Почему прием антибиотиков после химиотерапии приводит к почечной недостаточности?

У людей с ослабленной иммунной системой (ВИЧ-инфицированных пациентов, пациентов с ожоговой болезнью и пациентов, прошедших курс химиотерапии) высок риск развития грибковой инфекции. Самым эффективным лекарственным препаратом для ее лечения считается амфотерицин В, применение которого связано с развитием у пациентов тяжелых побочных эффектов, таких как почечная, печеночная и даже сердечная недостаточность.

Результаты экспериментов по рассеянию нейтронов, проведенные учеными из Королевского Колледжа Лондона (King's College London, Великобритания) и Института Лауэ-Ланжевена (Institut Laue-Langevin, Франция), наконец позволили получить новые данные о причинах возникновения у пациентов таких побочных эффектов. Новые данные помогут разработать антифунгальные лекарственные препараты с минимальными побочными эффектами. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.

Во вдыхаемом человеком воздухе – как в помещении, так и на улице – содержатся споры грибов. В большинстве случаев иммунная система нашего организма подавляет грибковую инфекцию, однако иногда споры могут вызывать аллергию, бронхиальную астму и дерматиты.

Споры грибов опаснее для здоровья людей с ослабленной иммунной системой, в частности, для ВИЧ-инфицированных пациентов, пациентов с ожоговой болезнью и пациентов, прошедших курс химиотерапии.

Самым эффективным лекарственным препаратом для лечения грибковой инфекции считается амфотерицин В (Amphotericin B, AmB), который был разработан еще в 1950-х гг. Без назначения курса этого препарата уровень смертности, ассоциированный с развитием грибковой инфекции у чувствительных к ней пациентов, составляет приблизительно 80%, в то время как лечение препаратом снижает смертность до 30%.

За последние двадцать лет число случаев развития грибковой инфекции, вызванной устойчивыми к действию антибиотика AmB штаммами микроорганизмов, значительно возросло. Врачи были вынуждены назначать больным более высокие дозы препарата, что приводило к возникновению у пациентов тяжелых побочных эффектов, а в некоторых случаях – к летальному исходу. Анализ результатов применения повышенных доз препарата AmB показал, что у приблизительно у 50% пациентов нарушается работа почек. Так, в одном из исследований было установлено, что диализ потребовался 15% больным, принимавшим повышенную дозу антибиотика AmB. В некоторых случаях назначение антибиотика AmB может вызвать у пациента развитие почечной, печеночной или даже сердечной недостаточности.

AmB традиционно относят к антибиотикам из-за сходства в механизмах биологического действия: AmB взаимодействует с молекулами цитоплазматической мембраны клетки и образует в ней поры, что приводит к гибели клетки.

В состав мембран грибов входит жирорастворимый спирт эргостерол, а клеточные мембраны животных и человека содержат другой спирт – холестерол. AmB быстрее реагирует с эргостеролом, чем с холестеролом, что вызывает формирование пор прежде всего в мембранах микроорганизмов. Именно по этом причине AmB можно использовать для лечения инфекционных заболеваний у человека без вреда для его здоровья. Однако, ученые так и не нашли прямых доказательств, подтверждающих эту гипотезу.

Структурный анализ методом нейтронной дифракции

В новой статье, авторами которой стали доктор Дэвид Барлоу (David Barlow) и его коллеги из Королевского Колледжа Лондона, описаны эксперименты по дифракции нейтронов, проведенные в Институте Лауэ-Ланжевена – ведущем центре, занимающемся изучением нейтронов. Проведенные эксперименты позволили установить механизм взаимодействия лекарственного препарата AmB с мембранами клеток грибов и животных на субмолекулярном уровне.

Как любые частицы, нейтроны обладают волновой природой, и в момент столкновения с преградами, имеющими размеры, сопоставимые с длиной их волны, они рассеиваются под определенным углом. Это свойство нейтронов позволяет ученым из таких учреждений, как Институт Лауэ-Ланжевена, в которых находятся мощные источники нейтронного излучения, анализировать модели рассеивания и делать выводы о структуре материала, через который прошли нейтроны.

Команда исследователей смоделировала два типа модельных мембран, содержащих слой липидов, в состав которых входил холестерол либо эргостерол. Ученые использовали метод дейтерирования, при котором дейтерий (более тяжелый изотоп водорода, состоящий из одного протона и одного электрона) вводится либо в мембранную модель, либо в лекарственный препарат, маркируя эту часть системы, для того, чтобы отследить ее изменения во время взаимодействия.

Используя данную методику, исследовательская команда впервые получила экспериментальные доказательства появления после введения антибиотика AmB в двух мембранах пор бочкообразной формы.

Оказалось, что одинаковая, относительно невысокая, доза препарата приводила к формированию более глубоких пор в мембране гриба, чем в мембране человеческих клеток. Это означает, что при приеме антибиотика AmB в низких дозах в мембранах грибов могут образовываться поры, которых в человеческих клетках не будет. Но при увеличении дозы антибиотика в двух типах мембран появляются поры, повреждающие эти клетки.

Различия в проницаемости мембран можно объяснить разницей в угле проникновения лекарства в разные клетки, что было впервые установлено в этом исследовании. Угол наклона при проникновении препарата AmB в мембрану гриба, содержащую эргостерол, меньше, чем при его внедрении в мембрану клетки человека, содержащую холестерол.

На следующем этапе экспериментов доктор Барлоу планирует повысить разрешающую способность метода, что позволит точно идентифицировать компонент лекарственного препарата, образующий бочкообразные структуры в клеточных мембранах. Именно с этой областью лекарственного препарата должны работать фармакологи, чтобы повысить специфичность AmB в отношении грибов или создать совершенно новый антибиотик, обладающий меньшим числом побочных эффектов.

По словам доктора Дэвида Барлоу, побочные эффекты, возникающие в результате приема AmB, негативно влияют на состояние здоровья пациентов и могут даже привести к летальному исходу. «Проблема заключается в том, что, несмотря на то, что препарат был разработан еще в 1950-х гг., до настоящего момента никто экспериментально не продемонстрировал механизм работы AmB», - говорит ученый.

Молекулярная модель антибиотика AmB (фото: Dr. David Barlow, King's College London)

По материалам King's College London

Оригинальная статья:
David Barlow et al. Neutron diffraction studies of the interaction between amphotericin B and lipid-sterol model membranes. Scientific Reports, 29 October 2012 DOI: 10.1038/srep00778