УДК 615.331

Перспективы использования продигиозина Serratia marcescens в качестве фармацевтического препарата

Науменко Екатерина Анатольевна – ведущий научный сотрудник Института фундаментальной медицины и биологии Казанского (Приволжского) федерального университета

Гурьянов Иван Дмитриевич – старший научный сотрудник Института фундаментальной медицины и биологии Казанского (Приволжского) федерального университета

Аннотация: Продигиозин, красный пигмент, вырабатываемый некоторыми бактериями, такими как Serratia marcescens, вызывает интерес у исследователей в области фармацевтики из-за его многообещающего потенциала в различных терапевтических применениях. В ряде исследований был продемонстрирован потенциал продигиозина как антимикробного препарата. С ростом устойчивости к антибиотикам продигиозин является многообещающим решением для борьбы с устойчивыми штаммами и повышения эффективности существующей терапии антибиотиками. Исследования показали, что этот природный пигмент обладает противораковыми свойствами, подавляя рост и пролиферацию раковых клеток. Продигиозин проявляет свое противораковое действие, индуцируя апоптоз в раковых клетках, не нанося значительных повреждений здоровым клеткам. В данном обзоре мы рассмотрим возможности продигиозина и его перспективы как ценного инструмента в фармацевтических исследованиях и разработках.

Ключевые слова: продигиозин, антимикробная активность, противораковое действие, антивирусный агент, доставка лекарств.

Введение

Вторичные метаболиты грибов и бактерий достаточно давно изучаются в направлении поиска безопасных и биосовместимых альтернатив химически синтезированным препаратам. Пигменты бактерий, разнообразные и яркие соединения, вырабатываемые микроорганизмами, являются одним из многообещающих классов соединений с различными фармакологическими свойствами. Данные соединения уже давно привлекают внимание учёных с точки зрения их потенциального биомедицинского применения. Эти пигменты, синтезируемые различными видами бактерий, обладают уникальными физиологическими свойствами, которые делают их перспективными кандидатами для широкого круга областей исследования в биомедицине.

Продигиозин (ПГ) относят к группе биоактивных окрашенных молекул, образующихся в результате микробного метаболизма. ПГ представляет собой красный пигмент, в основном продуцируемый штаммами Serratia marcescens и некоторыми другими микроорганизмами, который демонстрирует многообещающую потенциальную терапевтическую активность [11] как противомикробное, противораковое, фунгицидное, антималярийное средство.

В последние годы отмечается рост исследований в области практического применения ПГ, в основном посвящённых его получению, а также антимикробному и противораковому потенциалу. Несмотря на ряд преимуществ ПГ в биомедицинской сфере, например, выявленная селективная активность по отношению к раковым клеткам, масштабное коммерческое производство и выход на рынок потенциально эффективных препаратов затруднены в связи с некоторыми причинами. В частности, наиболее известный штамм-продуцент ПГ Serratia marcescens, принадлежащий к семейству Enterobacteriaceae, вызывает ряд опасных патологий у млекопитающих [17]. В медицинской практике очень сложной проблемой является госпитальная инфекция, вызванная этим штаммом, которая приводит к сепсису, кератиту, конъюнктивиту, заражению хирургических ран, пневмонии и т.д. [21] и является причиной серьёзных патологий и гибели в неонатальном периоде, особенно при длительном нахождении в боксах интенсивной терапии [5]. При этом  применение антисептиков, таких как хлоргексидин, может приводить к увеличению вирулентности данного микроорганизма [15] Однако следует отметить, что наиболее часто причиной внутрибольничных инфекций становятся беспигментные штаммы [4, с. 28]. Ещё одним немаловажным аспектом, который тормозит промышленное производство ПГ, является использование достаточно дорогих компонентов питательных сред для культивирования штамма-продуцента в лабораторных условиях. Отходы сельскохозяйственного производства, такие как стержни кукурузы, солома, кожура плодов, и жом сахарного тростника, богатые целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином, считаются дешёвыми и многообещающими субстратами для производства ценных продуктов. В настоящее время ведутся поиски дешёвых и эффективных в отношении выхода ПГ субстратов, учитывающих кроме всего прочего принципы устойчивого развития в сфере экологии. Изучена эффективность таких субстратов, как рисовая солома [23], жмых масличных культур  [2]. Другим немаловажным препятствием к расширению производства ПГ является сама процедура экстракции красителя из клеток, которые требуют применения растворителей, а, что в свою очередь предполагает использование  дорогостоящего и устойчивого к растворителям оборудования.

