: Terminology relating to methods for the determination of susceptibility of bacteria to antimicrobial agents. Clin Microbiol Infect. 2000 Sep; 6 (9): 503–508. doi:10.1046/j.1469-0691.2000.00149.x.

20. Essack S., Bell J., Burgoyne D.S., Duerden M., Shephard A. Topical (local) antibiotics for respiratory infections with sore throat: an antibiotic stewardship perspective. J Clin Pharm Ther. 2019 Dec; 44 (6): 829–837. doi:10.1111/jcpt.13012.

21. Pendleton J.N., Gorman S.P., Gilmore B.F. Clinical relevance of the ESKAPE pathogens. Expert Rev Anti Infect Ther. 2013 Mar;11 (3): 297–308. doi:10.1586/eri.13.12.

22. Dubos R.J. Studies on a bactericidal agent extracted from a soil bacillus: i. Preparation of the agent. Its activity in vitro. J Exp Med. 1939 Jun 30; 70 (1): 1–10. doi:10.1084/jem.70.1.1.

23. Gause G.F., Brazhnikova M.G. Gramicidin S and its use in the treatment of infected wounds. Nature. 1944; 154: 703. doi:10.1038/154703a0.

24. Gause G.F., Brazhnikova M.G. Gramicidin S Origin and mode of action. Lancet. 1944; 244: 715–716.

25. Betzel C., Rachev R., Dolashka P., Genov N. Actinomycins as proteinase inhibitors. Biochim Biophys Acta. 1993 Jan 15; 1161 (1): 47–51. doi:10.1016/0167-4838(93)90194-v.

26. Katsu T., Kobayashi H., Hirota T., Fujita Y., Sato K., Nagai U. Structureactivity relationship of gramicidin S analogues on membrane permeability. Biochim Biophys Acta. 1987 May 29; 899 (2): 159–170. doi:10.1016/0005-2736(87)90396-8.

27. Afonin S., Glaser R.W., Sachse C., Salgado J., Wadhwani P., Ulrich A.S. (19)F NMR screening of unrelated antimicrobial peptides shows that membrane interactions are largely governed by lipids. Biochim Biophys Acta. 2014 Sep; 1838 (9): 2260–2268. doi:10.1016/j.bbamem.2014.03.017.

28. Zhang L., Rozek A., Hancock R.E. Interaction of cationic antimicrobial peptides with model membranes. J Biol Chem. 2001 Sep 21; 276 (38): 35714–35722. doi:10.1074/jbc.M104925200.

29. Hartmann M., Berditsch M., Hawecker J., Ardakani M.F., Gerthsen D., Ulrich A.S. Damage of the bacterial cell envelope by antimicrobial peptides gramicidin S and PGLa as revealed by transmission and scanning electron microscopy. Antimicrob Agents Chemother. 2010 Aug; 54 (8): 3132–3142. doi:10.1128/AAC.00124-10.

30. Wenzel M., Kohl B., Münch D., Raatschen N., Albada H.B., Hamoen L., Metzler-Nolte N., Sahl H.G., Bandow J.E. Proteomic response of Bacillus subtilis to lantibiotics reflects differences in interaction with the cytoplasmic membrane. Antimicrob Agents Chemother. 2012 Nov; 56 (11): 5749–5757. doi:10.1128/AAC.01380-12.

31. Berditsch M., Afonin S., Reuster J., Lux H., Schkolin K., Babii O., Radchenko D.S., Abdullah I., William N., Middel V., Strähle U., Nelson A., Valko K., Ulrich A.S. Supreme activity of gramicidin S against resistant, persistent and biofilm cells of staphylococci and enterococci. Sci Rep. 2019 Nov 29; 9 (1): 17938. doi:10.1038/s41598-019-54212-z.

32. Krauss E.M., Chan S.I. Complexation and phase transfer of nucleotides by gramicidin S. Biochemistry. 1983 Aug 30; 22 (18): 4280–4291. doi:10.1021/bi00287a019.

