Mit Frosch-Peptiden gegen Bakterienresistenzen

Dringend werden neue Antibiotika benötigt, da Bakterien zunehmend resistent gegen die vorhandenen antimikrobiellen Medikamente werden. Um diese Resistenzen zu umgehen, sollte bei der Suche nach neuen Antibiotika möglichst auch berücksichtig werden, dass die Wahrscheinlichkeit für Kreuzresistenzen umso geringer ist, je weiter sich die Wirkprinzipien von denen der klassischen Antibiotika unterscheiden.

Beide Aspekte wurden von Forschenden um Dr. Lucía Ageitos von der Machine Biology Group der School of Engineering and Applied Science an der University of Pennsylvania in Philadelphia in den Fokus genommen Sie beschreiben im Wissenschaftsjournal »Trends in Biotechnology« die Entwicklung und präklinische Validierung synthetischer antimikrobieller Peptide (AMP), die sie aus dem natürlichen Peptid Andersonin-D1 der Froschart Odorrana andersonii aus Südostasien ableiteten.

Ziel war es, für gramnegative Bakterien selektiv wirkende Peptide zu generieren, die möglichst nicht der nützlichen Mikrobiota schaden sollten. Dazu verkürzten die Forschenden zunächst das aus dem Frosch isolierte Peptid Andersonin-D1, das aus 15 Aminosäuren besteht, um ein N-terminales Phenylalanin zum dF-AndD1. Dies ist strukturell und physikochemisch optimiert, sodass Aggregations-Tendenzen minimiert und die Stabilität sowie die antimikrobielle Aktivität erhöht sind.

Anschließend tauschten die Forschenden der Reihe nach alle Aminosäuren durch Alanine aus (Ala-Scanning-Mutagenese), um so durch die Analyse der Struktur-Wirkungs-Beziehungen (SAR) die Rolle der einzelnen Aminosäuren systematisch zu analysieren. Dabei zeigte sich, dass vor allem die Hydrophobizität und die Nettoladung insbesondere im C-terminalen Bereich des Peptids entscheidend für die Aktivität waren.

In einer zweiten Versuchsreihe wurden gezielte Substitutionen mit Leucin und Lysin durchgeführt, um die Hydrophobizität und die Nettoladung gezielt zu modulieren. Die Peptide K13-dF-AndD1 und L3-dF-AndD1 zeigten hierbei die beste antibakterielle Wirkung gegen klinisch relevante gramnegative Pathogene, darunter Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa und Acinetobacter baumannii. Das grampositive Bakterium Staphylococcus aureus wurde hingegen nicht gehemmt.

Genauere Studien zum Wirkmechanismus ergaben, dass die bakterizide Wirkung auf eine Disruption bakterieller Membranen beruht. Die Peptide permeabilisieren die äußere Membran und depolarisieren in der Folge die Zytoplasmamembran, wobei es nicht zur vollständigen Permeabilisierung der Zytoplasmamembran kommt.

Bemerkenswerterweise waren keine Resistenzentwicklungen bei subinhibitorischer Peptidexposition nach bis zu 30 Tagen Expositionsdauer weder bei Wildtyp- noch hypermutatorischen E. coli-Stämmen erkennbar. In dieser Hinsicht unterscheiden sich die Peptide beispielsweise von klassischen Antibiotika wie Ciprofloxacin.

Zudem zeigten die Peptide keine Aktivität gegen elf getestete kommensale Darmbakterien und keine Zytotoxizität gegenüber Keratinozyten und HEK293T-Zellen.

In zwei präklinischen Mausmodellen, einem Modell für Hautinfektionen mit P. aeruginosa und ein Modell für eine systemische Infektion mit A. baumannii, senkten L3-dF-AndD1 und K13-dF-AndD1 die bakterielle Last signifikant, teils besser als klassischer Antibiotika, ohne dabei toxische Effekte zu verursachen.