Ứng cử viên cho kháng sinh cơ chế mới – một mũi tên trúng hai đích

 

SCH-79797 là một chất có tiềm năng làm thuốc kháng sinh chống lại vi khuẩn gram âm và gram dương và không gây kháng thuốc bằng cách ức chế quá trình chuyển hoá folate và phá vỡ cấu trúc bền vững của màng tế bào. Irresistin-16, một dẫn xuất của SCH, đạt hiệu quả cao hơn SCH-79797 và có khả năng chống lại sự phát triển của Neisseria gonorrhoeae tại âm đạo chuột.
SCH-79797 là một chất có tiềm năng làm thuốc kháng sinh chống lại vi khuẩn gram âm và gram dương và không gây kháng thuốc bằng cách ức chế quá trình chuyển hoá folate và phá vỡ cấu trúc bền vững của màng tế bào. Irresistin-16, một dẫn xuất của SCH, đạt hiệu quả cao hơn SCH-79797 và có khả năng chống lại sự phát triển của Neisseria gonorrhoeae tại âm đạo chuột.

Kể từ khi penicillin được phát hiện vào năm 1929, cho đến nay, đã có hơn 20 nhóm kháng sinh đã được phát triển và sử dụng trên con người. Tuy nhiều là vậy, các nhóm kháng sinh này cũng như các kháng sinh mới phát minh vẫn tập trung vào các cơ chế diệt khuẩn phổ biến như ức chế màng tế bào và thành tế bào (beta lactam), ức chế tổng hợp protein (macrolide, tetracycline), ức chế sao chép DNA (quinolone), ức chế chuyển hóa folat (trimethoprim). Chính do sự tương tự về cơ chế khiến cho vi khuẩn dễ dàng và nhanh chóng phát triển chủng vi khuẩn có đột biến kháng kháng sinh, với những cơ chế kháng thuốc như thay đổi thành tế bào, tạo bơm tống thuốc, thay đổi đích tác dụng của thuốc, tạo enzyme ức chế kháng sinh….

Vì lẽ đó, việc tìm ra một loại kháng sinh có cơ chế tác dụng hoàn toàn mới nhằm điều trị các vi khuẩn đa kháng thuốc là hết sức cần thiết, lý tưởng là có thể diệt được cả vi khuẩn Gram âm và Gram dương mà không có kháng thuốc.

Mới đây, các nhà khoa học ở Princeton đã tìm ra một hoạt chất có thể tiêu diệt cả vi khuẩn Gram âm lẫn vi khuẩn Gram dương thông qua hai cơ chế độc lập, cũng như chống lại được sự kháng kháng sinh. Nhờ vào phương pháp sàng lọc toàn tế bào không thiên vị, họ đã sàng lọc các chất ức chế sự phát triển của E. coli lptD4213 và tìm ra một kháng sinh tiềm năng là SCH-79797 từ thư viện gồm 33000 chất. Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng SCH-79797 có thể ngăn sự nhân lên của nhiều vi khuẩn Gram âm và Gram dương một cách đáng kể, bao gồm cả Neisseria gonorrhoeae, hai chủng phân lập của Acinetobacter baumannii, Enterococcus faecalis và Staphylococcus aureus. SCH-79797 cũng có hoạt tính mạnh trên một số vi khuẩn kháng kháng sinh bao gồm cả WHO-L N. gonorrhoeae (chủng toàn kháng của lậu cầu, kháng tất cả kháng sinh hiện có) và MRSA (tụ cầu vàng kháng methicillin).

Một dẫn chất của SCH-79797 là Irresistin-16 (IRS-16), có cửa sổ điều trị tăng l00 lần so với SCH-79797 do tác dụng chọn lọc trên vi khuẩn mà ít gây độc tính trên tế bào động vật có vú hơn, cũng chứng minh hiệu quả trên mô hình chuột nhiễm Neisseria gonorrhoeae tại âm đạo.