33. Krauss E.M., Chan S.I. Complexation and phase transfer of nucleic acids by gramicidin S. Biochemistry. 1984 Jan 3; 23 (1): 73–77. doi:10.1021/bi00296a012.

34. de la Fuente-Núñez C., Reffuveille F., Haney E.F., Straus S.K., Hancock R.E. Broad-spectrum anti-biofilm peptide that targets a cellular stress response. PLoS Pathog. 2014 May 22; 10 (5): e1004152. doi:10.1371/journal.ppat.1004152.

35. Cortay J.C., Cozzone A.J. Accumulation of guanosine tetraphosphate induced by polymixin and gramicidin in Escherichia coli. Biochim Biophys Acta. 1983 Feb 22; 755 (3): 467–473. doi:10.1016/0304-4165(83)90251-9.

36. Kuppusamy R., Willcox M., Black D.S., Kumar N. Short Cationic Peptidomimetic Antimicrobials. Antibiotics (Basel). 2019 Apr 18; 8 (2): 44. doi:10.3390/antibiotics802004460.

37. Berditsch M., Afonin S., Vladimirova T., Wadhwani P., Ulrich A.S. Antimicrobial peptides can enhance the risk of persistent infections. Front Immunol. 2012 Aug 1; 3: 222. doi:10.3389/fimmu.2012.00222.

38. Yeung A.T., Gellatly S.L., Hancock R.E. Multifunctional cationic host defence peptides and their clinical applications. Cell Mol. Life Sci. 2011; 68: 2161–2176. doi:10.1007/s00018-011-0710-x.

39. Yang Q., Li M., Spiller O.B., Andrey D.O., Hinchliffe P., Li H., MacLean C., Niumsup P., Powell L., Pritchard M., et al. Balancing mcr-1 expression and bacterial survival is a delicate equilibrium between essential cellular defence mechanisms. Nat. Commun. 2017; 8: 2054. doi:10.1038/s41467-017-02149-0.

40. Hu C., Wen Q., Huang S., Xie S., Fang Y., Jin Y., Campagne R., Alezra V., Miclet E., Zhu J., Wan Y. Gramicidin-S-Inspired cyclopeptidomimetics as potent membrane-active bactericidal agents with therapeutic potential. ChemMedChem. 2021 Jan 19; 16 (2): 368–376. doi:10.1002/cmdc.202000568.

41. Rathman B.M., Allen J.L., Shaw L.N., Del Valle J.R. Synthesis and biological evaluation of backbone-aminated analogues of gramicidin S. Bioorg Med Chem Lett. 2020 Aug 1; 30 (15): 127283. doi:10.1016/j.bmcl.2020.127283.

42. Guan Q., Chen K., Chen Q., Hu J., Cheng K., Hu C., Zhu J., Jin Y., Miclet E., Alezra V., Wan Y. Development of Therapeutic Gramicidin S Analogues Bearing Plastic β,γ-Diamino Acids. ChemMedChem. 2020 Jun 17; 15 (12): 1089–1100. doi:10.1002/cmdc.202000097.

43. Yamamura H., Isshiki K., Fujita Y., Kato H., Katsu T., Masuda K., Osawa K., Miyagawa A. Gramicidin S-inspired antimicrobial cyclodextrin to disrupt gram-negative and gram-positive bacterial membranes. Medchemcomm. 2019 Jul 17; 10 (8): 1432–1437. doi:10.1039/c9md00229d.

44. Guan Q., Huang S., Jin Y., Campagne R., Alezra V., Wan Y. Recent advances in the exploration of therapeutic analogues of gramicidin s, an old but still potent antimicrobial peptide. J Med Chem. 2019 Sep 12; 62 (17): 7603–7617. doi:10.1021/acs.jmedchem.9b00156.

45. Swierstra J., Kapoerchan V., Knijnenburg A., van Belkum A., Overhand M. Structure, toxicity and antibiotic activity of gramicidin S and derivatives. Eur J Clin Microbiol Infect Dis. 2016 May; 35 (5): 763–769. doi:10.1007/s10096-016-2595-y.

