Автор: Сухачов Денис Павлович

АНОТАЦІЯ

Актуальність. Проблема антибіотикорезистентності набула масштабів глобальної кризи: щороку у світі понад мільйон пацієнтів помирає від ускладнень, викликаних стійкими до ліків інфекціями . Зростання полірезистентних штамів, зокрема метицилін-резистентного Staphylococcus aureus (MRSA) та Klebsiella pneumoniae, потребує пошуку принципово нових підходів до антибактеріальної терапії, які б поєднували різні механізми дії та унеможливлювали швидке формування резистентності . Перспективним напрямом є створення гібридних нанокомпозитів, що об’єднують кілька антибактеріальних агентів у єдиній системі доставки.

Мета роботи. Теоретичне обґрунтування дизайну, розробка стратегії синтезу та аналіз перспектив потрійної гібридної системи на основі моксифлоксацину, тетрагідроканабінолу (ТГК) та наночастинок срібла, функціоналізованих β-циклодекстрином, із використанням редокс-чутливого дисульфідного лінкера для внутрішньоклітинного вивільнення компонентів.

Матеріали та методи. Проведено аналіз сучасних літературних даних щодо антибактеріальних властивостей фторхінолонів, канабіноїдів та наночастинок срібла; досліджено механізми синергічної дії комбінованих систем; проаналізовано підходи до створення комплекса включення “гість-хазяїн” з використанням β-циклодекстрину; розглянуто типи біорозщеплюваних лінкерів для контрольованого вивільнення лікарських засобів.

Результати. Запропоновано архітектуру гібридного нанокомпозиту Моксифлоксацин—S—S—ТГК ⊆ β-Циклодекстрин—AgNP. Обґрунтовано вибір моксифлоксацину як фторхінолону з найширшим спектром дії, що охоплює грампозитивні, грамнегативні бактерії та анаероби, а також має високу ліпофільність і здатність проникати всередину клітин. Показано, що β-циклодекстрин виконує подвійну функцію: відновлює іони срібла до металічного Ag⁰, стабілізує наночастинки (розміром 3-20 нм) та утворює комплекс включення з гідрофобною молекулою ТГК . Запропоновано використання дисульфідного лінкера для з’єднання моксифлоксацину з ТГК, який розщеплюється під дією високих концентрацій глутатіону всередині бактеріальної клітини, забезпечуючи вивільнення фторхінолону для досягнення його мішені (ДНК-гірази/топоізомерази IV). Обговорено перспективи синергічної дії трьох компонентів: інгібування синтезу ДНК, порушення клітинної мембрани та індукція оксидативного стресу.

Висновки. Розроблений дизайн гібридного нанокомпозиту відкриває нові можливості для подолання антибіотикорезистентності завдяки поєднанню трьох різних механізмів антибактеріальної дії, що унеможливлює швидке формування стійкості у патогенних мікроорганізмів. Запропонована система є перспективною платформою для подальших експериментальних досліджень.

Ключові слова: антибіотикорезистентність, фторхінолони, моксифлоксацин, тетрагідроканабінол, наночастинки срібла, β-циклодекстрин, дисульфідний лінкер, гібридні нанокомпозити, синергізм.

---

1. ВСТУП

1.1. Проблема антибіотикорезистентності та пошук нових стратегій

Антибіотикорезистентність визнана Всесвітньою організацією охорони здоров’я однією з найбільших загроз для глобальної охорони здоров’я, продовольчої безпеки та розвитку. Частота інфекцій, спричинених антибіотикорезистентними бактеріями, зростає в усьому світі з кожним днем, підвищуючи витрати на охорону здоров’я, захворюваність і смертність . За даними досліджень, щороку у світі від ускладнень, викликаних стійкими до ліків інфекціями, помирає понад мільйон пацієнтів, і ця цифра лише зростатиме .