SCH-79797 và IRS-16 có đặc điểm cấu trúc gồm nhân pyrroloquinazolinediamine nhắm vào chuyển hóa folat và một nhóm kỵ nước chứa nhân thơm (isopropylbenzen với SCH-79797 và biphenyl với IRS-16) tấn công vào màng tế bào (hình 1).

Hoạt chất mới tìm ra chưa gây phát sinh chủng vi khuẩn kháng

Theo Tiến sỹ Zemer Gitai, giáo sư sinh học tại Trường Đại học Princeton, tác giả chính của bài báo, “đây là chất kháng sinh đầu tiên có thể nhắm tới cả vi khuẩn Gram âm và Gram dương mà không gây kháng thuốc”.

Để chứng minh, các nhà khoa học đã thử nhiều thí nghiệm và phương pháp khác nhau nhưng không thí nghiệm nào cho thấy sự phát triển của vi khuẩn MRSA và B.subtilis kháng SCH-79797. Nhằm kiểm định lại phương pháp của mình, các nhà khoa học cũng đã thử với các kháng sinh khác (novobiocin, trimethoprim, nisin và gentamicin) với vi khuẩn MRSA và thấy vi khuẩn nhanh chóng phát triển chủng đề kháng với các thuốc này. Các chủng đột biến kháng các kháng sinh như trimethoprim và nisin cũng không chứng minh được đề kháng chéo với SCH-79797. Thí nghiệm trên vi khuẩn gram Âm như A.baumanii cũng cho kết quả tương tự (hình 2).

Hình2: Đề kháng của MRSA và A.baumanii với SCH-79797 và các kháng sinh khác (MIC: minimum inhibitory concentration: nồng độ ức chế tối thiểu)
Hình 2: Đề kháng của MRSA và A.baumanii với SCH-79797 và các kháng sinh khác (MIC: minimum inhibitory concentration: nồng độ ức chế tối thiểu)

 

Con Đường Tìm Ra Cơ Chế Diệt Khuẩn

Phương pháp bacterial cytological profiling (BCP, là phương pháp tế bào học vi khuẩn nhằm xác định cơ chế tác dụng của kháng sinh với vi khuẩn).

Việc không phân lập được các đột biến kháng SCH-79797 khiến chất này trở thành một ứng cử viên hấp dẫn cho kháng sinh mới nhưng cũng là thách thức cho việc xác định cơ chế tác dụng (MoA) của thuốc. Do đó, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp định lượng dựa trên hình ảnh để xác định xem MoA của SCH79797 có giống với bất kỳ kháng sinh nào trước đây hay không. Họ sử dụng phương pháp BCP, với nguyên tắc là là các kháng sinh có MoA tương tự sẽ dẫn đến các kiểu hình tế bào khi chết tương tư nhau. Như vậy bằng cách định lượng đặc điểm vi khuẩn khi chết, ta có thể hiểu rõ hơn về nguyên nhân gây chế (giống như khám nghiệm tử thi vi khuẩn). Áp dụng BCP vào SCH-79797 và 37 loại kháng sinh riêng biệt có cơ chế đã biết, các tác giả phát hiện chất mới không cho kết quả giống bất cứ kháng sinh nào.

Thermal proteome profiling

Do không có đột biến kháng thuốc và không có hình thái vi khuẩn khi chết giống các khác sinh khác, các nhà nghiên cứu chuyển sang cách tiếp cận thông lượng cao dựa trên hệ protein để xác định các đích của SCH-79797. Đặc biệt, họ sử dụng phương pháp thermal proteome profiling, một thí nghiệm sử dụng phép đo phổ khối để so sánh độ ổn định nhiệt của toàn bộ hệ protein khi có và không có điều trị bằng thuốc nghiên cứu. Các protein liên kết với thuốc được ổn định về nhiệt nên nhiệt độ kết tinh của chúng sẽ thay đổi. Sử dụng E. coli lptD4213, tác giả thấy có SHC-79797 làm thay đổi đáng kể sự ổn định về nhiệt của dihydrofolate reductase (chất tương đồng với DHFR ở E. coli được gọi là FolA)