Наконец, терапевтическое применение ПГ требует систематических доклинических и клинических исследований. ПГ был, например, вовлечен в клинические испытания в качестве препарата для лечения кокцидиомикоза [34], однако подробная информация по данному исследованию недоступна. Известно о ряде проведенных клинических испытаний противоракового препарата обатоклакс, который является производным ПГ. Было завершено несколько клинических исследований фазы II, в которых изучалось использование обатоклакса при лечении лейкемии, лимфомы, миелофиброза и мастоцитоза [25 с. 24], однако он так и не был одобрен для применения в качестве лекарственного препарата. В настоящее время клинические испытания не проводятся, однако наблюдается рост интереса исследователей к изучению различных терапевтических свойств ПГ.

Цель данного обзора состоит в систематизации основных трендов в области применения пигмента ПГ в качестве биофармацевтического препарата для терапии заболеваний и в качестве агента для обработки поверхностей. Мы также затронем вопрос разработки носителей для эффективной доставки ПГ к целевым тканям для терапии онкологических заболеваний.

Антибактериальная активность продигиозина

Бактериальные пигменты продемонстрировали мощные антимикробные свойства и способность эффективно бороться с бактериями, устойчивыми к лекарственной терапии. ПГ и продигиозиноподобные пигменты проявляют сильнейшую антибактериальную активность по отношению как к грамотрицательным, так и грамположительным бактериям. В частности, была выявлена способность продигиозина подавляют рост и вызывать лизис клеток дикого типа Bacillus subtilis за счет индукции автолизинов, тогда как клетки, с дефицитом по генам автолизинов демонстрировали значительно более высокие уровни выживаемости [6]. Продигиозин также подавлял рост Salmonella enterica (Typhimurium) [18]. Норпродигиозин, синтезируемый морскими Serratia sp. проявил активность против Pseudomonas aeruginosa [16]. Сообщалось также, что он проявляет ингибирующую активность в отношении Vibrio paraheamolyticus [13]. Эти исследования показывают перспективы природного антибиотика ПГ в качестве потенциальной альтернативы синтетическим лекарственным соединениям.

Антимикробная активность ПГ объясняется рядом исследователей тремя механизмами, такими, как расщепление бактериальной дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), ингибированием клеточного цикла и модуляцией pH [14]. Кроме того среди потенциальных механизмов рассматривается фототоксичность [33] и образование активных форм кислорода (АФК) [8]. Имеется предположение, что противомикробные свойства продигиозина объясняются не только разрушением отдельных клеточных мишеней, но, в свою очередь, могут оказывать плейотропное воздействие на физиологию бактерий, например нарушать целостность внешней мембраны, клеточное дыхание, а также синтез бактериальной РНК и белков [7]. Yip с соавторами предположили, что продукция антибактериального пигмента ПГ S. marcescens, вероятнее всего, является частью стратегии межвидовой конкуренции в окружающей среде [36]. Авторы показали, что ПГ имеет более высокую селективность в отношении грамположительных бактерий. Они предположили, что механизмы антагонистического действия могут включать повышение клеточной проницаемости продигиозином за счет взаимодействия со структурой пептидогликана грамположительных бактерий, нарушение секреции бактериальной протеазы или протеолитической активности, а также ингибирование процесса образования биопленок.

