САМЕДОВА А.А.

Институт Ботаники Национальной Академии Наук Азербайджана

Модификация физико-химических свойств клеточных мембран под действием фунгицидных полиеновых антибиотиков

Как известно, полиеновые антибиотики (ПА) и их производные относятся к препаратам растительного происхождения. Будучи наиболее эффективными при лечении грибковых инфекций, ПА относятся к категории мембраноактивных соединений. В последнее время наметились реальные перспективы расширения сферы применения противогрибковых ПА для борьбы с такими широко распространенными заболеваниями человека, как вирусные и гнойные инфекции, злокачественные и доброкачественные новообразования и атеросклероз. ПА активны in vivo и in vitro против возбудителей глубоких системных микозов и дрожжеподобных грибов Они оказывают непосредственное влияние на увеличение клеточной проницаемости, являющейся результатом образования ионных каналов в мембранах клеток. Основные представители ПА, на которых проводились научные исследования в этом направлении – это амфотерицин В, леворин, нистатин и микогептин. При введении этих антибиотиков в водные солевые растворы, окружающие мембраны, их проводимость нарастала дискретными скачками . Необходимо отметить, что эксперименты проводились на бислойных липидных мембранах (БЛМ). Эти искусственные мембраны, выделенные из фосфолипидных мембран белого вещества бычьего мозга, эквивалентны по физико-химическим свойствам натуральным мембранам и служат их моделью в ходе эксперимента. Было установлено, что ПА увеличивают проницаемость мембран, содержащих в своем составе холестерин, для одновалентных анионов и катионов щелочных металлов по механизму образования ионных каналов . ПА относятся к числу макролидных соединений и характеризуются тем, что в состав их молекул входит лактонное макроциклическое кольцо, содержащее определенное число двойных связей. Макролидные антибиотики представляют собой большую группу природных соединений, которые обладают высокой биологической активностью и используются в клинической практике как антибактериальные, противогрибковые, антипаразитарные и имуннодепрессивные препараты. Макролидное кольцо молекул ПА содержит жесткую гидрофобную область (сопряженные двойные связи хромофора) и гидрофильную область с различным числом группировок, как полярных, так и неполярных, которые обуславливают некоторые специфические свойства этих антибиотиков.

Биологический аспект изучения ПА основан на научных исследованиях, связанных с изменением проводимости клеточных мембран. Исследования на БЛМ в присутствии ПА позволили теоретически обосновать и создать соответствующие методы изучения антибиотиков на нативных клеточных системах, в частности, на изолированных мышечных волокнах. Было установлено, что основой фунгицидного действия ПА и причиной их специфической токсичности в отношении грибов является взаимодействие этих соединений со стеринами, локализованными в клеточной мембране и что только клетки, в мембранах которых содержатся стерины, чувствительны к действию ПА. Например, микоплазмы, содержащие стерины, подавляются полиеновыми антибиотиками. Лампен и др. показали, что клетки Mycoplasma gallisepticum, для роста которых необходимы стерины, в течение пяти дней не повреждаются пентаеновым ПА-филипином на среде, не содержащей стеринов, тогда как в присутствии стеринов рост быстро подавляется. Клетки Mycoplasma laidlawii могут расти на средах, не содержащих стеринов, но поглощают стерины при добавлении их к среде. В настоящее время общеизвестно, что стерины – важные структурные компоненты клеточных мембран. На чувствительность к стериновым компонентам были проверены многие ПА и, как выяснилось, все они взаимодействуют со стеринами, что, в результате, приводит к образованию ионных каналов и увеличению клеточной проводимости для ионов и неэлектролитов. Одной из основных причин, позволяющих считать, что стерины принимают участие в связывании ПА клеточной мембраной, является тот факт, что стерины не обнаружены среди веществ, выделенных из бактерий. Что же касается грибов, то в составе их мембран содержится эргостерин, который аналогично холестерину в клеточных мембран эукариотов, также взаимодействует с полиеновыми антибиотиками.

Для изучения механизма действия ПА в клеточных мембранах было проведено взаимодействие ряда антибиотиков с липидными мономолекулярными слоями. Значительное проникновение полиенов было зафиксировано и в монослое эргостерина. При указанных выше условиях ни один из антибиотиков не взаимодействовал с монослоями, приготовленными из фосфолипидов, лишенных стеринов, или из общих липидных экстрактов, полученными из бактерий. Также наблюдалось взаимодействие полиенов со стериновыми монослоями в широких пределах концентраций антибиотика. При низких концентрациях филипин вызывал намного большее увеличение поверхностного давления монослоя, полученного из холестерина, чем этрускомицин, амфотерицин В, пимарицин и нистатин. Различия в эффективности антибиотиков могут быть объяснены различным сродством ПА к стеринам. Так, например, показано, что филипин и нистатин легко проникают в монослои холестерина или эргостерина, но не взаимодействуют с фосфолипидами, в том числе с лецитином. Было подсчитано, что на каждые 100-250 молекул холестерина в слой внедряется одна молекула полиена, в результате которого происходит переориентация молекул стерина. С целью выяснения механизма формирования ионпроводящих полиеновых структур в мембранах необходимо было, прежде всего, исследовать на молекулярном уровне характерные особенности взаимодействия липидных компонентов мембран с ПА, как модификаторов мембранной проницаемости. БЛМ в этом отношении наиболее совершенная модель, на которой воспроизводятся важные функциональные и структурные особенности клеточных мембран. При изучении свойств одиночных ионных каналов и кинетики интегральной проводимости БЛМ в присутствии каналообразующих соединений с известной структурой молекул. Исследуя свойства одиночных каналов и кинетику интегральной проводимости мембран в присутствии ПА, можно выяснить механизм молекулярной перестройки канального комплекса за время его существования в мембране.

Каналы, формируемые в мембранах полиенами, представляют собой молекулярную структуру, которая состоит из нескольких молекул антибиотика и стерина. Исходя из химической структуры ПА, очевидно, что молекулы антибиотиков, попадая в водную фазу, стремятся занять энергетически выгодное состояние и образуют комплексы с минимумом свободной энергией. Причем эти комплексы формируются таким образом, что гидрофильные цепи молекул обращены в водную фазу, а гидрофобные цепи молекул разворачиваются внутрь молекулярного комплекса. В такой форме комплексы диффундируют к мембране и при взаимодействии с ней выворачиваются наизнанку, входят в мембрану и образуют канал, во внутренней полости которого оказываются гидрофильные цепи молекул. В то же самое время гидрофобные цепи, взаимодействуя с молекулами холестерина, обращаются в сторону липидной фазы. В мономолекулярной форме полиены не способны формировать проводящие для ионов и субстратов каналы в мембранах.

Следует отметить, что ПА и сегодня остаются самыми эффективными соединениями в борьбе с грибковой инфекцией. Несмотря на определенную токсичность, полиены оказывают самое эффективное воздействие на патогенные микроорганизмы и обладают способностью защитить иммуноослабленных больных, пораженных системной грибковой инфекцией, от летального исхода. Будущее ПА связано с химическим и биологическим синтезом новых антибиотиков и их производных с установлением их химической структуры и исследованием взаимосвязи между химической структурой ПА и их функцией в липидных и клеточных мембранах. Исследования, проводимые в указанном направлении, позволят получить лечебные препараты со значительно улучшенными фармакологическими свойствами и помогут эффективно использовать их в борьбе с грибковыми, гнойными и вирусными инфекциями. Эти исследования в дальнейшем будут способствовать расширению сферы использования новых ПА в терапевтических целях.