פפטידים אנטימיקרוביאליים

פפטידים אנטימיקרוביאלים (באנגלית: AntiMicrobial Peptides, בקיצור: AMPs), המכונים גם דפנסינים (באנגלית: Host Defense Peptides, או בקצרה: HDPs), הם חלק מהמערכת החיסונית המולדת הנמצאת בכל סוגי החיים. הבדלים מהותיים הקיימים בין התאים האיקריוטיים והפרוקריוטים עשויים להיות מטרות לפפטידים האנטי-מיקרוביאלים. פפטידים אלה מהווים אנטיביוטיקה חזקה ורחבת טווח. הם בעלי פוטנציאל להיות טיפול חדיש נגד חיידקים. נמצא שפפטידים אלו הורגים חיידקי גראם-חיוביים וגראם-שליליים, וירוסים בעלי מעטפת, פטריות ואפילו תאים אבנורמליים וסרטניים. בשונה מרוב סוגי האנטיביוטיקה השגרתית, לפפטידים מיקרוביאלים אילו יש את היכולת לשפר את החסינות של הגוף על ידי תפקודם כאימיונומודיולאטורים.

פעילות

לפפטידים אנטימיקרוביאלים צורות פעולה והריגה של מיקרובים מגוונות, המשתנות לפי סוג האורגניזם המותקף. חלק מהפפטידים האנטימיקרוביאלים הורג חיידקים וגם פטריות, psoriasin, למשל, הורג את חיידק האי קולי (E. Coli) ועוד כמה פטריות דלקתיות. ממברנת הציטופלזמה היא בדרך כלל מטרת הפפטידים אך הם יכולים גם לשבש סינתזת חלבונים, הקוד הגנטי ודופן התא. היות שרוב המשטחים של הבקטריה טעונים או הידרופוביים, המגע הראשוני בין הפפטידים והאורגניזם המותקף הוא אלקטרוסטטי. בפיסידין(Piscidin) לדוגמה, מבניהם האמפיפילי, מטענם החיובי וגודלם מאפשרים היקשרות וחדירה לממברנות דו-שכבתיות ויצירת נקבים בעלי צורות של 'barrel-stave', 'carpet' או 'toroidal-pore' (ראה תמונה משמאל). לחלופין, הם יכולים להיכנס לתוך התא ולהקשר לחלבונים תוך-תאיים החיוניים להישרדות התא. צורת התקפה זו כוללת עצירת סנתזת דופן התא, הקוד הגנטי, DNA וRNA, חלבונים ואנזימים, ושיבושים בממברנה הציטופלזמית. אך במקרים רבים מנגנון ההריגה והתקיפה אינו ידוע. טכניקה חדשה לחקירת מנגנונים אלו היא Dual polarization interferometry. בניגוד לאנטיביוטיקה שגרתית, פפטידים אנטימיקרוביאלים הם בקטריוצידיות במקום בקטריוסטטיות. באופן כללי, הפעילות האנטימיקרוביאלית נמדדת על ידי הריכוז המעכב המזערי.

תפקיד במערכת החיסון

לפפטידים אנטימיקרוביאלים תפקיד במערכת החיסונית בנוסף להיותם מחסלים לבקטריה. סביר שתפקידים חיסוניים אלו כוללים סילוק זיהומים, יכולת לגרום לשינויים בביטוי DNA באורגניזם המארח, תפקוד ככמוקינים או מזרזים יצירת כמוקינים, עיכוב יצירת ציטוקינים דלקתיים המונעים מליפופוליסכריד, עידוד רפוי פצעים, וויסות תגובות של התאים הדנדריטים ותאים בעלי יכולת אימוץ חיסונית. בניסויים על אורגנזמים לא אנושיים נמצא שפפטידי הגנה הם חיוניים במניעת וסילוק זיהומים. דבר המעיד שאולי לפפטידים, שהופרדו ונקראו "פפטידים אנטימיקרוביאלים", יש תפקיד חלופי חשוב יותר הקורה בתוך האורגניזם השלם.