Yan с соавторами показали антибиопленочную активность ПГ против устойчивого к противомикробным препаратам Staphylococcus aureus, однако авторы отмечают, что механизм этого процесса ещё предстоит понять [35]. В работе была проведено изучение антибиопленочной активности ПГ против 29 клинических штаммов S. aureus и показано, что ПГ проявляет многообещающую ингибирующую активность в отношении образования биопленок и синергетическую активность в сочетании с антибиотиком ванкомицином. Кроме того, ПГ эффективно снижал метаболическую активность биопленок и подавлял выработку экзополисахаридов, что можно объяснить подавлением генов, связанных с образованием биопленок, таких как sarA, agrA и icaA. Эти результаты позволяют предположить, что ПГ можно использовать в качестве профилактического покрытия или адъюванта против биопленок в клинических условиях. Кроме того показана эффективность продигиозина в предотвращении обрастания различных объектов, находящихся в морской воде. Например, в исследовании Priya с соавторами ПГ, выделенный из морских изолятов S. marcescens, показал ингибирующую активность в отношении таких видов морских бактерий, образующих плёнки обрастания, как Gallionella sp. и Alteromonas sp. Он также ингибировал адгезию Cyanobacterium sp. на поверхности стекла [27]. Таким образом, помимо клинического использования, ПГ может применяться как антифоулянт для покрытий трубопроводов, днищ кораблей, свай и других конструкций, находящихся в морской воде.

Продигиозин как противораковый препарат: механизмы действия и перспективы

Ещё одно перспективное направление применения пигмента ПГ связано с его способностью подавлять рост раковых клеток, при этом оказывая незначительное отрицательное действие на здоровые ткани. Этот селективный цитотоксический эффект делает ПГ привлекательным кандидатом для создания фармацевтического препарата для лечения онкологических заболеваний. К настоящему моменту проведены многочисленные исследования способности ПГ подавлять рост раковых клеток in vitro и ингибировать развитие опухолей in vivo [1]. При этом механизм действия молекулы ПГ, приводящий к подавлению раковых клеток, до конца не изучен; основной теорией является способность ПГ индуцировать апоптоз в раковых клетках [26]. Механизм действия включает развитие митохондриальной дисфункции и истощения АТФ в раковой клетке [29]. Показано, что Обатоклакс, препарат на основе ПГ, является антагонистом семейства белков BCL-2, которые сверхэкспрессируются при многих типах рака [9, 20].

Важными аспектами при использовании любого соединения в качестве препарата для противораковой терапии является повышение эффективности, снижение дозировки и повышение безопасности для окружающих здоровых тканей. Упомянутый выше препарат Обатоклакс, несмотря на его эффективность в отношении некоторых видов рака, был снят с клинических испытаний в связи с развитием системных нарушений у пациентов. При этом, следует отметить, что подобные нарушения развиваются также при химиотерапии рака зарегистрированными препаратами [19]. Наиболее эффективной стратегией для снижения токсического воздействия и повышения биосовместимости лекарственных препаратов является разработка эффективных и безопасных носителей. Так, например, заключение Обатоклакса в мембраны эритроцитов, приводило к увеличению его эффективности при снижении дозировки и снижению токсичности [3]. В целом, низкая растворимость пигмента ПГ требует создания эффективных систем для его доставки, которые могут быть разработаны, в том числе, на основе нанотехнологий.

Включение противораковых препаратов в нано размерные носители или связывание с наночастицами может обеспечить ряд преимуществ, таких как улучшение биологической активности, нацеливание на опухолевые клетки за счет связывания со специфическими маркерами, а также уменьшение дозировки [12]. Одним из предложенных носителей для доставки ПГ в клетки являются природные нанотрубки галлуазита, которые сами по себе являются нетоксичными для клеток. Показано селективное токсическое и генотоксическое действие нано-препарата на основе нанотрубок минерала галлуазита, загруженных ПГ, против раковых клеток, тогда как в отношении немалигнизированных клеток негативный эффект не наблюдался [10]. Однако, минеральные нанотрубки не могут служить основой для создания препарата для внутривенного введения, в связи с чем поиск эффективных и безопасных носителей для ПГ является перспективным направлением исследований, посвященных разработке новых противораковых препаратов.

Механизмы противовирусной активности продигиозина

ПГ является мультимодальным биоактивным соединением. Помимо описанных выше антимикробной и противораковой активностей ПГ, согласно ряду сообщений, обладает также противовирусной активностью. В частности, была обнаружена противовирусная активность бактериального пигмента ПГ на клетках, инфицированных нуклеополигедровирусом тутового шелкопряда Bombyx mori in vitro  [37]. Продигиозин в нетоксичных концентрациях избирательно убивал инфицированные вирусом клетки, ингибировал транскрипцию вирусных генов, особенно раннего вирусного гена ie-1, и предотвращал опосредованное вирусом слияние мембран.

Suryawanshi с соавторами продемонстрировали противовирусный потенциал ПГ, продуцируемого Serratia marcescens, при инфекции вируса простого герпеса (ВПГ-1 и ВПГ-2), используя модели инфекции ВПГ in vitro, ex vivo и in vivo [30]. В данной работе ПГ продемонстрировал высокую эффективность в ингибировании репликации вируса ВПГ за счет блокировки нарушений регуляции нескольких сигнальных путей во время развития инфекции. ПГ индуцировал апоптоз в инфицированных ВПГ клетках посредством ингибирования Akt и NF-κB. Полученные результаты согласуются с работами, указывающими на проапоптотическую роль продигиозина.

В другой работе была продемонстрирована противовирусная активность производного ПГ, обатоклакса, против альфавирусов [31]. Механизм противовирусного действия обатоклакса был постулирован авторами как ингибирование слияния вируса с клетками, опосредованное изменением эндосомального pH. Дальнейшие противовирусные исследования SARS-Cov-2 с обатоклаксом показали ингибирование репликации в культурах эпителиальных клеток, причем механизм ингибирования был также связан с подкислением эндосом и нарушением активности фурина и катепсина [32; 22].

Хотя ПГ показал значительный потенциал в качестве противовирусного агента в ряди исследований, необходимы дальнейшие исследования, чтобы полностью понять механизм его действия и оптимизировать его использование. Исследование производных ПГ, комбинированной терапии и методов доставки лекарств, вероятно, могут создать условия для разработки эффективных противовирусных препаратов на основе ПГ в будущем.

Заключение

Хотя продигиозин имеет огромные перспективы для создания фармацевтических препаратов, существует ряд проблем, которые необходимо решить, прежде, чем его потенциал сможет быть реализован в полной мере. Одним из основных препятствий является ограниченная доступность продигиозина из природных источников. Низкий выход этого пигмента и использование сравнительно дорогих компонентов питательных сред затрудняет крупномасштабное производство. Однако уже существует большое количество исследований, направленных на создание дешевых питательных сред на основе отходов сельского хозяйства, обеспечивающих хороший выход пигмента. В свою очкредь, достижения в области генной инженерии могут предложить инновационные решения для преодоления ограничения, связанного с низким выходом пигмента. Кроме того, внимательного рассмотрения требуют потенциальная токсичность и стабильность продигиозина. Хотя в некоторых исследованиях продигиозин показал низкую токсичность и генотоксичность, необходимы дальнейшие исследования для тщательной оценки профиля его безопасности. Кроме того, решающее значение имеет повышение стабильности продигиозина для обеспечения его эффективности и долговечности в фармацевтических препаратах.

В заключение можно сказать, что продигиозин имеет большие перспективы в качестве ценного природного соединения в области фармацевтики. Его антимикробные и противовирусные свойства, а также противораковое действие делают его привлекательным кандидатом для дальнейших исследований и разработок.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант №20-015-00353 А.

Список литературы

  1. Anwar M.M., Albanese C., Hamdy N.M. et al. Rise of the natural red pigment ‘prodigiosin’ as an immunomodulator in cancer // Cancer Cell Int. 2022. №22, 419.
  2. Bhagwat A., Padalia U. Optimization of prodigiosin biosynthesis by Serratia marcescens using unconventional bioresources // J Genet Eng Biotechnol. 2020. №18(1):26.
  3. Chen S., Ren Y., Duan P. Biomimetic nanoparticle loading obatoclax mesylate for the treatment of non-small-cell lung cancer (NSCLC) through suppressing Bcl-2 signaling // Biomed Pharmacother. 2020. 129:110371
  4. Clayton E., Graevenitz A.V. Nonpigmented Serratia marcescens // 1966. №197(13). P.1059–1064.
  5. Cristina M.L., Sartini M., Spagnolo A.M. Serratia marcescens Infections in Neonatal Intensive Care Units (NICUs) // Int J Environ Res Public Health. 2019 №16(4). 610.
  6. Danevčič T, Borić Vezjak M, Tabor M, Zorec M, Stopar D. Prodigiosin Induces Autolysins in Actively Grown Bacillus subtilis Cells // Front Microbiol. 2016. №7. 27.
  7. Danevčič T, Borić-Vezjak M, Zorec M, Stopar D. Prodigiosin-A multifaceted Escherichia coli antimicrobial agent // PLoS One. 2016. №11(9).
  8. Darshan N, Manonmani HK. Prodigiosin inhibits motility and activates bacterial cell death revealing molecular biomarkers of programmed cell death // AMB Express. 2016. 6(1).
  9. Goard CA, Schimmer AD. An evidence-based review of obatoclax mesylate in the treatment of hematological malignancies // Core Evid. 2013. №8. P. 15–26.
  10. Guryanov I, Naumenko E, Akhatova F, Lazzara G, Cavallaro G, Nigamatzyanova L, Fakhrullin R. Selective Cytotoxic Activity of Prodigiosin@halloysite Nanoformulation. Front Bioeng Biotechnol. 2020. №8. 424.
  11. Han R, Xiang R, Li J, et al. High-level production of microbial prodigiosin: a review // J Bas Microbiol. 2021; 61(6): 506-523
  12. Islan GA, Cacicedo ML, Bosio VE, et al. Advances in smart nanopreparations for oral drug delivery // Sma Pharm Nano. 2016: 479–521
  13. Jafarzade, M.; Yahya, N.A.; Shayesteh, F.; Usup, G.; Ahmad, A. Influence of Culture Conditions and Medium Composition on the Production of Antibacterial Compounds by Marine Serratia sp. WPRA3 // Microbiol. 2013. № 51. P. 373–379.
  14. Yan J., Yin Q., Nie H., Liang J., Liu X.-R., Li Y., Xiao H. Prodigiosin as an antibiofilm agent against multidrug-resistant Staphylococcus aureus // Biofouling, 2023. №39:4. P. 444-458.
  15. Kamble K.D., Hiwarale V.D. Prodigiosin production from Serratia marcescens strains obtained from farm soil // Int J Environ Sci. 2012. №3(1). 631–638.
  16. Kampf G. Biocidal agents used for disinfection can enhance antibiotic resistance in Gram-Negative species. // Antibiotics. 2018. №7:110.
  17. Karbalaei-Heidari H.R.; Partovifar M.; Memarpoor-Yazdi M. Evaluation of the Bioactive Potential of Secondary Metabolites Produced by a New Marine Micrococcus Species Isolated from the Persian Gulf // Avicenna J. Med. 2020. №12. P. 61–65.
  18. Kurz C.L., Chauvet S., Andrès E., et al. Virulence factors of the human opportunistic pathogen Serratia marcescens identified by in vivo screening // EMBO J. 2003. №22(7). P.1451–1460.
  19. Lee J.C., Kim Y.-S.,Park S., Kim J., Kang S.-J., Lee M.-H., Ryu S., Choi J.M., Oh T.-K., Yoon J.-H. Exceptional Production of Both Prodigiosin and Cycloprodigiosin as Major Metabolic Constituents by a Novel Marine Bacterium, Zooshikella rubidus S1-1 // Appl. Microbiol. 2011. №77. P. 4967–4973
  20. Liebman HA. Thrombocytopenia in cancer patients // Thromb Res. 2014 №133 Suppl 2. S63-9.
  21. Lim B, Greer Y, Lipkowitz S, et al. Novel apoptosis-inducing agents for the treatment of cancer, a new arsenal in the toolbox // Cancers (Basel). 2019. №11(8). 1087