Основними чинниками, які призводять до збільшення антимікробної резистентності, є недостатній контроль інфекцій та некоректне застосування антибіотиків. Приблизно у 50% випадків застосування антибіотиків є нераціональним, що створює значний селективний тиск і сприяє виникненню резистентних патогенів . Особливо небезпечними є полірезистентні госпітальні інфекції, такі як Klebsiella pneumoniae (паличка Фрідлендера), які надзвичайно токсичні й нечутливі майже до всіх існуючих антибіотиків .

Як зазначає М. Бассетті (2015), ми йдемо по тупиковій колії: бактерії підлаштовуються під антибіотикотерапію швидше, ніж з’являються нові лікарські засоби. Потрібні ліки з принципово новими механізмами дії . Перспективним напрямом є створення комбінованих препаратів, які впливають на бактерію одночасно з різних боків. Дослідження Інституту молекулярної біології і генетики НАН України показали, що комбінація нетоксичних антибіотиків, кожен з яких поодинці неефективний, може давати чудовий результат завдяки синергічній дії .

1.2. Концепція гібридних нанокомпозитів

Одним із найперспективніших підходів до подолання антибіотикорезистентності є створення гібридних нанокомпозитів, які поєднують кілька антибактеріальних агентів у єдиній системі доставки. Наночастинки срібла (AgNPs) привертають особливу увагу завдяки унікальним фізико-хімічним та біоактивним властивостям. Срібло є добре відомим антимікробним агентом, ефективним проти бактерій, вірусів, грибків та дріжджів, включаючи низку штамів, резистентних до антибіотиків .

Біохімічні властивості AgNPs залежать від низки параметрів, включаючи розмір, форму та стабільність, які визначаються методологією та умовами їх отримання. Використання наночастинок значно підсилює ці властивості завдяки різкому збільшенню площі поверхні .

1.3. Мета дослідження

Метою даної роботи є теоретичне обґрунтування дизайну потрійної гібридної системи на основі моксифлоксацину, тетрагідроканабінолу (ТГК) та наночастинок срібла, функціоналізованих β-циклодекстрином, із використанням редокс-чутливого дисульфідного лінкера, який забезпечує внутрішньоклітинне вивільнення компонентів.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПОНЕНТІВ ГІБРИДНОЇ СИСТЕМИ

2.1. Фторхінолони: моксифлоксацин як оптимальний вибір

Фторхінолони є бактерицидними антибіотиками широкого спектра дії, які проникають всередину бактеріальної клітини й блокують два ключові ферменти — ДНК-гіразу та топоізомеразу IV, зупиняючи синтез ДНК. Вони активні проти грамнегативних (кишкова, синьогнійна паличка), грампозитивних (стафілококи), а також атипових збудників (хламідії, мікоплазми) .

Для запропонованої гібридної системи обрано моксифлоксацин з наступних причин:

• Найширший спектр дії: охоплює грампозитивні, грамнегативні бактерії, анаероби та атипові збудники
• Висока ліпофільність: забезпечує чудове проникнення всередину клітин, що критично для внутрішньоклітинного вивільнення компонентів
• Зручна хімічна структура: наявність функціональних груп для приєднання лінкерів
• Наявність атома фтору: фтор уже вбудований у структуру молекули в 6-положенні, що є структурною особливістю цього класу антибіотиків

Важливо зазначити, що деякі фторхінолони мають серйозні побічні ефекти: ураження сухожиль, кардіотоксичність (подовження інтервалу QT), токсичність для центральної нервової системи та печінки. Моксифлоксацин демонструє помірний профіль токсичності порівняно з іншими представниками класу, що робить його кращим кандидатом для включення до гібридної системи.

2.2. Тетрагідроканабінол: антибактеріальні властивості та обмеження

Останні дослідження підтверджують, що канабіноїди, включаючи ТГК, мають антибактеріальні властивості:

• Спектр дії: ТГК активний переважно проти грампозитивних бактерій, включаючи метицилін-резистентний Staphylococcus aureus (MRSA). Мінімальна інгібуюча концентрація для стафілококів і стрептококів знаходиться в діапазоні 1–5 мкг/мл.
• Обмеження: Проти грамнегативних бактерій ТГК самостійно неефективний через наявність додаткової зовнішньої мембрани, яка перешкоджає проникненню молекули.
• Механізм дії: ТГК руйнує бактеріальну клітинну мембрану, порушує її цілісність, що призводить до зниження рівня АТФ (енергетичного ресурсу клітини) та підвищення активних форм кисню.
• Проти біоплівок: ТГК здатен руйнувати біоплівки MRSA, що є критично важливим, оскільки біоплівки роблять бактерії надзвичайно стійкими до лікування.

