Evaluación de la capacidad antibacterial de péptidos anfipáticos catiónicos antimicrobianos en diferentes bacterias patógenas y su correlación con el contenido helical

Abstract

En los últimos años, el surgimiento de cepas patógenas resistentes a antibióticos —incluidos los betalactámicos y las cefalosporinas de tercera generación, con reportes crecientes de fallas incluso en tratamientos con cefalosporinas de cuarta y quinta generación— ha generado una gran preocupación en salud pública a nivel nacional e internacional. En este contexto, los péptidos catiónicos antimicrobianos se han planteado como alternativas terapéuticas prometedoras debido a su papel en la respuesta inmune innata y a su mecanismo de acción dirigido a la membrana, lo que dificulta que las bacterias desarrollen resistencia frente a ellos. En la literatura se reportó previamente un péptido antimicrobiano de amplio espectro —denominado en este trabajo como péptido 43— con estructura de hélice α anfipática. Sin embargo, la presencia de ciertos residuos poco frecuentes en hélices sugería la posibilidad de estabilizar su conformación y, de esta manera, potenciar su actividad. A partir de esta secuencia, el Grupo de Investigación de Hormonas y el Semillero de Bioquímica, Biofísica y Biología Molecular de la Universidad Nacional de Colombia diseñaron seis péptidos análogos, los cuales fueron sintetizados en fase sólida en la Universidad Pontificia Católica de Chile, purificados por HPLC y caracterizados mediante espectrometría de masas y dicroísmo circular. La actividad antimicrobiana de los péptidos se evaluó frente a bacterias incluidas en la lista prioritaria de la Organización Mundial de la Salud. Se encontró que varias cepas fueron sensibles, en particular al péptido 37, que presentó los valores más bajos de IC₅₀: Enterococcus faecalis (10.39 μM), Staphylococcus aureus (8.29 μM, aunque esta última especie fue más sensible al péptido 38 con 7.49 μM), Pseudomonas aeruginosa (6.08 μM) y Escherichia coli O157:H7 (9.75 μM), mientras que Klebsiella pneumoniae mostró la mayor resistencia (12.66 μM). Los análisis fisicoquímicos indicaron que la actividad de los péptidos depende del entorno y del medio en el que se encuentren, en relación con sus cargas, el carácter anfipático y la helicidad, lo que revela una clara afinidad por la membrana bacteriana y aporta información sobre su posible mecanismo de acción. Asimismo, se confirmó su especificidad hacia membranas bacterianas, ya que no inducen hemólisis significativa a las concentraciones correspondientes a su IC₅₀ ni citotoxicidad en células humanas. Finalmente, se observó que las modificaciones en la secuencia de aminoácidos influyeron en la actividad antimicrobiana, aunque la mayor estabilización de la hélice α no se correlacionó necesariamente con una mayor eficacia biológica. En conjunto, estos resultados sugieren que los péptidos más promisorios presentan un alto potencial para su desarrollo como agentes terapéuticos, formulaciones tópicas o recubrimientos antimicrobianos, constituyéndose en candidatos seguros y eficaces frente a bacterias multirresistentes. (Texto tomado de la fuente)

In recent years, the emergence of pathogenic strains resistant to antibiotics—including βlactams and third-generation cephalosporins, with increasing reports of treatment failures even with fourth- and fifth-generation cephalosporins—has generated major public health concerns at both national and international levels. In this context, cationic antimicrobial peptides have been proposed as promising therapeutic alternatives due to their role in the innate immune response and their membrane-targeting mechanism of action, which makes it more difficult for bacteria to develop resistance against them. Previous literature reported a broad-spectrum antimicrobial peptide—referred to in this work as peptide 43—with an amphipathic α-helical structure. However, the presence of certain residues that are uncommon in helices suggested the possibility of stabilizing its conformation and thereby enhancing its activity. Based on this sequence, the Hormones Research Group and the Biochemistry, Biophysics, and Molecular Biology Student Research Team at the National University of Colombia designed six analog peptides. These were synthesized via solid-phase peptide synthesis at the Pontifical Catholic University of Chile, purified by HPLC, and characterized by mass spectrometry and circular dichroism. The antimicrobial activity of these peptides was evaluated against bacteria included on the World Health Organization’s priority pathogen list. Several strains were found to be sensitive, particularly to peptide 37, which displayed the lowest IC₅₀ values: Enterococcus faecalis (10.39 μM), Staphylococcus aureus (8.29 μM, although this species was even more sensitive to peptide 38 with 7.49 μM), Pseudomonas aeruginosa (6.08 μM), and Escherichia coli O157:H7 (9.75 μM), whereas Klebsiella pneumoniae showed the greatest resistance (12.66 μM). Physicochemical analyses indicated that peptide activity depends on the surrounding environment and medium, in association with their charge distribution, amphipathic character, and helicity. These features demonstrate a clear affinity for bacterial membranes and provide insight into their potential mechanism of action. Additionally, their specificity toward bacterial membranes was confirmed, as they did not induce significant hemolysis at their IC₅₀ concentrations nor cytotoxicity in human cells. Finally, modifications in amino acid sequence were shown to influence antimicrobial activity; however, stabilization of the α-helix did not necessarily correlate with increased biological efficacy. Overall, these results suggest that the most promising peptides exhibit high potential for development as therapeutic agents, topical formulations, or antimicrobial coatings, representing safe and effective candidates against multidrug-resistant bacteria.