  22. Mahlen S.D. Serratia infections: from military experiments to current practice // Clin Microbiol Rev. 2011 №4. P. 755-7
  23. Mao B., Le-Trilling V.T.K., Wang K., et al. Obatoclax inhibits SARS-CoV-2 entry by altered endosomal acidification and impaired cathepsin and furin activity in vitro // Emerg Microbes Infect. 2022. №11(1). 483–497
  24. Miglani, K., Singh, S., Singh, D.P., Krishania, M. Sustainable Production of Prodigiosin from Rice Straw Derived Xylose by Isolated Serratia Marcescens (CMS 2): Statistical Optimization, Characterization, Encapsulation & Cost Analysis // Sustain. Food Technol. 2023, https://doi.org/10.1039/d3fb00100h.
  25. Oki Y., Copeland A., Hagemeister F., Fayad L. E., Fanale M., Romaguera J., Younes A. Experience with obatoclax mesylate (GX15-070), a small molecule pan-Bcl-2 family antagonist in patients with relapsed or refractory classical Hodgkin lymphoma // 2012. №119 (9). P.2171–2172.
  26. Parikh A., Kantarjian H., Schimmer A., Walsh W., Asatiani E., El-Shami K., Winton E., Verstovsek S.  "Phase II Study of Obatoclax Mesylate (GX15-070), a Small-Molecule BCL-2 Family Antagonist, for Patients with Myelofibrosis // Clinical Lymphoma, Myeloma & Leukemia. 2010. №10(4). Р.285–289.
  27. Pérez-Tomás R, Montaner B, Llagostera E, et al. The prodigiosins, proapoptotic drugs with anticancer properties // Biochem Pharmacol. 2003. №66(8). P.1447–1452.
  28. Priya K.A., Satheesh S., Balasubramaniem A.K., Varalakshmi P., Gopal S., Natesan S. Antifouling Activity of Prodigiosin from Estuarine Isolate of Serratia marcescensCMST 07. In Microbiological Research In Agroecosystem Management, 1st ed.; Velu, R.K., Ed.; Springer: New Delhi, India, 2013; pp. 11–21.
  29. Roy P, Ahmed NH, Grover RK. Non-pigmented strain of serratia marcescens: an unusual pathogen causing pulmonary infection in a patient with malignancy. J Clin Diagn Res. 2014. №8(6). DD05-6.
  30. Soto-Cerrato V, Llagostera E, Montaner B, et al. Mitochondria-mediated apoptosis operating irrespective of multidrug resistance in breast cancer cells by the anticancer agent prodigiosin // Biochem Pharmacol. 2004. №68(7). P.1345–1352.
  31. Suryawanshi RK, Koujah L, Patil CD, Ames JM, Agelidis A, Yadavalli T, Patil SV, Shukla D. Bacterial Pigment Prodigiosin Demonstrates a Unique Antiherpesvirus Activity That Is Mediated through Inhibition of Prosurvival Signal Transducers // J Virol. 2020. №394(13). e00251-20.
  32. Varghese FS, Rausalu K, Hakanen M, et al. Obatoclax inhibits alphavirus membrane fusion by neutralizing the acidic environment of endocytic compartments // Antimicrob Agents Chemother. 2017. №61(3). DOI:10.1128/AAC.02227-16
  33. Varghese FS, van Woudenbergh E, Overheul GJ, et al. Berberine and obatoclax inhibit sars-cov-2 replication in primary human nasal epithelial cells in vitro // Viruses. 2021. №13(2). 282.
  34. Wang F, Luo H, Song G, Liu C, Wang J, Xu J, et al. Prodigiosin found in Serratia marcescens y2 initiates phototoxicity in the cytomembrane // Electron J Biotechnol. 2013. №16(4). 
  35. Wier R.H., EGEBERG R.O., LACK A.R., LEIBY G. A clinical trial of prodigiosin in disseminated coccidioidomycosis // Am J Med Sci. 1952 №224(1). P.70-7
  36. Yip C.H., Mahalingam S., Wan K.L., Nathan S. Prodigiosin inhibits bacterial growth and virulence factors as a potential physiological response to interspecies competition // PLoS One. 2021. №23;16(6). e0253445. doi: 10.1371/journal.pone.0253445. 
  37. Zhou W., Zeng C., Liu R. et al.Antiviral activity and specific modes of action of bacterial prodigiosin against Bombyx mori nucleopolyhedrovirus in vitro // Appl Microbiol Biotechnol. 2016. №100. 3979–3988.

Интересная статья? Поделись ей с другими: