proteina membranei exterioare a (OmpA) ca țintă terapeutică potențială pentru infecția cu Acinetobacter baumannii
Acinetobacter baumannii (A. baumannii) provoacă infecții dobândite în spital (HAI), cum ar fi pneumonia asociată ventilatorului, bacteremia, infecțiile tractului urinar, meningita și infecțiile chirurgicale ale plăgilor, ceea ce duce la o creștere a mortalității la pacienți. Factorii de risc pentru aceste infecții includ ventilația mecanică, utilizarea antibioticelor cu spectru larg, timpul de ședere al UCI și coma . Statistic, aproximativ 1.000.000 de persoane la nivel global au fost infectate cu A. baumannii în fiecare an, iar jumătate din aceste infecții au fost cauzate de tulpini multirezistente (MDR). Rata mortalității infecției cu A. baumannii în UTI a fost de 45~60%, ajungând chiar la 84,3% atunci când pacienții au fost infectați cu rezistență extensivă la medicamente (XDR) A. baumannii . În 2017, rezistent la Carbapenem A. baumannii (CRAB) s-a clasat pe primul loc în ceea ce privește amenințările la adresa sănătății umane și urgența dezvoltării antibioticelor relevante, potrivit listei bacteriilor rezistente la medicamente publicată de OMS .cu toate acestea, colistina (CST) și tegaciclina, cele mai frecvent utilizate antibiotice împotriva GNB producătoare de carbapenemază, au devenit ineficiente din cauza rezistenței la antibiotice . Pentru a obține eficacitatea clinică, medicii au trebuit să crească doza de CST și să o combine cu tegaciclina . Din păcate, pentru bacteriemie și infecții grave ale tractului respirator cauzate de CRAB și XDR-A. baumannii respectiv, terapia combinată încă nu a funcționat eficient . În fața rezistenței bacteriene grave, cercetătorii și-au dat seama că este urgent să se dezvolte noi strategii antibacteriene, mai degrabă decât să se bazeze pe antibiotice tradiționale.
În general, există două moduri de a proiecta noi agenți antimicrobieni. Una este de a inhiba producția de substanță esențială pentru supraviețuirea bacteriilor; cealaltă este de a inhiba factorii de virulență sau genele de rezistență la antibiotice ale bacteriilor patogene pentru a suprima patogenitatea sau a îmbunătăți sensibilitatea lor la antibiotice . Cu toate acestea, inhibarea unei singure componente esențiale aduce în mod inevitabil o mare presiune evolutivă asupra bacteriilor și promovează dezvoltarea tulpinilor rezistente la medicamente la nivel înalt . Prin urmare, noua strategie de intervenție care vizează procesele non-enssențiale este cheia pentru depășirea rezistenței bacteriene . De exemplu, inhibarea sistemelor de detectare a Cvorumului AbaI/AbaR cu agent inhibitor natural sau sintetic blochează comunicarea între bacterii și inhibă formarea biofilmelor . Ca o clasă de factori importanți de virulență în bacterii, proteinele membranei exterioare (OMP) au atras mult mai multă atenție.
OMP-urile sunt o clasă de proteine membranare integrale unice ancorate în OM, ale căror structuri de baril-uri au fost formate din 8 până la 26 de fire. Există bucle mari, extinse între firele de pe partea extracelulară și buclele scurte pe partea periplasmică. Aceste caracteristici conferă OMP-urilor o stabilitate ridicată în membrană și capacitatea de a lupta împotriva mediilor extrem de dure . Deși OMP-urile diferite posedă secvențe și funcții diferite, ele au o structură și proprietăți biologice similare . Omp-urile de bacterii constau din fire de număr par și, important, funcția și numărul de forfecare depind de secvențele lor. De exemplu, ca proteine legate de virulență, proteina care leagă complementul OmpX în E. coli și proteina care leagă fibronectina și heparina Ail în Yersinia pestis au o structură similară comparabilă, dar identitatea secvenței lor a fost mai mică de 45%. Diversitatea secvenței OMPs are loc la borna n substanțial mai mare decât borna C, iar semnalul secvent conservat controlează plierea și asamblarea corectă a OMPs .
cu toate acestea, până în prezent, tipurile de OMP în A. baumannii nu au fost identificate în mod clar, și doar câteva rapoarte împrăștiate au fost disponibile, în principal, inclusiv BamA, LptD, Omp33–36, OmpW. CarO și OprD. BamA în sine ca OMP se poate insera automat în OM și este responsabil pentru asamblarea altor OMP-uri ; LptD mediază transportul LPS către membrana exterioară (OM), a cărei pierdere poate provoca acumularea de intermediari și localizarea defectelor LPS și, în cele din urmă, poate duce la perturbarea integrității membranei bacteriene ; Omp33–36 este un canal pentru trecerea apei, care poate induce apoptoza celulelor gazdă prin activarea caspazei și reglarea autofagiei ; OmpW este un fel de porin hidrofob existent în OM și citoplasmă și joacă un rol important în modularea homeostaziei ionului de fier în bacterii ; CarO și OprD sunt legate de rezistența carbapenem .
printre acele OMP-uri ale lui A. baumannii, OmpA este cel mai profund studiat factor de virulență care joacă roluri cheie în reglarea aderenței, agresivității și formării biofilmului A. baumannii și a răspunsului imun al gazdei. Supraproducția OmpA este un factor de risc independent pentru rata mortalității pneumoniei nosocomiale și a bacteremiei cauzate de A. baumannii . Mai mult, nivelul de Expresie al OmpA măsurat prin qRT-PCR poate fi utilizat ca indice de diagnostic rapid pentru A. baumannii rezistent la antibiotice, prin care rezultatele sunt foarte consistente cu cele prin analiza tradițională a MIC .
această revizuire a prezentat structura, funcția și patogeneza AbOmpA, a rezumat strategiile terapeutice care vizează AbOmpA și a subliniat de ce AbOmpA este o țintă potențială pentru tratamentul A. baumannii.
- structura și funcția OmpA
- AbOmpA este esențială pentru ca A. baumannii să adere și să invadeze celulele epiteliale
- AbOmpA stimulează răspunsul imun înnăscut
- AbOmpA induce formarea biofilmului
- Permeația antibioticelor moleculare mici prin AbOmpA
- reglarea expresiei AbOmpA
- strategii terapeutice care vizează polipeptida Abompa
- vaccin
- anticorpi monoclonali (mab)
structura și funcția OmpA
OmpA a fost identificată pentru prima dată ca o proteină modificabilă la căldură în Escherichia coli (E. coli) în 1974 și purificată inițial în 1977. Masa sa moleculară variază de la 28 kDa la 36 kDa . Familia OmpA este un grup de proteine porinice expuse la suprafață, cu un număr mare de copii în OMP-uri de GNB. Domeniul n-terminal al OmpA este o structură antiparalelică cu baril de tip VIII formată din opt fire transmembranare astfel încât să fie încorporate în membrana exterioară. Cele opt fire sunt conectate prin patru bucle lungi pe suprafața membranei exterioare și trei ture scurte în domeniul periplasmic formând C-terminal globular . Chiar și într-o tulpină bacteriană specifică, secvențele de aminoacizi ale OmpA sunt diferite între mai multe subclase .
în ultimii ani, cu clarificarea structurii native a AbOmpA, cercetătorii au descoperit că aminoacizii AbOmpA dintr-o varietate de izolate clinice sunt foarte conservați (> 89%), în timp ce nu sunt omologi cu proteomul uman . Prin compararea diferitelor proteine asemănătoare OmpA, au fost identificați cei doi aminoacizi conservatori, R286 și Asp271, care sunt localizați în domeniul C-terminal al OmpA. Ambii aminoacizi se leagă non-covalent de aminoacidul diaminopimelat (DAP), o componentă a peptidoglican (PGN) . Această interacțiune sugerează că OmpA joacă un rol cheie în menținerea integrității suprafeței bacteriene. În general, la speciile GNB, OmpA își stabilizează structura prin auto-dimerizare, ceea ce împiedică lizarea conexiunilor de îndoire dintre structura cilindrului de la hectolitru și periplasmic .