פוטנציאל טיפולי

פפטידים אלה הם אנטיביוטיקה רחבת טווח ובעלת דרישת זמן מגע קצר לשם הריגה, וכתוצאה הם בעלי פוטנציאל מצוין לפיתוח לתרופות תרפיות חדישות ולהטבת אנטיביוטיקה שגרתיות קיימות. מספר של פפטידים אנטימיקרוביאלים הנמצאים בטבע פותח כטיפול במחלות מגוונות, מפצעים דלקתיים לסרטנים. 
חיסרון גדול לפוטנציאל של פפטידים אלה הוא אפשרות הבקטריה לפתח עמידות להם, ובעיקר אם זה יוביל לעמידות בפני שימוש המערכת החיסונית של הגוף. בפפטידים, משמע לבקטריה יש עמידות בפני המערכת כולה ולא רק סוג אנטיביוטיקה מסוים. עם אספקת  כמות גדולה של פפטידים אלו אנו מקלים על הבקטריה לפתח עמידות. 
פפטידים אנטימיקרוביאלים שולבו בטיפולים הניתנים באופן מקומי. אחד האתגרים הגדולים של נתינת טיפולים אלו באופן מערכתי (לא מקומי) הוא ההתפרקות המהירה של חלבוני הפפטידים בזרם הדם.

אנטי-סרטן

חלק מהפפטידים האנטימיקרוביאלים הנקראים "cecropins" הם בעלי תכונות אנטי-סרטניות ונקראות פפטידים אנטי-סרטניים (AntiCancer Peptides - ACPs).

סלקטיביות

פפטידים אנטימיקרוביאלים יכולים להגיב גם עם הבקטריה, שאנחנו רוצים להרוג, וגם עם תאי הגוף המארח שאנו רוצים להגן עליו ולאו דווקא לגרום לו נזק. הפפטידים המיקרוביאלים מגיבים בהעדפה עם תאי הבקטריה, מה מונע מהם להיות רעילות לתאים של יונקים (תאי המארח). סלקטיביות של הפפטידים האנטימיקרוביאלים היא תכונה מאוד חשובה המבטיחה את תפקודם כאנטיביוטיקה במערכת החיסון.

גורמים משפיעים

יש גורמים המשפיעים על סלקטיביות של פפטידים אנטימיקרוביאלים ועיקרם הוא מטענם החיובי. כתוצאה מהיות שטח הממברנה של הבקטריה בעל מטען שלילי גדול יותר מזה של תאי היונקים, הפפטידים האנטימיקרוביאלים יראו זיקה שונה לממברנות הבקטריה וממברנות תאי יונקים. בנוסף יש עוד גורמים המשפיעים על הסלקטיביות. כמו העדר נוכחות הכולסטרול בממברנת בקטריה והימצאותו בממברנת תאי היונקים. המצאות הכולסטרול מפחיתה מפעילות הפפטידים האנטימיקרוביאלים בתאי היונקים על ידי ייצוב הדו-שכבה הליפידית או על ידי האינטראקציה בין הפפטידים והכולסטרול. אז, הכולסטרול משמש כגורם מגן מהתקפות של פפטידים אנטימיקרוביאלים. חוץ מזה, הפוטנציאל הטרנסממברנלי ידוע בהשפעתו על אינטראקציות פפטיד-שומנים. סבור גם שהחוזק היוני, שבדרך כלל מפחית את הפעילות של רוב הפפטידים האנטימיקרוביאלים, תורם חלקית לסלקטיביות של פפטידים אלו על ידי החלשת האינטראקציות האלקטרוסטטיות הדרושות לאנטראקציה ראשונית.

מנגנון

ממברנות תאי הבקטריה עשירים בפוספוליפידים חומציים.  פוספוליפידים אלו הם בעלי 'קבוצות ראש' טעונות במטען שלילי גדול. כתוצאה השכבה החיצונית ביותר של הדו-שכבה ליפידית היא מוקד התקפה מאוד טוב לפפטידים האנטימיקרוביאחלים הטיעונים חיובית. אנטראקציה זו, בין מטען חיובי לשלילי, היא אלקטרוסטטית וכוח מניע עקרי. בנוסף, כי פפטידים אנטי מיקרוביאלים יוצרים מבנים עם מטען חיובי וגם הידרופיביים, יש גם אנטאקציות הדרופוביות בין החלקים ההידרופוביים בפפטידים ויוני הפוספוליפידים הדי-פולאריים (ניטראלית חשמלית) המצויים בממברנות הבקטריה. אך הוא בעל השפעה קטנה. 
מצד שני, החלק החיצוני בממברנות של צמחים ויונקים מורכב בעיקר מליפידים לא טעונים, כיוון שליפידים טעונים שלילית נמצאים בשכבה הפנימית של ממברנת הפלזמה. לכן, במקרה של תאי יונקים, השטחים החיצוניים של הממברנה אינם טיעונים אף על פי שחלק קטן משטחים אלו מכיל גנגליוסידים (Ganglioside) הטעונים שלילית. ולפיכך, האינטראקציות ההידרופוביות בין הפפטידים האנטימיקרוביאלים וממברנת תאי היונקים משחקת תפקיד עיקרי ביצירת קשרי פפטיד-תא.אבל, בהשוואה לאינטראקציות אלקטרוסטטיות, אינטראקציות אלה חלשות, וכתוצאה הפפטידים יעדיפו להגיב עם ממברנת הבקטריה.

שליטה

מאמצים רבים הושקעו בניסיון שליטה על הסלקטיביות של פפטידים אנטימיקרוביאלים. למשל, קאטסומי (Katsumi) ניסה לשנות ולהטיב את הפרמטרים הפזיקוכימיקלים של הפפטידים. פרמטרים אלו כללו בין היותר את המטען, היליסיטי (Axial chirality), הדרופוביות, ומומנט הידרופובי.

עמידות בקטריאלית

הבקטריה משתמשת במספר אסטרטגיות לפיתוח עמידות בפני פפטידים אנטימיקרוביאלים. חלק מהמיקרו-אורגניזמים משנים את מטען שטחם. אינטראקציות בין פפטידים אנטימיקרוביאלים וממברנות מותקפות ניתן להגבלה על ידי קפסולת בשם 'polysaccharide of Klebsiella pneumoniae'. בחלק מהבקטריה הגראם-שלילית, שינויים ביצירת חלבוני הממברנה החיצונית קשורים לעמידותם בפני פפטידים אנטימיקרוביאלים. יש גם בקטריה שיוצרת אנזימים חלבוניים המפרקים את הפפטידים האנטימיקרוביאלים. בעוד שדוגמאות אלו מראות שעמידות יכולה להתפתח באופן טבעי, יש חשש עולה ששימוש בתרופות המחקות את הפפטידים האנטימיקרוביאלים מגביר את קצב פיתוח עמידות זו. בחלק מהמקרים שבהם יש שימוש בתרופות אלו מתפתחת עמידות לא רק בפני השימוש הרפואי של הפפטידים האנטימיגרוביאלים, אלה גם בפני התפקוד הפיזיולוגי שלהם.

דוגמאות

פפטידים אנטימיקרוביאלים מיוצרים על ידי כל זני החיים הידועים.
פפטידים מגנים מפני בקטריה, פטריות,Hydramacin, חרקים (mastoparan,poneratoxin, cecropin,moricin, melittin ועוד), צפרדעים magainin, dermaseptin ועוד), ויונקים (למשל cathelicidins, defensins and protegrins). בשנים אחרונות יש עליה במחקר לשם פיתוח תרופות המחקות באופן מלאכותי את הפפטידים האנטימיקרוביאלים.

ביואינפורמטיקה

מספר של מאגרי מידע ביואינפורמטיים קיימים לקטלוג הפפטידים האטנימיקרוביאלים. מאגרים אלה משמשים לאנליזה של פפטידים אנטימיקרוביאלים. הם מחולקים למאגרים ספיציפיים ומאגרים כלליים. (ראה קישורים חיצוניים 2-6)