Arenicin-1, a β-sheet antimicrobial peptide isolated from the marine polychaeta Arenicola marina coelomocytes, has a potent, broad-spectrum microbicidal activity and also shows significant toxicity towards mammalian cells. Several variants were rationally designed to elucidate the role of structural features such as cyclization, a certain symmetry of the residue arrangement, or the presence of specific residues in the sequence, in its membranolytic activity and the consequent effect on microbicidal efficacy and toxicity. The effect of variations on the structure was probed using molecular dynamics simulations, which indicated a significant stability of the β-hairpin scaffold and showed that modifying residue symmetry and β-strand arrangement affected both the twist and the kink present in the native structure. In vitro assays against a panel of Gram-negative and Gram-positive bacteria, including drug-resistant clinical isolates, showed that inversion of the residue arrangement improved the activity against Gram-negative strains but decreased it towards Gram-positive ones. Variants with increased symmetry were somewhat less active, whereas both backbone-cyclized and linear versions of the peptides, as well as variants with R→K and W→F replacement, showed antimicrobial activity comparable with that of the native peptide. All these variants permeabilized both the outer and the inner membranes of Escherichia coli, suggesting that a membranolytic mechanism of action was maintained. Our results indicate that the arenicin scaffold can support a considerable degree of variation while maintaining useful biological properties and can thus serve as a template for the elaboration of novel anti-infective agents.

Antimicrobial peptides (AMPs) are acknowledged as a promising template for designing new antimicrobials. At the same time, existing toxicity issues and limitations in their pharmacokinetics make topical application one of the less complicated routes to put AMPs-based therapeutics into actual medical practice. Antiseptics are one of the common components for topical treatment potent against antibiotic-resistant pathogens but often with toxicity limitations of their own. Thus, the interaction of AMPs and antiseptics is an interesting topic that is also less explored than combined action of AMPs and antibiotics. Herein, we analyzed antibacterial, antibiofilm, and cytotoxic activity of combinations of both membranolytic and non-membranolytic AMPs with a number of antiseptic agents. Fractional concentration indices were used as a measure of possible effective concentration reduction achievable due to combined application. Cases of both synergistic and antagonistic interaction with certain antiseptics and surfactants were identified, and trends in the occurrence of these types of interaction were discussed. The data may be of use for AMP-based drug development and suggest that the topic requires further attention for successfully integrating AMPs-based products in the context of complex treatment. AMP/antiseptic combinations show promise for creating topical formulations with improved activity, lowered toxicity, and, presumably, decreased chances of inducing bacterial resistance. However, careful assessment is required to avoid AMP neutralization by certain antiseptic classes in either complex drug design or AMP application alongside other therapeutics/care products.

Резистентность патогенных микроорганизмов к применяемым в медицине антибиотикам в последние годы стремительно растет, повышается смертность от внутрибольничных инфекций. Поэтому поиск новых лекарственных средств для борьбы с антибиотикоустойчивыми бактериями является одной из первоочередных задач биомедицины. Есть все основания считать, что природные соединения, содержащиеся в защитных клетках человека и животных, могут послужить прототипами принципиально новых антибиотических препаратов. К таким соединениям относятся антимикробные пептиды врожденного иммунитета, в частности группа пролин-богатых пептидов. Целью данной работы явилось исследование антимикробной активности пролин-богатых пептидов семейства бактенецинов в отношении ряда клинических изолятов антибиотикоустойчивых грамотрицательных бактерий. Объектами исследования послужили бактенецины, обнаруженные ранее в лейкоцитах домашней козы Capra hircus: ChBac3.4, ChBac5, miniChBac7.5Nα, miniChBac7.5Nβ. Установлено, что химически синтезированные нами аналоги этих пептидов проявляют выраженную антимикробную активность в отношении Escherichia coli и Acinetobacter baumannii (минимальные ингибирующие концентрации (МИК), определенные методом серийных разведений в жидкой питательной среде, находились в пределах 1-4 мкМ) и в несколько меньшей степени в отношении Pseudomonas aeruginosa и Klebsiella pneumoniae (МИК – 2-16 мкМ) in vitro. Показано, что антибактериальная активность пептидов может повышаться при их совместном использовании с антибиотиками, применяемыми в медицине. Выявлен синергический эффект при действии бактенецина mini-ChBac7.5Nα в комбинации с амикацином на E. coli (минимальный индекс фракционной ингибирующей концентрации (иФИК) – 0,375), A. baumannii (иФИК 0,5) и K. pneumoniae (иФИК – 0,325), а также с офлоксацином – на K. pneumoniae (иФИК – 0,5). Важной характеристикой исследуемых пептидов является отсутствие у этих соединений гемолитической активности в отношении эритроцитов человека при применении их в концентрациях, в несколько раз превышающих антимикробные. Полученные данные свидетельствуют о перспективности дальнейшего исследования рассматриваемых пролин-богатых пептидов и их структурных модификаций для разработки на основе этих соединений новых комбинированных лекарственных средств для борьбы с антибиотикоустойчивыми микроорганизмами: различных препаратов местного применения, компонентов изделий медицинского назначения, в частности венозных катетеров, стентов, а также раневых покрытий.