Важливим обмеженням є те, що у присутності 4% сироватки або 5% крові активність ТГК значно знижується, що може бути викликом для системного застосування.

2.3. Наночастинки срібла та β-циклодекстрин

Циклодекстрини (α-, β- та γ-CD) є природними циклічними олігосахаридами, утвореними при деградації крохмалю. Вони мають форму конуса з гідрофобною внутрішньою порожниною та гідрофільною зовнішньою поверхнею, що забезпечує їх високу розчинність у воді .

β-Циклодекстрин займає серединне положення завдяки помірному розміру порожнини (0.6 нм) порівняно з α- та γ-циклодекстринами . Він може служити ефективним реагентом для відновлення солей металу та зв’язуватися з поверхнею наночастинок шляхом хемосорбції, відіграючи важливу роль у запобіганні агрегації наночастинок і сприяючи їх стабільності в розчині .

Дослідження 2021-2025 років підтверджують, що β-циклодекстрин-функціоналізовані наночастинки срібла (β-CD-AgNPs) можуть бути отримані з розміром частинок 3-20 нм та високою дисперсністю . Вони демонструють характерну плазмонну смугу при довжинах хвиль 423-433 нм, що підтверджує утворення сферичних наночастинок .

3. ДИЗАЙН ГІБРИДНОГО НАНОКОМПОЗИТУ

3.1. Загальна архітектура

Запропонована гібридна система має наступну архітектуру:

Моксифлоксацин — S—S — ТГК ⊆ β-Циклодекстрин—AgNP

Де:

• Моксифлоксацин — S—S — ТГК: дисульфідний лінкер, який розщеплюється всередині бактеріальної клітини
• ⊆ — комплекс включення ТГК у порожнину β-циклодекстрину
• AgNP — наночастинка срібла, стабілізована β-циклодекстрином

3.2. Функціональні компоненти та їх роль

Таблиця 1. Компоненти гібридної системи та їх функції

Компонент	Основна функція	Механізм дії
Моксифлоксацин	Інгібування синтезу ДНК	Блокада ДНК-гірази та топоізомерази IV
ТГК	Порушення клітинної мембрани	Дестабілізація ліпідного бішару, зниження АТФ, підвищення АФК
AgNP	Оксидативний стрес, пошкодження мембрани	Генерація АФК, взаємодія з тіоловими групами білків
β-Циклодекстрин	Стабілізація AgNP, комплексоутворення з ТГК	Формування комплексу “гість-хазяїн”
Дисульфідний лінкер	Контрольоване вивільнення	Розщеплення глутатіоном всередині клітини

3.3. Роль β-циклодекстрину в системі

β-Циклодекстрин виконує в запропонованій системі подвійну функцію:

1. Стабілізація наночастинок срібла: β-CD використовується як відновлюючий агент та стабілізатор при отриманні наночастинок срібла. Він відновлює іони Ag⁺ до металічного Ag⁰ та запобігає агрегації утворених наночастинок . Отримані β-CD-AgNPs мають розмір у діапазоні 3-20 нм та зберігають стабільність протягом тривалого часу .
2. Утворення комплексу включення з ТГК: Завдяки гідрофобній порожнині, β-циклодекстрин здатен включати гідрофобні молекули ТГК, утворюючи стабільний комплекс “гість-хазяїн”. Це вирішує проблему низької розчинності ТГК у воді та забезпечує його утримання на поверхні наночастинки.

Дослідження на прикладі триклозану показали, що успішне утворення комплексу включення підтверджується зникненням характерного ендотермічного піку молекули-гостя на кривих диференціальної скануючої калориметрії . Аналогічний підхід може бути застосований для підтвердження комплексоутворення між β-CD-AgNPs та ТГК.