46. Tamaki M., Takanashi K, .Harada T.,, Fujinuma K., Shindo M., Kimura M., Uchida Y. Novel cycloundecapeptides related to gramicidin S with both high antibiotic activity and low hemolytic activity. Chem Pharm Bull (Tokyo). 2011; 59 (12): 1481-1484. doi:10.1248/cpb.59.1481.

47. Derbal S., Hensler M., Fang W., Nizet V., Ghedira K., Nefzi A. On resin amino acid side chain attachment strategy for the head to tail synthesis of new glutamine containing gramicidin-S analogs and their antimicrobial activity. Bioorg Med Chem Lett. 2010 Oct 1; 20 (19): 5701–5704. doi:10.1016/j.bmcl.2010.08.015.

48. Solanas C., de la Torre B.G., Fernández-Reyes M., Santiveri C.M., Jiménez M.A., Rivas L., Jiménez A.I., Andreu D., Cativiela C. Therapeutic index of gramicidin S is strongly modulated by D-phenylalanine analogues at the beta-turn. J Med Chem. 2009 Feb 12; 52 (3): 664–674. doi:10.1021/jm800886n.

49. Jelokhani-Niaraki M., Hodges R.S., Meissner J.E., Hassenstein U.E., Wheaton L. Interaction of gramicidin S and its aromatic amino-acid analog with phospholipid membranes. Biophys J. 2008 Oct; 95 (7): 3306–3321. doi:10.1529/biophysj.108.137471.

50. Kawai M., Yamamura H., Tanaka R., Umemoto H., Ohmizo C., Higuchi S., Katsu T. Proline residue-modified polycationic analogs of gramicidin S with high antibacterial activity against both Gram-positive and Gramnegative bacteria and low hemolytic activity. J Pept Res. 2005 Jan; 65 (1): 98–104. doi:10.1111/j.1399-3011.2004.00204.x.

51. Kondejewski L.H., Farmer S.W., Wishart D.S., Kay C.M., Hancock R.E., Hodges R.S. Modulation of structure and antibacterial and hemolytic activity by ring size in cyclic gramicidin S analogs. J Biol Chem. 1996 Oct 11; 271 (41): 25261–25268. doi:10.1074/jbc.271.41.25261.

52. Soejima Y., Hashiguchi A., Izumiya N. Syntheses and antibacterial activities of gramicidin S analogs containing L-ornithine in place of L-valine. Biosci Biotechnol Biochem. 1994 May; 58 (5): 826–829. doi:10.1271/bbb.58.826.

53. Ando S., Aoyagi H., Shinagawa S., Nishino N., Waki M., Kato T., Izumiya N. [4,4'-D-diaminopropionic acid]gramicidin S: a synthetic gramicidin S analog with antimicrobial activity against Gram-negative bacteria. FEBS Lett. 1983 Sep 5; 161 (1): 89–92. doi:10.1016/0014-5793(83)80736-4.

54. Yonezawa H., Kaneda M., Tominaga N., Higashi S., Izumiya N. Adsorption of 14C-labeled gramicidin S on cell of bacteria. J Biochem. 1981 Oct; 90 (4): 1087–1091. doi:10.1093/oxfordjournals.jbchem.a133560.

55. Derbal S., Hensler M., Fang W., Nizet V., Ghedira K., Nefzi A. On resin amino acid side chain attachment strategy for the head to tail synthesis of new glutamine containing gramicidin-S analogs and their antimicrobial activity. Bioorg Med Chem Lett. 2010 Oct 1; 20 (19): 5701–5704. doi:10.1016/j.bmcl.2010.08.015.

56. Габидова А.Э., Галынкин В.А. Основные начала возникновения резистентности в биосфере. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2017; 3–1: 92–102. Доступ: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=11407 (дата обращения: 16.08.2022)