AbOmpA este esențială pentru ca A. baumannii să adere și să invadeze celulele epiteliale
A. baumannii este capabil să intre și să persiste în interiorul celulelor gazdă. În primul rând, aderă la celulele gazdă, apoi invadează și translocă în nucleu. După uciderea celulelor gazdă, se diseminează în sânge și țesuturi . AbOmpA mediază adeziunea și invazia A. baumannii la celulele epiteliale (Fig. 1A, panoul superior). În comparație cu bacteriile de tip sălbatic, tulpina Izogenă AbOmpA-mutantă este mai dificil de invadat celulele gazdă. Pre-incubarea cu abompa recombinantă (rAbOmpA) inhibă dramatic aderența și invazia A. baumannii 05ka103 foarte invazivă la celulele epiteliale. Și in vivo, patogeneza este întârziată de mutația AbOmpA, deoarece dovezile au arătat că sarcina bacteriană mai mică în sângele unui model de pneumonie murină . Pentru mecanismul de aderență al OmpA, Smani și colab. s-a constatat că a fost mai ușor pentru A. baumannii să atașeze plăcile cu 96 de puțuri acoperite cu fibronectare decât cele acoperite cu BSA și au identificat legarea proteinelor cu fibronectarea a fost OmpA, indicând faptul că legarea OmpA la firbronectină a fost primul pas al interacțiunii dintre A. baumannii cu celulele gazdă.
AbOmpA ar putea provoca direct moartea celulelor gazdă dacă este livrată celulelor gazdă prin vezicule cu membrană exterioară (OMV) . Așa cum se arată în Fig. 1a, după intrarea în celulele gazdă, AbOmpA se poate localiza în mitocondrii, ducând la eliberarea moleculelor (cum ar fi citocromul C, factorul de inducere a apoptozei (AIF)) în stadiul incipient al infecției cu A. baumannii, AIF degradează ADN-ul cromozomului și facilitează apoptoza celulelor epiteliale . În plus, OmpA se poate transloca și în nucleul celulelor gazdă în funcție de semnalul său de localizare nucleară monopartită (NLS)-„KTKEGRAMNRR”, care se află între reziduurile 320 și 330 de OmpA. Această direcționare subcelulară a rAbOmpA poate induce apoptoza celulelor gazdă, dar mecanismul specific de bază nu este clar . rAbOmpA purificată din A. baumannii ATCC19606 la o concentrație de 6 hectogg / mL este suficientă pentru a exercita citotoxicitate celulelor HEp-2 epiteliale laringiene umane . AbOmpA îl promovează pe A. baumannii să adere și să invadeze celulele gazdă, ducând la moartea lor prin localizarea în mitocondrii și nucleu, dar rămâne de explorat dacă AbOmpA funcționează în alte organite.
AbOmpA stimulează răspunsul imun înnăscut
AbOmpA influențează, de asemenea, sistemul imunitar gazdă. Deși tratamentul cu AbOmpA nu influențează nivelul de Expresie al citokinelor pro-inflamatorii sau al chemokinei, crește producția de oxid nitric sintază (iNOS) și expresia de suprafață a receptorului Toll-like 2 (TLR2) în celulele HEp-2 (Fig. 1A, panoul inferior). Ambele sunt importante în mecanismul de apărare gazdă. Oxidul Nitric (NO) exercită funcții bacteriostatice și bactericide în infecția pulmonară , iar acest stres oxidativ oferă un alt factor cauzal pentru moartea celulelor. Și TLRs recunoaște modelele moleculare asociate cu agenții patogeni (Pamp) și declanșează răspunsul imun . Efectele AbOmpA asupra celulelor dendritice derivate din măduva osoasă (DCs) sunt ilustrate în Fig. 1b. AbOmpA la o concentrație de 200 ng/mL activează DCs prin calea TLR2, MAPK și NF-kB, stimulând celulele T CD4+spre un răspuns Th1 . Cu toate acestea, AbOmpA tinde să ucidă DCs la concentrații mari (3-3-x-g/mL) prin creșterea speciilor reactive de oxigen (ROS) din mitocondrii . Inocularea cu rAbOmpA ar putea induce răspunsul imun stype 2 la șoareci, ceea ce a afectat echilibrul dintre IL-4 și INF-C și a dus la apariția infecției . În plus, AbOmpA a paralizat sistemul de răspuns al complementului prin oprirea factorului seric H (Fig. 1c).
AbOmpA induce formarea biofilmului
biofilmul permite A. baumannii să supraviețuiască în condiții ostile , constând în principal din proteine, ADN extracelular și polizaharide. Conform statisticilor Institutelor Naționale de sănătate și Centrului pentru boli și prevenire, 65-80% infecții umane au fost cauzate de bacterii care formează biofilme . Pe baza caracteristicilor multifuncționale ale formării biofilmului, au fost identificate o serie de gene asociate cu aderența bacteriană și formarea biofilmului, cum ar fi AbOmpA, beta-lactamaza PER-1 (blaPER-1) și proteina asociată biofilmului (Bap) . Într-adevăr, OmpA de A. baumannii ATCC19606 joacă un rol dominant în formarea biofilmului stabil pe suprafața plastică (Fig. 1d). Tulpinile mutante AbOmpA nu reușesc să formeze biofilm, în timp ce reaprovizionarea alelei AbOmpA restabilește eficient capacitatea .
Permeația antibioticelor moleculare mici prin AbOmpA
Porinele sunt doar proteine cu baril de un sfert care au fost găsite în membrana exterioară a GNB. AbOmpA este cea mai abundentă porină asociată cu rezistența la medicamente, atașarea celulelor epiteliale și formarea biofilmului . Smani și colab. mai întâi a demonstrat efectul AbOmpA asupra fenotipului A. baumannii multi-rezistent și a constatat că epuizarea genei OmpA a scăzut mic-urile cloramfenicolului, aztreonamului și nalidixicului cu 8, 8 și respectiv 2,67 ori. Aceste date au sugerat că OmpA poate participa la extrudarea compusului antibacterian din regiunea periplasmică și la cuplarea cu sisteme de eflux în membrana interioară . Transportul transmembranar controlat de porine este o modalitate importantă de livrare a nutrienților și a compusului antibacterian hidrofil molecular mic către bacterii . Ramkumar și colab. s-a constatat că AbOmpA a permis selectiv trecerea antibioticelor moleculare mici (Fig. 1e). De exemplu, etx2514, inhibitorul de lactamază cu spectru larg, pătrunde prin AbOmpA și îmbunătățește activitatea antibacteriană a sulbactamului într-un mod dependent de AbOmpA. În viitor, clarificarea structurii cristaline AbOmpA va dezvălui relația dintre structura preliminară a substratului, proteina porină și permeația, oferind mai multe informații pentru proiectarea substratului molecular mic .
reglarea expresiei AbOmpA
printre GNB, factorii care influențează expresia OmpA sunt caracterizați în cea mai mare parte în Escherichia coli, cum ar fi substanțele nutritive, condițiile de cultură, infecția bacteriofagului și enzimele metabolice . Cu toate acestea, mecanismele de reglare a OmpA ale lui A. baumannii sunt încă explorate. Deși OmpA în GNB posedă o structură similară în două părți, secvențele de aminoacizi situate pe suprafața exterioară a bacteriilor sunt diferite între diferite genuri . Pe lângă învățarea din studiile E. coli, ar trebui să explorăm caracteristicile OmpA în A. baumannii. În ultimii ani, sa demonstrat că AbOmpA este o proteină de membrană exterioară legată de stres, a cărei expresie este afectată de mediul intern și extern al bacteriilor . În timpul studierii efectelor temperaturii, uscăciunii și privării de nutrienți asupra supraviețuirii pe termen lung a tulpinii sensibile ATCC19606 și a izolatelor clinice, Bravo Z și colab. s-a constatat că genele legate de adeziune și formarea biofilmelor, OmpA, bfmR și csuAB au fost toate reglate în jos în celulele înfometate, ducând la dificultăți în formarea biofilmelor și răspândirea A. baumannii în sânge . Proteina Hfq, un factor bacterian gazdă descoperit pentru prima dată în E. coi, este indispensabil pentru sinteza ARN a bacteriofagului QB, , iar acum este considerat un regulator transcripțional legat de răspunsurile la stres. Deficitul de Hfq întârzie creșterea celulelor și sporește sensibilitatea celulară la stresul din mediu. Nivelul de Expresie al OmpA în tulpina mutantă Hfq este dramatic mai mic decât cel al unei tulpini de tip sălbatic . În plus, există o corelație cauzală între formarea biofilmului și expresia AbOmpA în A. baumannii sub tratamentul antibioticelor la concentrații inhibitoare sub-minime (MIC). Yoshinori și colab. incubate ATCC19606 și izolate clinice cu 1/2 MIC de polimixină B (PMB) și colistină (CST) timp de 24 de ore, respectiv, și au constatat că a existat o corelație pozitivă între nivelul ARNm al AbOmpA și numărul de celule biofilm în tulpina atcc19606 tratată cu CST. Aceleași rezultate au fost observate la izolatele clinice R3 în prezența PMB . Meropenemul la o concentrație de 64% / ml și 128% / ml a crescut expresia AbOmpA cu 1,81, respectiv 1,63 pliuri .în general, există trei factori care au fost implicați în principal în reglarea AbOmpA în studiile recente. În primul rând, mediile dezavantajate, cum ar fi foametea, scad producția de AbOmpA, ceea ce face dificilă formarea biofilmului A. baumannii și aderarea la celulele gazdă; în al doilea rând, Hfq, un regulator transcripțional, al cărui nivel de Expresie este strâns legat de cel al AbOmpA; în cele din urmă, unele antibiotice la sub-MIC promovează expresia AbOmpA și formarea biofilmului. Deși s-au dovedit mai mulți factori asociați cu expunerea OmpA la A. baumannii, mecanismele de bază rămân de explorat.
strategii terapeutice care vizează polipeptida Abompa
în zilele noastre, polipeptida mică sintetică care se leagă în mod specific de OmpA a fost concepută pentru a împiedica A. baumannii să intre în contact cu celulele gazdă. AOA-2, o hexapeptidă ciclică ca agent de blocare a AbOmpA fără activitate bactericidă, scade aderența A. baumannii, Pseudomonas aeruginosa și E. coli la suprafețele biotice și abiotice și îmbunătățește semnificativ sensibilitatea A. baumannii la CST la concentrația de 125 hectog/mL. In vivo, injectarea intraperitoneală de AOA-2 (10 mg/kg) în asociere cu CST (10 mg/kg) a îmbunătățit rata de supraviețuire a șoarecilor cu bacteriemie cu 20% . În plus, au fost descoperite treptat unele peptide antimicrobiene clasice (amp) care interacționează cu AbOmpA, care sunt o serie de peptide endogene de apărare pentru a ucide bacteriile și ciupercile . De exemplu, peptida antimicrobiană mieloidă bovină (BMAP-28) și peptidele sale analogice au ucis MDR-A. baumannii prin interacțiunea cu AbOmpA. Acești compuși au început să distrugă A. baumannii la concentrația de 40 hectog/mL într-un interval de numai 15 min, iar după 30 min, celulele bacteriene au fost în mod evident deteriorate cu scurgeri de citoplasmă . În plus, LL-37 a interacționat cu reziduurile de aminoacizi 74-84 din AbOmpA într-un mod dependent de doză, scăzând aderența A. baumannii la celulele gazdă. Cu toate acestea, acest efect inhibitor al LL-37 asupra aderenței a fost mult redus după ștergerea AbOmpA . Apărarea umană-5 (HD5) este o peptidă endogenă care ucide MDR-A. baumannii. Pentru a spori activitatea antibacteriană a HD5, reziduurile non-cationice și non-hidrofobe au fost înlocuite cu arginină încărcată pozitiv pentru a obține un derivat numit HD5d5, care s-ar putea lega puternic de AbOmpA și apoi și-a exercitat funcția de neutralizare a toxinelor . Deși există dovezi că MDR-Staphylococcus aureus sunt rezistente la LL-37 prin producerea de enzime catabolice , nu a fost raportat dacă A. baumannii ar putea dezvolta rezistență la Amp-uri naturale. Peptida sintetică mică, care vizează în mod specific AbOmpA fără activitate bactericidă, poate evita declanșarea presiunii de evoluție bacteriană și poate fi utilizată singură sau combinată cu alți compuși antibacterieni pentru a exercita efecte sinergice.
vaccin
ca antigen ideal al vaccinului, AbOmpA este conservat printre diferite tulpini clinice cu genomul diferit de genomul uman . Luo G și colab. s-a constatat că imunizarea șoarecilor cu 3 rompa de 0,1% în hidroxid de aluminiu (al (OH)3) a îmbunătățit semnificativ rata de supraviețuire a animalelor diabetice infectate cu A. baumannii HUMC1 cu 40% și a scăzut numărul coloniilor bacteriene ale tuturor organelor (cu excepția plămânului) de zece ori, comparativ cu controlul. În plus, anticorpul IgG împotriva rOmpA în ser a fost, de asemenea, îmbunătățit dramatic . Badmasti F și colab. a demonstrat că rata de supraviețuire a șoarecilor cu sepsis diseminat indus de ATCC19606 a fost remarcabil îmbunătățită (70%) după tratarea cu regiunea imunodominantă conservată recombinantă a AbOmpA (8-346aa) și, în plus, combinația cu Bap(1-487aa) a crescut, de asemenea, rata de supraviețuire (> 80%) a șoarecilor infectați cu MDR AB-44 . Mai mult, unii derivați ai AbOmpA cu antigenicitate mai mare și toxicitate mai mică au fost proiectați de instrumente bioinformatice și imunoinformatice. De exemplu, un nou model imunogen cu 12 fire a fost obținut prin modificarea secvențelor de aminoacizi ale OmpA, în care K320 și K322 au fost înlocuite cu alanină, „NADEEFWN” a fost înlocuit cu „YKYDFDGVNRGTRGTSEEGTL”, „VVQPGQEAAAPAAAQ” situat la C-terminal și poziția 1-24 A N – terminal au fost eliminate. Acest antigen derivat din AbOmpA a fost capabil să declanșeze producerea de anticorpi care ucid Pseudomonas aeruginosa și A. baumannii . O altă modalitate este de a dezvolta vaccinul ADN, care a atras mai multă atenție datorită eficacității și durabilității. Vaccinul ADN este considerabil sigur și tolerabil, deoarece nu conține patogen slăbit sau mort în timpul producției sale . Hossein și colab. gena AbOmpA clonată și inserată într–un vector de Expresie eucariotă pBudCE4.1 pentru a obține pbudce4.1 recombinant-ompA. După transfectarea cu această plasmidă recombinantă, celulele fibroblaste dermice umane (HDF) au exprimat efectiv AbOmpA . Apoi, au evaluat potențialul imunogen al pBudCE4.1-ompA la modelul șoarecilor. După imunizarea cu acest vaccin, IL-2, IL-4, IL-12, IgM, IgG și INF-XV au crescut dramatic în ser și mai multe animale au supraviețuit în comparație cu grupul de control . Cu toate acestea, nu ar trebui să ignorăm potențialul oncogen al moleculelor recombinante datorită integrării sale aleatorii în genomul gazdă.
anticorpi monoclonali (mab)
este larg acceptat faptul că anticorpii pot fi utilizați pentru apărarea împotriva infecțiilor microbiene. Imunizarea pasivă indusă de anticorpi care vizează AbOmpA a fost considerată o metodă terapeutică potențială pentru infecțiile MDR și XDR-A. baumannii . Cu toate acestea, tratamentul cu seruri policlonale Anti-OmpA a prezentat multe deficiențe inevitabile, cum ar fi hipersensibilitatea complexă imună, conținutul scăzut de anticorpi specifici și pericolul potențial de răspândire a bolilor infecțioase . Recent, tehnologia anticorpilor monoclonali (mAb) contribuie la dezvoltarea mab-urilor antibacteriene. Comparativ cu serurile policlonale anti-OmpA, mab-urile posedă mai multe avantaje, cum ar fi o siguranță mai mare, o omologie mai bună și ținte mai specifice . Mab-urile care vizează OmpA promovează macrofagele pentru a ucide A. baumannii 307.30 (AB307.30), cu excepția celor acoperite cu capsulă groasă, în special XDR-A. baumannii. Dovezile au arătat că legarea mab de izolatele clinice a fost mult mai slabă decât cea dintre mab și ATCC19606. Dacă capsula peste peretele celular împiedică legarea mab – urilor la XDR-A. baumannii? Tulpina mutantă negativă a capsulei K1 (AB307.30) puternic combinată cu MAB Anti-OmpA, sugerând că polizaharidele capsulei pot proteja locurile de legare ale OmpA . Combinația slabă dintre mab și XDR-A. baumannii trebuie rezolvată în continuare, iar mab-urile pot fi utilizate și pentru alți epitopi conservați ai lui A. baumannii.