4. ЛІНКЕРНА ТЕХНОЛОГІЯ: ДИСУЛЬФІДНИЙ ЛІНКЕР

4.1. Принцип дії дисульфідного лінкера

Дисульфідні лінкери є “золотим стандартом” для внутрішньоклітинного вивільнення лікарських засобів. Вони розщеплюються під дією глутатіону — молекули, концентрація якої всередині клітин у 100–1000 разів вища, ніж у позаклітинному середовищі.

Принцип дії полягає в наступному:

1. Гібридна молекула потрапляє в бактеріальну клітину
2. Високий рівень глутатіону відновлює дисульфідний зв’язок (-S-S- → -SH HS-)
3. Лінкер розривається, вивільняючи моксифлоксацин
4. Вільний моксифлоксацин досягає своєї мішені (ДНК-гірази/топоізомерази IV)
5. ТГК залишається зв’язаним з наночастинкою срібла через β-циклодекстриновий комплекс

4.2. Переваги дисульфідного лінкера

Дисульфідний лінкер обрано з наступних причин:

• Селективність: розщеплюється виключно всередині клітини, що мінімізує передчасне вивільнення моксифлоксацину в кровотоці
• Добре вивчений: використовується в затверджених лікарських препаратах, існують готові протоколи синтезу
• Біосумісність: продукти розщеплення (тіоли) є фізіологічними молекулами
• Контрольоване вивільнення: швидкість розщеплення можна модулювати хімічними модифікаціями

5. СИНЕРГІЧНІ МЕХАНІЗМИ АНТИБАКТЕРІАЛЬНОЇ ДІЇ

5.1. Три різні мішені

Запропонована гібридна система атакує бактеріальну клітину з трьох різних боків:

1. Моксифлоксацин (інгібування синтезу ДНК):
   • Проникає всередину клітини після розщеплення лінкера
   • Блокує ДНК-гіразу та топоізомеразу IV
   • Зупиняє реплікацію ДНК та поділ клітини
2. ТГК (порушення мембрани):
   • Вбудовується в ліпідний бішар клітинної мембрани
   • Порушує її цілісність і проникність
   • Знижує рівень АТФ (енергетичний голод)
   • Підвищує рівень активних форм кисню
3. Наночастинки срібла (оксидативний стрес):
   • Генерують активні форми кисню
   • Взаємодіють з тіоловими групами білків, інактивуючи їх
   • Пошкоджують ДНК
   • Підсилюють мембранну проникність

5.2. Подолання резистентності до ТГК проти грамнегативних бактерій

Ключовою перевагою запропонованої системи є вирішення проблеми неефективності ТГК проти грамнегативних бактерій. Дослідження показують, що якщо дати ТГК разом з іншим агентом, який “пробиває дірки” в зовнішній мембрані, ТГК здатен проникнути всередину й убити грамнегативну бактерію.

У запропонованій системі наночастинки срібла виконують роль такого “тарана”:

1. AgNPs пошкоджують зовнішню мембрану грамнегативних бактерій
2. ТГК, зв’язаний з AgNPs через β-CD, отримує доступ до внутрішньої мембрани
3. Моксифлоксацин, який і сам добре проникає через зовнішню мембрану, підсилює загальний ефект

5.3. Вплив на біоплівки

Біоплівки є основною причиною хронічних інфекцій та резистентності до лікування. ТГК має доведену здатність руйнувати біоплівки MRSA. Наночастинки срібла також проникають у біоплівки та руйнують їх структуру. Комбінація цих двох агентів може забезпечити ефективне знищення біоплівкових форм бактерій.

6. СТРАТЕГІЯ СИНТЕЗУ

На основі аналізу літературних даних  пропонується наступна стратегія синтезу:

6.1. Етап 1: Синтез β-CD-AgNPs

1. Приготування насиченого розчину β-циклодекстрину (0.2% w/v)
2. Додавання розчину AgNO₃ (0.003 моль/л) як джерела іонів Ag⁺
3. Додавання свіжоприготованого NaBH₄ (0.05 моль/л) як відновлювача
4. Перемішування протягом 30 хвилин до появи жовто-коричневого забарвлення
5. Центрифугування при 4000 об/хв для виділення наночастинок

6.2. Етап 2: Утворення комплексу β-CD-AgNPs з ТГК

1. Додавання розчину ТГК до суспензії β-CD-AgNPs
2. Інкубація при перемішуванні для утворення комплексу включення
3. Контроль комплексоутворення методом ¹H ЯМР (поява характерних сигналів ТГК) та ДСК (зникнення ендотермічного піку ТГК)

6.3. Етап 3: Синтез кон’югату моксифлоксацину з дисульфідним лінкером

1. Активування карбоксильної групи моксифлоксацину
2. Приєднання дисульфідного лінкера через амідний зв’язок
3. Очищення продукту хроматографією
4. Підтвердження структури методом ЯМР та мас-спектрометрії

6.4. Етап 4: З’єднання кон’югату з комплексом β-CD-AgNPs-ТГК

1. Приєднання моксифлоксацин-лінкерного кон’югату до ТГК
2. Очищення кінцевого продукту
3. Характеризація комплексу фізико-хімічними методами

7. ПЕРСПЕКТИВИ ТА ВИКЛИКИ

7.1. Очікувані переваги

• Потрійний механізм дії: унеможливлює швидке формування резистентності
• Широкий спектр: ефективність проти грампозитивних, грамнегативних бактерій та анаеробів
• Активність проти біоплівок: здатність руйнувати біоплівкові форми бактерій
• Внутрішньоклітинна доставка: контрольоване вивільнення моксифлоксацину всередині клітини

7.2. Потенційні виклики

• Токсичність: необхідність ретельної оцінки токсичності потрійної комбінації на клітинних культурах та in vivo
• Стабільність: забезпечення стабільності комплексу в фізіологічних умовах
• Фармакокінетика: вивчення розподілу, метаболізму та виведення гібридної системи
• Юридичні аспекти: робота з ТГК може бути обмежена законодавством

8. ВИСНОВКИ

1. Запропоновано дизайн гібридного нанокомпозиту Моксифлоксацин—S—S—ТГК ⊆ β-Циклодекстрин—AgNP для подолання антибіотикорезистентності.
2. Обґрунтовано вибір моксифлоксацину як оптимального фторхінолону завдяки найширшому спектру дії, високій ліпофільності та зручній структурі для приєднання лінкера.
3. Показано, що β-циклодекстрин виконує подвійну функцію: стабілізує наночастинки срібла та утворює комплекс включення з гідрофобною молекулою ТГК, вирішуючи проблему його розчинності.
4. Запропоновано використання дисульфідного лінкера для забезпечення внутрішньоклітинного вивільнення моксифлоксацину під дією глутатіону.
5. Проаналізовано синергічні механізми антибактеріальної дії трьох компонентів, що включають інгібування синтезу ДНК, порушення клітинної мембрани та індукцію оксидативного стресу.
6. Розроблено стратегію синтезу гібридного нанокомпозиту на основі сучасних літературних даних.
7. Визначено перспективи та потенційні виклики подальших досліджень.

9. ПОДЯКИ

Автор висловлює щиру подяку науковому керівництву та колегам за плідні обговорення та цінні рекомендації при підготовці цієї роботи.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Ващук В.В., Андрющенко В.П., Хомченко Т.В., Кирик Т.П. Ротація режимів антибіотикотерапії як один із напрямків подолання резистентності бактерій. Health-ua.com. 2020. 
2. Мошинець О.В. Резистентність: що робити, коли антибіотики не діють? Національний фонд досліджень України. 2022. 
3. β-Cyclodextrin/Triclosan Complex-Grafted Methacrylated Glycol Chitosan Hydrogel by Photocrosslinking via Visible Light Irradiation for a Tissue Bio-Adhesive. International Journal of Molecular Sciences. 2021;