Phát hiện cơ chế diệt khuẩn thứ hai

Lật lại kết quả từ BCP, tuy chất mới và trimethoprim đều nhắm vào chuyển hóa folate nhưng hình thái tế bào sau khi bị tiêu diệt lại khác nhau giữa hai thuốc. Điều này gợi ý rằng SCH79797 còn có một cơ chế diệt khuẩn nữa, khác với trimethoprim. Để có được manh mối về cơ chế bổ sung tiềm năng của SCH79797, các tác giả đã xem lại hình ảnh BCP huỳnh quang của các tế bào E. coli lptD4213 được xử lý bằng SCH-79797. Quan sát kết quả nhuộm xanh lá SYTOX ở một số vi khuẩn, họ thấy SCH-79797 làm tổn hại đến tính toàn vẹn của màng vi khuẩn. Các loại thí nghiệm tiếp theo cũng chứng minh SCH-79797 phá vỡ cả thế màng và tính thấm màng tế bào vi khuẩn, và đây không phải là kết quả do sự ức chế chuyển hóa folate.

Hoạt chất mới tác dụng theo hai cơ chế hiệp đồng nên có tác dụng mạnh hơn kết hợp 2 thuốc có cơ chế riêng lẻ

Nhóm nghiên cứu cũng đánh giá tác dụng hiệp đồng việc của điều trị phối hợp hai loại kháng sinh bao gồm một loại nhắm vào dihydrofolate reductase và một loại khác nhắm vào màng tế bào rồi so sánh hiệu quả kết hợp của hai thuốc so với SCH-79797. Kết quả là SCH-79797 có hiệu quả mạnh hơn kết hợp trimethoprim với nisin hoặc polymixin B trên vi khuẩn E. coli lptD4213. Hoạt chất nghiên cứu cũng có tác dụng diệt khuẩn với MRSA tốt hơn kết hợp trimethoprim với nisin hoặc daptomycin (hình 3).

Hình 3: SCH-79797 bắt chước lại kết hợp điều trị nhắm vào chuyển hóa Folate và rối loạn màng tế bào nhưng hiệu quả hơn
Hình 3: SCH-79797 bắt chước lại kết hợp điều trị nhắm vào chuyển hóa Folate và rối loạn màng tế bào nhưng hiệu quả hơn

Hình 3: SCH-79797 bắt chước lại kết hợp điều trị nhắm vào chuyển hóa Folate và rối loạn màng tế bào nhưng hiệu quả hơn

Những kết quả này cho thấy rằng, sự kết hợp hai cơ chế diệt khuẩn khác nhau trên cùng một phân tử, ít nhất là trong trường hợp của SCH-79797, tạo ra hiệu quả kháng khuẩn mạnh hơn so với điều trị bằng hai kháng sinh với hai tác dụng nhắm đích riêng biệt. Lý giải điều này, các nhà nghiên cứu cho rằng việc thu nạp một chất ức chế dihydrofolate reductase (DHFR) vào màng tế bào có thể làm tăng nồng độ hiệu quả (effective concentration) của thuốc hoặc tăng khả năng ức chế DHFR bằng cách cô lập nó. Việc thấm vào màng tế bào cũng có thể tăng cường khả năng tiếp cận của SCH-79797 đến mục tiêu là DHFR trong tế bào chất. Sự khác biệt giữa SCH-79797 và các phương pháp điều trị kết hợp cũng có thể là do sự khác biệt về nồng độ các thuốc hiệp đồng ở cục bộ, về hấp thu thuốc hoặc bơm tống thuốc. Bởi vì trimethoprim và các chất nhắm màng tế bào khác tác dụng đối kháng với nhau, trong khi việc ức chế DHFR và phá vỡ màng lại tác dụng hiệp đồng trong trường hợp của SCH79797, việc kết hợp các tác dụng kháng khuẩn trên cùng một phân tử nên có thể tránh được tác dụng đối kháng này.

TLTK:

  1. https://www.genengnews.com/topics/drug-discovery/antibiotic-compound-kills-gram-negative-pathogens-and-resists-resistance/
  2. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867420305675

Add a Comment

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *