Antimikrobielle Peptide: Ihre Rolle als infektionsselektive Tracer für die molekulare Bildgebung

3.3. Membranasymmetrie

Obwohl Zellmembranen weder symmetrisch noch statisch sind, können Unterschiede zwischen Phospholipid-Doppelschichten von Säugetieren und Mikroben als potenzielle Ziele für antimikrobielle Peptide dienen. In einigen Zellen, wie z. B. dem Rindererythrozyten, befinden sich nur 2 % des gesamten PE-Gehalts auf dem äußeren Membranblatt. Unterschiede in der Membransymmetrie, der Sättigung der Phospholipiddoppelschichten und der Stöchiometrie der Zusammensetzung beeinflussen die Fluidität und den Phasenübergang der Membran. In ähnlicher Weise kann auch die Ladung des inneren und des äußeren Blättchens der zellulären Doppelschicht unterschiedlich sein.

3.4. Mikrobielle Liganden und Rezeptoren als Ziele für antimikrobielle Peptide

Experimente haben gezeigt, dass D- und L-Aminosäureversionen antimikrobieller Peptide ähnliche Bindungsaffinitäten zu den Zielzellen aufweisen, was darauf schließen lässt, dass stereospezifische Rezeptoren nicht an der Ausrichtung auf pathogene Zellen beteiligt sind. Mehrere Studien scheinen dies jedoch zu widerlegen und legen nahe, dass bestimmte Proteine in der mikrobiellen Zellmembran als Bindungsziele für bestimmte Klassen antimikrobieller Peptide wie Histatine dienen können. Dies würde den Befund stützen, dass Histadine an lokalen Abwehrmechanismen gegen bestimmte Arten von Krankheitserregern beteiligt sind und in Zahn- oder Hautwunden wiedergefunden wurden. Einige Forscher postulieren auch, dass anionische Komponenten von Zellmembranen, z. B. CL, PG oder Lipopolysaccharid (LPS), als Pseudorezeptoren dienen können, die die erste Interaktion zwischen dem antimikrobiellen Peptid und dem mikrobiellen Zellziel ermöglichen. Daher können antimikrobielle Bindungsrezeptoren einen alternativen Weg der AMP-Interaktion mit der bakteriellen Zellhülle darstellen.

3.5. Transmembranpotential

Das Transmembranpotential ist eine weitere Art und Weise, in der sich mikrobielle und Säugetierzellen unterscheiden, und zwar in der Ladungstrennung, die zwischen den inneren und äußeren Schichten der Cytoplasmamembran besteht. Ein elektrochemischer Gradient, der sich aus den unterschiedlichen Raten des Protonenaustauschs durch die Zellmembran ergibt, wird als Transmembranpotenzial (Δψ) bezeichnet. Eine normale Säugetierzelle hat ein Δψ im Bereich zwischen -90 und -110 mV. Pathogene Bakterien hingegen weisen im Allgemeinen ein Δψ im Bereich von -130 bis -150 mV auf. Dieser erhebliche Unterschied im elektrochemischen Potenzial könnte ein weiterer Faktor sein, der es antimikrobiellen Peptiden ermöglicht, zwischen Wirts- und Zielzellen zu unterscheiden.

4. Selektive Toxizität auf der Grundlage des Designs antimikrobieller Peptide

In der wässrigen interzellulären Umgebung nehmen viele antimikrobielle Peptide vermutlich ausgedehnte oder unstrukturierte Konformationen an, obwohl dies möglicherweise nicht der Fall ist, wenn intramolekulare Bindungen vorhanden sind, die aufgrund der induzierten Steifigkeit eine spezifische Konformation in einer Vielzahl von Umgebungen gewährleisten. Sobald das antimikrobielle Peptid an die Zellmembran einer pathogenen Mikrobe bindet, kann es eine signifikante Konformationsänderung erfahren und eine spezifische Konformation annehmen, wie z. B. eine α-Helix. Studien deuten darauf hin, dass dynamische und/oder inhärente Konformationen antimikrobieller Peptide einen Einfluss auf ihre selektive Zytotoxizität haben. Darüber hinaus können antimikrobielle Peptide einen Konformationswechsel, eine Selbstassoziation oder eine Oligomerisierung innerhalb der Membran des Zielerregers, aber nicht der Wirtszellmembran erfahren, um die zellspezifische Toxizität zu erhöhen. Zhang und Mitarbeiter verwendeten synthetische Testpeptide, die einheitlich kationisch waren, aber in ihrer Konformation variierten und verlängerte, zyklische, α-helicale und β-Faltblatt-Strukturen enthielten. Es wurde festgestellt, dass alle Testpeptide in der Lage waren, mit Lipid-Monolayern aus PG, einem negativ geladenen Phospholipid, zu interagieren und diese zu durchdringen. Allerdings waren nur die α-helicalen und verlängerten Peptide in der Lage, mit der neutraler geladenen PC-Membran zu interagieren. In derselben Studie wurde auch festgestellt, dass β-Faltblatt-Peptide in der Lage waren, Phospholipide vom inneren zum äußeren Fiederblatt zu verlagern, und zwar in Konzentrationen, die unter denen lagen, die zur Permeabilisierung der Membran erforderlich waren. In ähnlicher Weise zeigten Kol und Mitarbeiter, dass Peptide mit vergleichbarer Konformation, aber reich an Histidin und Lysin und ohne Tryptophan, ebenfalls in der Lage waren, eine signifikante Verlagerung von Phospholipiden zu bewirken. Diese Untersuchungen lassen den Schluss zu, dass antimikrobielle Peptide nicht nur mit Phospholipidmembranen von nur spezifischer Zusammensetzung und Symmetrie interagieren, sondern auch in der Lage sind, die Umgestaltung der Membranen in bestimmten Zellen zu beeinflussen.

4.1. In Vivo Präferenzaffinität für mikrobielle Zellen gegenüber Säugetierzellen

Welling und Kollegen führten ein In-Vivo-Experiment durch, bei dem sie die Bindungsaffinität eines radioaktiv markierten Fragments des kationischen antimikrobiellen Ubiquicidin-Peptids -UBI 29-41 für mikrobielle Zellen im Vergleich zu Wirtszellen testeten. In der Studie wurden die Tiere mit Candida albicans, Klebsiella pneumonia oder Staphylococcus aureus infiziert. Außerdem wurden sterile Entzündungen in der Oberschenkelmuskulatur der Tiere durch Injektion von hitzegetöteten Mikroorganismen oder gereinigtem LPS ausgelöst, die als Kontrolle dienten. Die radioaktiv markierten Peptide reicherten sich an den infizierten Stellen im Vergleich zu sterilen oder nicht-infektiös entzündeten Körperteilen in erheblichem Umfang an. Dieses In-vivo-Experiment zeigte, dass die Peptide zwischen Wirtszellen und mikrobiellen Zellen unterscheiden und sich auch an den infizierten Stellen anreichern können. Durch szintigraphische Messungen wurde festgestellt, dass sich die radioaktiv markierten Peptide in infiziertem Gewebe schnell anreichern und dass die Anreicherungsrate in infiziertem Gewebe im Vergleich zu nicht infiziertem Gewebe bis zum Fünffachen ansteigt. Diese schnelle Lokalisierung wurde so interpretiert, dass die Peptide eine höhere oder bevorzugte Affinität für die Oberfläche der Zielzellen im Vergleich zur Oberfläche der Wirtszellen haben.

4.2. Die Lokalisierung zytotoxischer antimikrobieller Peptide begrenzt die Exposition anfälliger Wirtsgewebe

Es ist möglich, dass die Zytotoxizität der Wirtszellen in vielen mehrzelligen Organismen aufgrund ihrer Lokalisierung in Geweben, die für ihre zytotoxischen Wirkungen nicht anfällig sind, reduziert ist. Bei den meisten Tieren werden diese Peptide von den Zellen auf relativ träge und robuste Oberflächen wie die Epithelien des Darms oder der Lunge oder bei Amphibien auf die Haut abgesondert. An diesen Stellen ist die Wahrscheinlichkeit am größten, dass sie am häufigsten mit potenziell schädlichen Mikroben in Kontakt kommen, und die Expression der meisten antimikrobiellen Peptide ist entweder konstitutiv oder schnell induzierbar, so dass sie Teil der ersten Abwehrkräfte gegen Krankheitserreger werden können. Eine weitere Möglichkeit, empfindliche Wirtsgewebe vor antimikrobiellen Peptiden zu schützen, besteht darin, sie in den Granula der phagozytierenden Leukozyten einzuschließen, die die Krankheitserreger verschlingen und sie tödlichen Konzentrationen von antimikrobiellen Peptiden und Oxidationsmitteln aussetzen. Die Defensin-Klasse der antimikrobiellen Peptide wird auf diese Weise eingesetzt, da sie zu den toxischsten und am wenigsten selektiven der vom Wirt produzierten antimikrobiellen Peptide gehören. Die leicht saure Mikroumgebung innerhalb des reifen Phagolysosoms ist auch die effektivste Umgebung für die Defensine, da sie unter diesen Bedingungen maximale Zytotoxizität aufweisen.

5. Mechanismen der antimikrobiellen Peptidwirkung

Die allgemein konservierten Strukturen antimikrobieller Peptide in einer Vielzahl von Organismen geben einige Hinweise auf ihre Wirkungsmechanismen. Unter physiologischen Bedingungen sind sie fast ausschließlich amphipathisch und kationisch, was vermutlich ihre Selektivität für die Zielzellen unterstützt. Das ideale antimikrobielle Peptid sollte eine geringe Zytotoxizität für Wirtszellen aufweisen, aber für ein breites Spektrum an pathogenen Mikroben toxisch sein. Die antimikrobiellen Determinanten sollten leicht zugänglich und nicht anfällig für Veränderungen sein. Antimikrobielle Peptide haben im Allgemeinen eine amphipathische Struktur, die es ihnen ermöglicht, mit Phospholipidmembranen zu interagieren, Strukturen, die für alle Krankheitserreger wesentlich sind. Parameter wie Konformation (), Hydrophobizität (), hydrophobes Moment (), Ladung (), Polarwinkel () und Amphipathie () sind für die Funktionsweise antimikrobieller Peptide von Bedeutung. Darüber hinaus sind alle diese Determinanten miteinander verbunden, und die Veränderung eines dieser Merkmale führt zu einer Veränderung der anderen.

5.1. Konformation ()

Obwohl antimikrobielle Peptide in einem breiten Spektrum von Wirtsorganismen vorkommen und unterschiedliche Aminosäuresequenzen aufweisen, lassen sie sich anhand ihrer Sekundärstruktur in einige wenige Gruppen einteilen. Zu den beiden größten Gruppen gehören Peptide, die eine β-Faltblatt- oder α-Helix-Sekundärstruktur besitzen. Die Mehrheit der übrigen antimikrobiellen Peptide sind solche, die einen ungewöhnlich hohen Anteil an einer oder mehreren Aminosäuren wie Tryptophan oder Prolin und Arginin aufweisen. Die α-helicalen Peptide sind häufig in der Interzellularflüssigkeit von Insekten und Amphibien zu finden und nehmen in wässriger Lösung im Allgemeinen eine unstrukturierte oder gestreckte Konformation an, die erst bei der Interaktion mit einer Phospholipidmembran ihre helikale Struktur annimmt. Der Grund dafür ist, dass die intramolekulare Wasserstoffbrückenbindung, die für eine α-helikale Konformation erforderlich ist, in einem polaren Lösungsmittel wie Wasser gestört wird. In einer Membran werden die polaren Wasserstoffbrückenbindungsgruppen durch die α-Helixbildung von der lipophilen (apolaren) Membranumgebung abgeschirmt. Die Helixkonformation setzt auch die apolaren Seitenketten der neutralen Lipidumgebung innerhalb der Membran aus. Obwohl die Primärstruktur der β-Faltblatt-Klasse antimikrobieller Peptide eine gewisse Unähnlichkeit in der Aminosäuresequenz aufweist, haben sie alle gemeinsame Merkmale in Bezug auf die amphipathische Struktur und besitzen unterschiedliche hydrophile und hydrophobe Domänen.

5.2. Ladung ()

Die meisten antimikrobiellen Peptide sind insgesamt kationisch und haben Ladungen von +2 bis +9, wobei viele stark negativ geladene Domänen besitzen. Diese positive Ladung ist wichtig für die anfängliche Anziehung zu und die Interaktion mit den anionischen Zellmembranen von Bakterien und anderen pathogenen Mikroorganismen. Ebenso ziehen die relativ weniger anionischen Membranen des Wirts die antimikrobiellen Peptide nicht elektrostatisch an und können den Peptiden eine gewisse Zielzellselektivität verleihen. Pathogene Bakterien sind im Allgemeinen reich an sauren Phospholipiden wie CL, PG und PS. Zusätzlich verleihen die Teicho- und Teichuronsäuren der Zellwände grampositiver Bakterien und das LPS gramnegativer Bakterien der bakteriellen Zelloberfläche eine zusätzliche elektronegative Ladung. Es wurde festgestellt, dass das Δψ von Bakterien in der Regel 50 % höher ist als das von Säugetierzellen, und es wurde vorgeschlagen, dass antimikrobielle Peptide auf elektrophoretische Weise auf der Oberfläche von pathogenen Mikroben konzentriert werden können. Obwohl in vielen Studien die Kationizität antimikrobieller Peptide mit ihrer antimikrobiellen Aktivität korreliert werden konnte, gibt es keine streng lineare Beziehung. Dathe und Mitarbeiter wiesen in Studien mit Magainin-Analoga nach, dass eine Erhöhung der Kationizität von +3 auf +5 zu einer Zunahme der antibakteriellen Aktivität sowohl gegen grampositive als auch gramnegative Spezies führte. Sie stellten jedoch fest, dass es eine Grenze für die Kationizität gibt, nach der eine Erhöhung der positiven Ladung die antibakterielle Aktivität nicht mehr erhöht. Es wird vermutet, dass diese Abnahme der antibakteriellen Aktivität darauf zurückzuführen ist, dass die Peptide so stark an die negativ geladene Phospholipid-Kopfgruppe binden, dass eine Translokation des Peptids in die Zelle unmöglich ist.

5.3. Amphipathie () und hydrophobes Moment ()

Amphipathie ist ein nahezu universelles Merkmal antimikrobieller Peptide und wird durch eine Reihe verschiedener Peptidstrukturen erreicht. Die amphipathische α-Helix ist eine der häufigsten und einfachsten dieser Eigenschaften. Durch den Wechsel von anionischen und kationischen Aminosäureresten an allen drei bis vier Positionen kann das Peptid eine Sekundärstruktur annehmen, die eine optimale elektrostatische Wechselwirkung mit amphipathischen Phospholipidmembranen ermöglicht (Abbildung 3). Dank dieser Eigenschaft kann das Peptid nicht nur gegenüber negativ geladenen Zellmembranen, sondern auch gegenüber neutral geladenen oder amphipathischen Membranen zytotoxische Wirkung entfalten.

Abbildung 3

Statistische Analyse der Rückstandsverteilung in den 20-strängigen N-terminalen α-helical AMPs aus natürlichen Quellen. Gezeigt wird eine grafische Darstellung der Häufigkeit der verschiedenen Arten von Rückständen an jeder Position auf einer Helixradprojektion. Die ungleiche Verteilung von hydrophoben und geladenen Peptiden trägt zur amphipathischen Natur des Peptids bei (nach Tossi et al.).

Die Amphipathie eines Peptids kann durch sein hydrophobes Moment () beschrieben werden, das als vektorielle Summe der einzelnen Aminosäure-Hydrophobien, normiert auf eine ideale Helix, berechnet werden kann. Eine Zunahme des hydrophoben Moments korreliert mit einer erhöhten Permeabilisierung der Zielzellmembran. Dies ist vor allem bei Wechselwirkungen mit neutral geladenen Lipidmembranen von Bedeutung, bei denen es unwahrscheinlich ist, dass Ladungsfaktoren die erforderliche Anziehung und Wechselwirkung mit der Zielzellmembran bewirken. Wie die α-helicalen antimikrobiellen Peptide weisen auch die β-Faltblatt-Peptide der Wirtsabwehr eine Amphipathie auf. Dies äußert sich in einer unterschiedlichen Anzahl von β-Strängen, die so organisiert sind, dass sie hydrophobe und hydrophile Oberflächen bilden. Die oft antiparallelen β-Stränge werden durch regelmäßig verteilte Disulfidbindungen oder durch Zyklisierung des Peptidrückgrats stabilisiert. Diese intramolekulare Bindung ermöglicht es den antimikrobiellen β-Faltblatt-Peptiden, auch in wässriger extrazellulärer Flüssigkeit eine starre Konformation beizubehalten, und erleichtert auch die Multimerisierung, da sich die hydrophoben Oberflächen zusammenlagern, um nicht der wässrigen Umgebung ausgesetzt zu sein. Obwohl die genauen Mechanismen, durch die amphipathische antimikrobielle Peptide eine Membranstörung in der Zielzellmembran bewirken, derzeit unklar sind, vor allem weil die genaue Konformation der Peptide in den Membranen nicht bekannt ist, haben Studien gezeigt, dass die getrennte Amphipathizität sowohl in α-helicalen als auch in β-sheet antimikrobiellen Peptiden eine tiefgreifende Wirkung auf die Peptidstörung natürlicher Biomembranen hat.

5.4. Hydrophobizität ()

Die Hydrophobizität eines Peptids kann als der Prozentsatz der hydrophoben Aminosäurereste definiert werden, aus denen seine Primärstruktur besteht. Bei den meisten antimikrobiellen Peptiden liegt die Hydrophobizität bei etwa 50 % und ist für die Funktion des Peptids von wesentlicher Bedeutung, da sie es dem Peptid ermöglicht, mit der Phospholipid-Doppelschicht zu interagieren und in diese einzudringen. Obwohl ein gewisses Maß an Hydrophobie für die Funktion des antimikrobiellen Peptids unerlässlich ist, erhöht eine übermäßige Hydrophobie die Wahrscheinlichkeit, dass es die Zellen des Wirts zerstört und seine Spezifität für mikrobielle Zellen verringert. Wieprecht und Mitarbeiter untersuchten die Beziehung zwischen der Hydrophobizität von Peptiden und ihrer Fähigkeit, Biomembranen zu permeabilisieren. Unter Verwendung von Magainin-Analoga als Modell für antimikrobielle Peptide gelang es ihnen, Faktoren wie hydrophobes Moment, Helizität und Ladung nahezu konstant zu halten und gleichzeitig Analoga mit variabler Hydrophobizität herzustellen. Ihre Experimente zeigten, dass die Hydrophobizität nur einen geringen oder gar keinen Einfluss auf die Fähigkeit des Peptids hatte, an die Membran zu binden oder diese zu permeabilisieren, wenn sie ausschließlich aus PG bestand. In Membranen, die aus einem Verhältnis von 3 : 1 von PC : PG bestehen, hatten die Peptide mit der höchsten Hydrophobie jedoch eine etwa 60-fach höhere Permeabilisierungsfähigkeit als das am wenigsten hydrophobe Peptid, und in Membranen, die nur aus PC bestehen, gab es einen 300-fachen Unterschied.

5.5. Polarer Winkel ()

Der polare Winkel eines Peptids bezieht sich auf das relative Verhältnis zwischen polaren und unpolaren Facetten des Peptids, die einer amphipathischen Helix entsprechen. Ein spiralförmiges Peptid, bei dem eine Facette vollständig aus polaren Aminosäureresten und die andere Facette vollständig aus unpolaren Resten besteht, hätte einen Polarwinkel von 180°. Eine geringere Trennung zwischen den Domänen oder ein Übermaß an hydrophoben Resten würde zu einem geringeren Polaritätswinkel führen. Die von Uematsu und Matsuzaki an synthetischen und natürlich vorkommenden Peptiden durchgeführten Studien haben gezeigt, dass ein geringerer Polarwinkel und damit eine hydrophobere Facette die Permeabilisierung der Membran begünstigt. Der polare Winkel wurde auch mit der Stabilität von peptidinduzierten Poren in Biomembranen in Verbindung gebracht. Sie wiesen auch nach, dass antimikrobielle Peptide mit kleineren Polarwinkeln in der Lage waren, ein höheres Maß an Membranpermeabilisierung und Translokation mit höheren Raten zu induzieren als Peptide mit größeren Polarwinkeln. Allerdings waren die von den Peptiden mit kleineren Polarwinkeln gebildeten Poren weniger stabil als die von Peptiden mit größeren Polarwinkeln gebildeten. Die hydrophoben und hydrophilen Eigenschaften der antimikrobiellen Peptide spielen bei den Wechselwirkungen mit und der Permeabilisierung von Phospholipid-Zellmembranen eine wichtige Rolle.

5.6. Gemeinsame strukturelle Merkmale antimikrobieller Peptide

Während in der Natur eine große Vielfalt antimikrobieller Peptide vorkommt, ist die Erhaltung von Schlüsselmerkmalen und Sekundärstrukturen festgestellt worden. Extreme Merkmale wie Amphipathie, Ladung, hydrophobes Moment oder polarer Winkel sind nicht von Vorteil, da sie entweder die antimikrobielle Aktivität beeinträchtigen oder zu einer erhöhten Zytotoxizität der Wirtszellen führen. Die minimale Ladung, die Peptide haben müssen, um antimikrobielle Aktivität zu entfalten, scheint +2 zu sein. Diese minimale Kationizität ist wichtig, weil sie die anfängliche elektrostatische Anziehung zur Bakterienmembran ermöglicht, die negativ geladen ist. Sie ermöglicht auch die Verdrängung anderer Kationen, die möglicherweise bereits an die Zielzellmembran gebunden sind, und die Verlagerung in das Innere der Membrandoppelschicht. Ebenso sollte die Hydrophobie des Peptids moderat sein, da sehr hydrophobe antimikrobielle Peptide auf Membranen mit einer neutralen Ladung, wie z. B. die Wirtszellen, abzielen würden, was zu einer Verringerung der Zielselektivität und einer Schädigung des Wirtsorganismus führen würde. Es wird deutlich, dass die selektive Ausrichtung auf pathogene Mikroben weitgehend auf ein Gleichgewicht zwischen Elektronegativität und Hydrophobizität der antimikrobiellen Peptide zurückzuführen ist.

6. Anfängliche Wechselwirkungen mit der Zielzellmembran

Die anfängliche Wechselwirkung zwischen dem antimikrobiellen Peptid und der Phospholipidmembran der Zelle ist wichtig, da sie die Selektivität der Zielzelle bestimmt und auch alle nachfolgenden Wechselwirkungen mit der Zielzelle beeinflusst. Die anfänglichen Wechselwirkungen werden weitgehend durch physikalische und chemische Eigenschaften sowohl des antimikrobiellen Peptids als auch der Zielzellmembran bestimmt.

6.1. Elektrostatische Wechselwirkungen

Elektrostatische Wechselwirkungen werden weithin für das anfängliche Targeting der mikrobiellen Zelle verantwortlich gemacht. In einer Studie von Matsuzaki wurde die Kationizität antimikrobieller Peptide mit der Fähigkeit zur Membranbindung korreliert, und die Tatsache, dass die Kationizität ein konserviertes Merkmal fast aller antimikrobiellen Peptide in einer Vielzahl von Organismen ist, unterstützt dieses Argument. Elektrostatische Kräfte wirken über eine große Reichweite, und die Häufigkeit von Lysin- und Argininresten in antimikrobiellen Peptiden, die von den negativ geladenen Phosphatgruppen der Biomembranen angezogen werden, verleiht der Theorie weitere Glaubwürdigkeit, dass diese Wechselwirkungen für die anfängliche Anziehung zur Zielzellmembran verantwortlich sind. Bei Gram-negativen Bakterien geht man davon aus, dass die antimikrobiellen Peptide Kationen verdrängen, die normalerweise mit dem LPS assoziiert sind, da antimikrobielle Peptide eine Bindungsaffinität für das LPS besitzen, die etwa drei Größenordnungen größer ist als die zweiwertigen Kationen, die normalerweise mit dieser Einheit assoziiert sind. Bakterienstämme, bei denen das LPS stark mit 4-Amino-4-Desoxy-L-Arabinose substituiert oder stark acyliert ist, zeigen eine größere Resistenz gegen positiv geladene antimikrobielle Peptide, was die Theorie, dass die elektrostatische Ladung für die Interaktion mit der Zielzellmembran wichtig ist, noch glaubwürdiger macht. Gram-positive Bakterien haben keine LPS- oder äußere Zellmembran, aber eine dicke Zellwand, die aus Teichuron- oder Teichoinsäurepolymeren besteht. Diese stark anionischen Strukturen sind ideale Ziele für die kationischen antimikrobiellen Peptide. Stämme von Staphylococcus aureus, bei denen die Teichoinsäuren modifiziert wurden, was zu einer erhöhten anionischen Ladung führt, sind anfälliger für kationische antimikrobielle Peptide. Die Tatsache, dass die meisten Bakterien im Vergleich zu Säugetierzellen einen starken elektrochemischen Gradienten (Δψ) aufweisen, dürfte ebenfalls die Zielselektivität antimikrobieller Peptide erhöhen.

6.2. Rezeptor-Ligand-Wechselwirkungen mit der Membran

Einige Studien haben gezeigt, dass sowohl natürlich vorkommende als auch synthetische Peptide gleich gut mit der Membran wechselwirken, unabhängig davon, ob D-Amino- oder L-Aminosäuren verwendet werden. Dies deutet darauf hin, dass die Wechselwirkungen mit Biomembranen nicht von Rezeptor-Ligand-Mechanismen abhängen; andere Studien haben jedoch gezeigt, dass dies möglicherweise nicht bei allen antimikrobiellen Peptiden der Fall ist. So wurde festgestellt, dass Nisin, ein natürlich vorkommendes zyklisches Peptid mit starker antimikrobieller Wirkung, spezifisch an membrangebundenes Lipid II von Bakterien bindet. In ähnlicher Weise hat Tachyplesin eine spezifische Affinität für LPS gezeigt. Die Daten aus diesen Studien deuten darauf hin, dass die rezeptorvermittelte Bindung bei einer kleinen Anzahl antimikrobieller Peptide für die Ausrichtung auf Zellen wichtig ist.

7. Ereignisse nach der anfänglichen Membranbindung

Die experimentelle Bestimmung der anfänglichen Anziehungskraft von Peptiden auf und die Interaktion mit Zellmembranen ist in der Regel einfacher als die Bestimmung der darauf folgenden Interaktionen. Eine Vielzahl von Methoden wie Zirkulardichroismus, Röntgenkristallographie, kernmagnetische Resonanz, Umkehrphasen-Hochleistungsflüssigkeitschromatographie und Oberflächenplasmonenresonanz sind neben anderen Techniken zur Aufklärung von Peptid-Membran-Interaktionen eingesetzt worden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die antimikrobielle Wirksamkeit und die Mechanismen äußerst empfindlich auf Bedingungen wie den pH-Wert, die osmotische Stärke, die Viskosität der Lösung und die Temperatur reagieren, so dass alle mit den oben genannten Techniken gewonnenen Daten im Hinblick auf diese Bedingungen betrachtet werden müssen. Nach der anfänglichen Membranbindung durchdringen antimikrobielle Peptide die äußere Phospholipidmembran, eine Phase, die als Schwellenkonzentration bezeichnet wird, und können so ihre zytotoxischen Wirkungen im Inneren der Zelle entfalten. Damit die Peptide in die Zelle eindringen können, ist eine Mindestanzahl oder Schwellenkonzentration an antimikrobiellen Peptiden erforderlich, die sich an der Oberfläche der Lipidmembran ansammelt. Dieses Ereignis kann durch andere Faktoren als die Konzentration beeinflusst werden, wie z. B. die Fähigkeit der Peptide zur Multimerisierung und die Eigenschaften der Phospholipidmembran selbst, wie z. B. ihre Lipidzusammensetzung, die Größe der Kopfgruppe und die Fluidität. Das Transmembranpotential der Doppelschicht kann auch die Art und Weise beeinflussen, wie das Peptid in die Membran eindringt, da ein stark negatives Transmembranpotential die Porenbildung erleichtert, indem es das positiv geladene Peptid in die Membran zieht.

8. Veränderungen der Peptidkonformation bei der Interaktion mit der Membran

Viele antimikrobielle Peptide, insbesondere solche mit α-helicalen Sekundärstrukturen, erfahren beim Eintritt in die unpolare Umgebung der inneren Membran eine signifikante Konformationsumordnung. Die α-helicalen antimikrobiellen Peptide sind in der extrazellulären Umgebung normalerweise ungeordnet und weisen zufällige Spulen- oder verlängerte Strukturen auf, bilden aber schnell eine strukturierte α-Helix, wenn sie mit der Biomembran in Verbindung kommen. Einige antimikrobielle Peptide können diese Konformationsänderung nur in Verbindung mit einer negativ geladenen Doppelschichtmembran vollziehen. Dies könnte auf die Art und Weise zurückzuführen sein, wie die Lipide in solchen Membranen angeordnet sind, wobei die Phospholipid-Kopfgruppen eine optimale Periodizität der kationischen Aminosäurereste im Peptid bewirken, was wiederum die korrekte Konformation in die helikale Sekundärstruktur fördert. Es wurde vermutet, dass diese Eigenschaft sicherstellt, dass die antimikrobiellen Peptide nur in Gegenwart der Zielzellmembran, in diesem Fall einer negativ geladenen Bakterie, in die zytotoxische Form „aktiviert“ werden und nicht wahllos Nicht-Ziel-Wirtszellen schädigen. Die intramolekularen Disulfidbindungen, die in β-Faltblattpeptiden zu finden sind, sorgen dafür, dass sie ihre Sekundärstruktur auch in wässriger Umgebung beibehalten und daher nicht die drastischen Konformationsumlagerungen durchlaufen, die bei α-helicalen Peptiden zu beobachten sind, obwohl sich quartäre Peptidstrukturen beim Eintritt in die Membran disassoziieren können, was die selektive Toxizität erleichtern könnte. Nach der anfänglichen Interaktion mit der Zellmembran kann es bei vielen Peptiden zu einer Selbstassoziation kommen, die in Verbindung mit Lipid-Peptid-Wechselwirkungen zur Bildung komplexer Strukturen führen kann, die zu den zytotoxischen Wirkungen des Peptids beitragen. Die Aminosäuresequenz und die Konformation des antimikrobiellen Peptids in monomerer Form bestimmen seine Fähigkeit, diese Strukturen zu bilden. Bei amphipathischen Peptiden können die hydrophoben Domänen mit dem unpolaren hydrophoben Kernbereich der Lipiddoppelschicht wechselwirken und das Peptid dadurch tiefer in die Membran eindringen. Alternativ könnten sie auch mit den hydrophoben Facetten anderer Peptide interagieren und die Multimerisierung fördern, um zu vermeiden, dass diese Facetten der wässrigen Umgebung ausgesetzt werden. Diese Art der Multimerisierung und Interaktion mit dem Inneren der Lipiddoppelschicht kann dazu führen, dass sich in der Biomembran mit Peptiden ausgekleidete Poren oder Kanäle bilden, was zu einem Verlust der Integrität und einer Permeabilisierung führt. Da Biomembranen in ihrer Zusammensetzung und Struktur sehr variabel sind, ist es möglich, dass sich ein Peptid auf unterschiedliche Weise verhält, wenn es mit verschiedenen Zellmembranen verbunden ist. Es wurden mehrere Modelle vorgeschlagen, um die Porenbildung in Membranen zu beschreiben, die antimikrobiellen Peptiden ausgesetzt waren.

8.1. Das Barrel-Stave-Modell

Dieser Mechanismus der Membranporenbildung wird so genannt, weil die Transmembranpeptide oder Peptidkomplexe, die den Kanal auskleiden, in einem tonnenförmigen Ring angeordnet sind, wobei die Peptide Transmembran-Staves bilden. Amphipathische Peptide sind so ausgerichtet, dass die hydrophoben Domänen mit den unpolaren Kohlenwasserstoffschwänzen im Inneren der Lipidmembran interagieren, während die hydrophilen Domänen so ausgerichtet sind, dass sie dem wässrigen Kanal der Pore zugewandt sind und dessen Auskleidung bilden. Die monomeren Peptide reichern sich zunächst an der Zelloberfläche an und verändern ihre Konformation, wenn sie mit der Membran in Kontakt kommen (Abbildung 4). Man nimmt an, dass dies die Phospholipid-Kopfgruppen zur Seite drängt und eine Ausdünnung der Membran bewirkt. Dadurch kann der hydrophobe Teil des Peptids in das unpolare Innere der Membran eindringen, während die kationischen Aminosäuren des antimikrobiellen Peptids mit den negativ geladenen Kopfgruppen wechselwirken. Wenn die Schwellenkonzentration der Peptide erreicht ist, können die Peptidmonomere zu Multimeren aggregieren, was die Peptide weiter in das hydrophobe Zentrum der Membran drängt, da die Aggregation verhindert, dass die hydrophilen Teile des Peptids den hydrophoben Teilen der inneren Membran ausgesetzt sind (Abbildung 4(a)). Da immer mehr Peptidmonomere aggregieren, wird die Pore in der Membran erweitert.

(a)

(b)

(c)

(a)
(b)
(c)

Abbildung 4

Übersicht über mögliche Interaktionsmechanismen nach einer Peptidinteraktion mit der bakteriellen Zellmembran , d.h. (a) Fass-Stab-Modell (Porenbildung), (b) Toroid-Modell (Porenbildung) und (c) Teppich-Modell (Membranzerstörung). Rot gefärbte Peptidbereiche: hydrophil; blau gefärbte Peptidbereiche: hydrophob.

8.2. Der Mechanismus der toroidalen Pore oder des Wurmlochs

Dieser Mechanismus der Porenbildung wurde anhand der α-helicalen Magainin-Peptide gut untersucht. Beim Kontakt mit der geladenen Zellmembran nehmen die desorganisierten Peptide die α-helikale Struktur an. Zunächst richten sich die Helices so aus, dass sie parallel zur Oberfläche der Membran liegen. Die polaren Phospholipid-Kopfgruppen werden verdrängt und die Oberfläche der Membran wird geschwächt, was zu einer positiven Krümmung der Membran führt. Infolge dieser Belastung und Ausdünnung wird die Membran destabilisiert und anfälliger für weitere Peptidwechselwirkungen. Sobald eine Schwellenkonzentration von Peptiden erreicht ist, richten sich die Peptide neu aus, so dass sie senkrecht zur Membran stehen, und beginnen zu multimerisieren, so dass die hydrophilen Teile der Peptide nicht mehr mit den hydrophoben Teilen der Membran in Kontakt sind (Abbildung 4(b)). Die neu gebildete toroidale Pore ist instabil, und beim Zerfall werden einige der Peptide in das innere Blättchen der Zellmembran gedrückt. Es wird daher angenommen, dass der Zerfall dieser transienten Poren wichtig ist, da er es den Peptiden ermöglicht, in den intrazellulären Raum zu translozieren, wo sie auf andere Ziele wirken können.

8.3. Das Teppichmodell

Das Teppichmodell der Membranpermeabilisierung basiert auf der diffusen Wirkung vieler monomerer Peptide auf die Zellmembran. Wenn ausreichend hohe Konzentrationen bestimmter antimikrobieller Peptide auf der Zellmembran vorhanden sind, werden einige der Phospholipide der Membran verdrängt, was zu Veränderungen der Fluidität der Membran führt oder Schwächen in den Barriereeigenschaften der Membran hervorruft. Der kumulative Effekt dieser Verschiebungen ist, dass die Membran geschwächt wird und ihre Integrität verliert. Wie bereits angedeutet, erfolgt die anfängliche Anziehung der antimikrobiellen Peptide zur Membran durch elektrostatische Anziehungskräfte. Es werden keine spezifischen Kanäle oder Poren gebildet, und es wird angenommen, dass die Permeabilisierung und der Verlust der Membranintegrität auf die ungünstigen energetischen Eigenschaften zurückzuführen sind, die die Dispersion der Phospholipide mit sich bringt (Abbildung 4(c)).

9. Auswirkungen bakterieller Infektionen auf die menschliche Gesundheit und herkömmliche Methoden der Infektionsdiagnose

Schätzungsweise haben bis zu 85 % der schwerkranken Patienten im Krankenhaus Fieber, zeigen aber keine anderen äußeren Anzeichen einer Infektion. Da langanhaltende Fieberschübe tödlich sein können, ist es wichtig, dass eine zugrunde liegende Infektion so schnell wie möglich erkannt wird, damit die richtige Behandlung eingeleitet werden kann. Zu den herkömmlichen Diagnosemethoden gehören die Untersuchung von Gewebebiopsien und der Versuch, Krankheitserreger zu kultivieren – eine oft ungenaue und zeitaufwändige Aufgabe, die den Beginn der Behandlung verzögern kann. Auch bildgebende Diagnoseverfahren wie Computertomografie (CT) oder Magnetresonanztomografie (MRT) werden eingesetzt. Diese Verfahren sind jedoch in der Regel nicht in der Lage, Infektionen im Frühstadium zu erkennen, da sie morphologische Veränderungen des Gewebes voraussetzen, die in der Regel mit fortgeschrittenen Infektionen einhergehen. Außerdem sind sie in der Regel auf bestimmte Körperteile fokussiert, so dass die Infektion möglicherweise übersehen oder das wahre Ausmaß der Infektion nicht erkannt werden kann. Mit Galliumradiol markierte Antikörper oder Immunglobuline oder Komplexe wie 67/68Ga-Citrat können eingesetzt werden, um mit Hilfe von SPECT- oder PET-Scans Regionen zu markieren, in denen ein Leukozyten-Transport stattfindet. Diese Technologien sind jedoch nicht in der Lage, definitiv zwischen infiziertem und entzündetem, aber sterilem Gewebe zu unterscheiden, da in beiden Fällen ein Leukozyten-Transport stattfindet. In Anbetracht der hohen spezifischen Affinität natürlich vorkommender antimikrobieller Peptide für pathogene Bakterien oder Pilze im Gegensatz zu Zellen des Wirtsorganismus wurde erwogen, dass sie zur Unterstützung der Auflösung diagnostischer Bildgebungsverfahren eingesetzt werden können.

9.1. Die Verwendung von antimikrobiellen Peptiden als Radiopharmazeutika

Grundsätzlich sollte ein Radiopharmazeutikum, das für die Bildgebung von Infektionen eingesetzt wird, einen schnellen Nachweis von Bakterien und eine schnelle Beseitigung von nicht infizierten Stellen ermöglichen. Es sollte auch eine hohe und spezifische Aufnahme an der infizierten Stelle aufweisen, wobei sich nur minimale Mengen in sterilem oder Nicht-Zielgewebe anreichern. Der Wirkstoff sollte auch eine geringe Toxizität aufweisen und keine Immunreaktion hervorrufen. Sehr wichtig ist, dass sie zwischen einer sterilen und einer infizierten Entzündung unterscheiden kann. Da antimikrobielle Peptide im Allgemeinen ein breites Wirkungsspektrum gegen eine Vielzahl pathogener Hefen und Bakterien aufweisen, sind sie ideale Zielmoleküle für Infektionen, bei denen der vermutete Erreger noch nicht identifiziert wurde. Außerdem erfordert ihre Wirkungsweise, dass sie sich physisch mit dem Erreger verbinden, so dass sie in der Lage wären, eine Gamma- oder Positronenquelle wie Technetium-99m (99mTc) oder Gallium-67 (67Ga) genau an den Ort der Infektion zu bringen. Ihre mangelnde Affinität zu den Zellen des Wirtsorganismus bedeutet auch, dass sie sich nicht in sterilem, entzündetem Gewebe anreichern. Radiomarkierte antimikrobielle Peptide sind auch deshalb attraktiv, weil sie schnell aus dem Kreislaufsystem entfernt und vom Körper ausgeschieden werden. Darüber hinaus sind sie in der Lage, in das extravaskuläre Gewebe einzudringen und sich so in kürzester Zeit an infizierten Stellen anzusammeln. Idealerweise sollte das Radiomarkierungsverfahren eines Targeting-Moleküls die feste Bindung eines Radionuklids an das Molekül ermöglichen, ohne dessen Targeting-Fähigkeit oder die Pharmakokinetik des Moleküls zu beeinträchtigen. Die Markierung kann entweder direkt oder indirekt erfolgen:(i) Bei der direkten Markierung (Abbildung 5(a)) wird das Radionuklid über eine kovalente Bindung in das Targeting-Molekül eingebaut. Im Falle von Peptid-Zielmolekülen kann eine kovalente Bindung zwischen dem Radionuklid und einem geeigneten freien Amidrest aus Lys und Arg gebildet werden. Die Verwendung des Tyrosinrests kann zu Problemen im Zusammenhang mit der Markierung führen, darunter unspezifische oder schlechte Bindung, In-vivo-Instabilität des Komplexes und unerwünschte Veränderungen der Peptidstruktur, wie z. B. die Spaltung interner Disulfidbindungen, was die Funktionsweise verändern kann.(ii) Eine indirekte Markierungsstrategie kann durch Zugabe von Chelatbildnern zum Targeting-Molekül angewendet werden (Abbildung 5(b)). Bifunktionelle Chelate wurden zur Markierung von Peptidträgermolekülen mit Radionukliden verwendet. Der Chelatbildner kann mit dem Radionuklid vorgeladen werden, bevor er an das Trägermolekül gebunden wird, oder er wird zunächst an das Trägermolekül gebunden und dann dem Nuklid zur Chelatbildung in einem als Postlabelling bekannten Prozess ausgesetzt. Die Nachmarkierung hat den Vorteil, dass das Trägermolekül über einen langen Zeitraum gelagert werden kann, bis es benötigt wird, und dass das Radionuklid, das zerfällt, erst kurz vor der Verabreichung des Radiopharmazeutikums hinzugefügt werden kann. Dies begünstigt die Kommerzialisierung des Trägermoleküls und erleichtert die Anwendung der Technologie in Krankenhäusern oder Kliniken.

(a)

(b)

(a)
(b)

Abbildung 5

Vorgehensweisen bei der Radiolabeling von Peptiden. Die direkte Methode (a), bei der die Radionuklide kovalent an das Peptid gebunden werden, und die indirekte Methode (b), bei der die Radionuklide mit Hilfe von bifunktionellen Chelatoren an die Zielpeptide gebunden werden.

9.2. Ubiquicidin ist ein Beispiel für einen Ansatz für antimikrobielle, von Peptiden abgeleitete Radiopharmazeutika

Das antimikrobielle Peptid Ubiquicidin (UBI) mit 59 Aminosäureresten ist ein 6,7 kDa großes Peptid, das zuerst in zytosolischen Extrakten von Mäusemakrophagen entdeckt wurde (Abbildung 6). Dieses Peptid zeigte eine antimikrobielle Wirkung gegen Salmonella typhimurium und Listeria monocytogenes. Anschließend wurde es in einer Vielzahl anderer Organismen, einschließlich des Menschen, gefunden. Da es im Menschen natürlich vorkommt, ist Ubiquicidin nicht immunogen, so dass es sich für die Verabreichung als diagnostisches Mittel eignet. Außerdem hat es eine hohe Affinität zu bakteriellen Zellen, greift aber nicht auf Säugetierzellen an, so dass es für den Patienten ungiftig und selektiv ist, da es sich wahrscheinlich nicht an sterilen Entzündungsherden ansammelt. Es wurden mehrere Studien mit Fragmenten von Ubiquicidin sowohl in vitro als auch in vivo durchgeführt, um seine Fähigkeit zur Bindung an Bakterienzellen zu bewerten.

Abbildung 6

Primärstruktur von Ubiquicidin, wie ursprünglich von Hiemstra und Mitarbeitern berichtet.

Welling und Mitarbeiter untersuchten das gesamte markierte Ubiquicidin und verschiedene radiomarkierte Fragmente des Peptids, einschließlich UBI1-18 (KVHGSLARAGKVRGQTPK), UBI29-41 (TGRAKRRMQYNRR), UBI18-29 (KVAKQEKKKKKT), UBI 18-35 (KVAKQEKKKKKTGRAKRR), UBI31-38 (RAKRRMQY) und UBI22-35 (QEKKKKKTGRAKRR) auf ihre Fähigkeit, in vitro an Bakterienzellen und/oder menschliche Leukozyten zu binden. Sie stellten fest, dass die Ubiquicidin-Peptidfragmente UBI 18-35, UBI 31-38, UBI 22-35 und UBI 29-41 eine wesentlich höhere Bindungsaffinität für die Bakterienzellen aufwiesen als für die menschlichen Leukozyten. Die In-vivo-Ergebnisse, die durch Szintigraphie von experimentell infizierten Mäusen nach intravenöser Verabreichung der verschiedenen radioaktiv markierten Peptide erzielt wurden, zeigten, dass die Peptide UBI18-35 und UBI29-41 die vielversprechendsten Kandidaten zu sein schienen. Nach einer Verabreichungsdauer von 2 bzw. 24 Stunden betrug das Verhältnis von Leukozyten zu Bakterien 1 : 36, 1 : 166 bzw. 1 : 73, 1 : 220 für UBI18-35 und UBI29-41. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass UBI29-41 und UBI18-35 die optimalen Peptide zur Unterscheidung von Infektionen und sterilen Entzündungen sind.

9.3. Klinische Versuche mit -Ubiquicidin 29-41 als Mittel zur Darstellung von Infektionen

Akhtar und Mitarbeiter untersuchten die Wirksamkeit von -UBI 29-41 als Mittel zur Darstellung von Infektionen bei achtzehn Patienten mit Verdacht auf Prothesen- oder Weichteilinfektionen. Mithilfe der Szintigraphie zur Überwachung des radioaktiv markierten Peptids konnten die Forscher das Verhältnis zwischen Ziel und Nichtziel (T/NT) des Bildgebungsmittels verfolgen. Die Infektion der Patienten wurde durch eine Kultur von Bakterien aus der infizierten Stelle oder, falls dies nicht möglich war, durch eine vollständige Blutuntersuchung bestätigt. In der Studie wurde festgestellt, dass alle Patienten das radioaktiv markierte Peptid gut vertragen haben, dass keine signifikanten Veränderungen der Vitalparameter festgestellt wurden und dass nach der Verabreichung von -UBI 29-41 keine Nebenwirkungen auftraten. Das T/NT-Verhältnis wurde nach 30, 60 und 120 Minuten bestimmt, wobei der 30-Minuten-Scan den höchsten durchschnittlichen T/NT-Wert aufwies. Der anteriore Ganzkörperscan (Abbildung 7) gab Aufschluss über die Biodistribution des Tracers und seine Ausscheidungswege durch den Körper. Es ist zu erkennen, dass der Tracer größtenteils über die Harnwege ausgeschieden wird und auch eine gewisse perfusionsabhängige Leberaktivität festgestellt wurde. Für das Kontrastmittel wurde eine Sensitivität von 100 % und eine Spezifität von 80 % festgestellt. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass das -UBI 29-41 einen positiven prädiktiven Wert von 92,9 %, einen negativen prädiktiven Wert von 100 % und eine diagnostische Gesamtgenauigkeit von 94,4 % aufweist. Das radioaktiv markierte Peptid zeigte Wirksamkeit gegen eine Reihe verschiedener Bakterien, darunter Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus und Streptococcus pyogenes. Nach Ansicht der Forscher ist -UBI 29-41 ein hochempfindliches und spezifisches bildgebendes Mittel zum Nachweis von Weichteil- und Knocheninfektionen beim Menschen.

Abbildung 7

Anteriores Ganzkörperbild, aufgenommen 30 Minuten nach der Tracerinjektion, mit Nieren (gepunkteter Pfeil), Leber (durchgezogener Pfeil) und Harnblase (Kugelpfeil) (angepasst aus ).

10. Diskussion und Ausblick

Der Einsatz nuklearmedizinischer Verfahren wie SPECT oder PET ermöglicht dem Kliniker eine nichtinvasive Ganzkörperuntersuchung physiologischer Prozesse wie z.B. okkulter Infektionen auf zellulärer Ebene, und abgesehen davon, dass sie ein nützliches Instrument für die physiologische und medizinische Forschung darstellen, sind diese hochempfindlichen Technologien in der Lage, Krankheiten ohne oder vor einer anatomischen Veränderung (Fieber unbekannten Ursprungs) zu erkennen. Bislang werden radioaktiv markierte Leukozyten, monoklonale Antikörper gegen Zytokine/Leukozyten und Tracer, die mit spezifischen molekularen Zielen oder Stoffwechselprozessen assoziiert sind, verwendet. Radiomarkierte Leukozyten haben eine Reihe von Einschränkungen (Veränderung der Leukozytenfunktion aufgrund von Strahlenschäden), d.h. sie haben eine schwerfällige Pharmakokinetik und sind außerdem relativ unspezifisch. Außerdem können markierte Leukozyten und hochmolekulare Tracer wie Antikörper nur begrenzt in infiziertes oder krankes Gewebe eindringen. Der letztgenannte Überblick verdeutlicht das weit verbreitete Potenzial von AMPs als bildgebende Sonden angesichts ihrer einzigartigen selektiven Beteiligung an Bakterien. Eine einfache Literaturabfrage, bei der nach „antimikrobiellen Peptiden“ gesucht wird, ergab ca. 6000 Veröffentlichungen. Sobald die Abfrage jedoch mit dem Begriff „Bildgebung“ kombiniert wird, ergeben sich nur 63 Veröffentlichungen, von denen nur 17 klinische Relevanz haben (-UBI-29-41 verwandte Studien/Studien). Dies ist eine wichtige Beobachtung, da dieses Ubiquicidin-Fragment ein nahezu perfekter Träger für Zielmoleküle zur Infektionserkennung sein könnte. In den von Akhtar und Mitarbeitern durchgeführten klinischen Studien am Menschen mit -UBI 29-41 wurden keine Hinweise auf Zytotoxizität bei den Patienten gefunden, was die Ergebnisse der aktuellen Studie unterstützt. Obwohl festgestellt wurde, dass das Signal-Rausch-Verhältnis gering ist, wird es nun schon seit 10 Jahren erfolgreich eingesetzt. Im Jahr 2010 wurden die bisherigen klinischen Studien von de Murphy et al. hinsichtlich ihres diagnostischen Wertes über den anfänglichen Zeitraum von 7 Jahren gerechtfertigt. -UBI 29-41-Metaanalyse hohe Werte für die Sensitivität (96,3 %), die Spezifität (94,1 %) und die Genauigkeit (95,3 %) mit hohen positiven prädiktiven (95,1 %) und negativen prädiktiven Werten (95,5 %) ermittelt. Seit 2011 wurden sieben weitere klinische Studien (an denen insgesamt mehr als 160 Patienten teilnahmen) erfolgreich durchgeführt, die alle den Nachweis erbrachten, dass -UBI29-41-SPECT ein hochpräzises und selektives Diagnoseinstrument für Knocheninfektionen bei diabetischem Fuß, Hüftprothesen oder anderen implantatbedingten Infektionen ist; darüber hinaus erkennt es auch Osteomyelitis und infektiöse Endokarditis. Es kann davon ausgegangen werden, dass dieser Anwendungsbereich für die Bildgebung mit -UBI29-41 weiter wachsen wird, auch weil die Forschung mit anderen Radioisotopen in Zukunft eine neue Gruppe von Radiopharmaka für die medizinische diagnostische Bildgebung mittels klinischer PET/CT oder PET/MRI hervorbringen könnte. Neuartige Radioisotope wie 68Ga, 82Rb oder 62Cu können bei Bedarf in einem Radioisotopengenerator hergestellt werden, ohne dass ein Zyklotron vor Ort erforderlich ist, und können als Radionuklide für PET dienen. 68Ga hat als Positronenstrahler für die molekulare Bildgebung aufgrund einiger Vorteile, die es als Tracer bietet, Interesse geweckt. Es hat eine radioaktive Halbwertszeit von 67,71 Minuten, was es mit der Biokinetik der meisten niedermolekularen Radiopharmaka wie Peptiden, Oligonukleotiden, Aptameren oder Antikörperfragmenten kompatibel macht. Der Kernzerfall des Isotops erfolgt hauptsächlich durch Positronenemission (89 %) mit einer durchschnittlichen Positronenenergie von 740 keV. Darüber hinaus ist die Koordinationschemie von Ga3+ gut bekannt, was bei der Entwicklung von Chelatbildnern hilfreich ist, die zur Verknüpfung dieses Radionuklids mit einem Zielvektor verwendet werden können. Kürzlich wurde UBI29-41 mit dem Makrozyklus 1,4,7-Triazacyclononan-1,4,7-triessigsäure (NOTA) konjugiert und anschließend mit 68Ga markiert. Dieser Ansatz wurde zunächst mit 1,4,7,10-Tetraazacyclododecan-N′,N′′,N′′′,N′′′′ ′-Tetraessigsäure (DOTA) angewandt, um die Peptidderivate wie DOTA-TOC oder DOTA-TATE für die 68Ga-Komplexierung zu erhalten, die anschließend die PET-Bildgebung auf der Basis von Tumorrezeptoren ermöglichten. In einer präklinischen Studie mit 68Ga-NOTAUBI29-41-PET wurde gezeigt, dass die Makrozyklus-Konjugation die Fähigkeit des Peptids zur selektiven Bindung an Bakterien in vivo nicht beeinträchtigt. Neben UBI gibt es noch andere Verbindungen, die für die Bildgebung von Infektionen und Entzündungen untersucht wurden, doch die meisten antimikrobiellen Peptide, die zur Verfügung stehen, sind im Hinblick auf die Bildgebung von Infektionen noch nicht ausreichend erforscht. Im Jahr 2000 wurden die humanen neutrophilen Peptide (HNP1-3) neben anderen Peptiden als nützliche Mittel zur gezielten Bekämpfung von Infektionen betrachtet. Als Teil des Abwehrmechanismus in Monozyten/Lymphozyten-Kulturen spielen HNPs eine chemotaktische Rolle als vermittelnde Moleküle. Diese zweideutige Rolle kann ein Nachteil bei der Entwicklung von HNPs für die Bildgebung sein; daher kann die Verwendung bestimmter Peptide als Targeting-Vektoren trotz ihrer günstigen zellulären Eigenschaften einige sekundäre Einschränkungen haben. Da Radiopharmazeutika meist durch i.v. Injektion verabreicht werden, können die Peptide anfällig für enzymatischen Abbau oder die Destabilisierung des Radioisotops sein, wie für 18F-UBI29-41 berichtet wurde. Das aus Lactoferrin gewonnene Peptid hLF(1-11) erwies sich als sehr empfindlich für Infektionen mit multiresistenten Acinetobacter baumannii-Stämmen; die Bindung an den Pilz Candida albicans und die hepatobiliäre Ausscheidung machten es jedoch für die Bildgebung weniger geeignet. Darüber hinaus zeigte hLF je nach verabreichter Dosis immunaktivierende oder bakterientötende Wirkungen, d. h., sie stießen auf einen negativen Rückkopplungsmechanismus durch Interleukin-10-Modulation . Ein weiteres Beispiel ist das AMP Latarcin-2a, das aus dem Gift der zentralasiatischen Spinne Lachesana tarabaevi gewonnen wird und in mikromolaren Konzentrationen eine unerwünschte lytische Aktivität gegen grampositive und gramnegative Bakterien, Erythrozyten und Hefen aufweist, so dass es für den bakteriellen Nachweis mit PET weniger in Frage kommt. Darüber hinaus sind die meisten Bakterien in der Lage, sowohl oberflächengebundene als auch sekretorische Proteasen zu produzieren, eine Verteidigungsstrategie, die AMPs abbauen oder inaktivieren kann. Folglich würde die Verwendung von AMP-abgeleiteten Verbindungen als bildgebende Mittel zu einer falsch-negativen Diagnostik führen, bei der eine anhaltende Infektion leicht verkannt oder ganz übersehen werden könnte. Durch das Verständnis dieser spezifischen bakterieneigenen Abwehrmechanismen kann die Verwendung anfälliger AMP-Strukturen als bildgebende Mittel für Infektionen vermieden werden. Es ist auch anzumerken, dass die Forschung, abgesehen von einigen wenigen Strukturen, kein bakterienspezifisches rezeptorähnliches Ziel offenbart hat, das die potenziellen Peptide als Liganden oder allosterische Modulatoren ergänzt. Tumorzellen hingegen exprimieren spezifische Rezeptoren wie Integrin-, Bombesin- oder Somatostatin-Liganden oder -Antagonisten, auf die SPECT- oder PET-Tracer ausgerichtet sind. Darüber hinaus verfügt das Immunsystem des Wirts, wenn es auf Infektionen reagiert, über pathologische Wege, die mit PET abgebildet werden können. Aktivierte Makrophagen können ein gleichwertiges wirtsabhängiges Ziel darstellen, das mit 18F-FDG unspezifisch sichtbar gemacht werden kann, wobei die tatsächliche bakterielle Belastung jedoch im Dunkeln bleibt. Im Gegensatz dazu wirken AMP-abgeleitete Peptide über einen wirtsunabhängigen Mechanismus: radioaktiv markierte Peptide binden an freie und an zelladhärente, nicht aber an phagozytierte Bakterien, so dass Bakterien für -UBI29-41-SPECT unsichtbar werden, sobald sie von Makrophagen aufgenommen werden. Der Einsatz dieser Methode ermöglicht die frühzeitige Erkennung einer Infektion, noch bevor morphologische Veränderungen im Körper auftreten. Es ermöglicht auch die Unterscheidung einer Infektion von einer sterilen Entzündung, die oberflächlich betrachtet ähnlich aussehen kann, da sich beide als gerötete, geschwollene und ungewöhnlich warme Bereiche zeigen können. Dies ist auf den verstärkten Blutfluss, die erhöhte Gefäßpermeabilität und den Zustrom weißer Blutkörperchen zurückzuführen, die in beiden Fällen zu beobachten sind. Der letztgenannte Ansatz würde in künftigen klinischen Studien ein duales Tracer-Bildgebungsschema oder sogar eine duale Tracergabe nahelegen (wenn die jeweiligen Radioisotop-Eigenschaften und pharmakokinetischen Eigenschaften den Ansatz ergänzen). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der ideale Tracer für die klinische PET-Bildgebung von Infektionen mehrere Kriterien erfüllen sollte. (1) Er sollte einen beträchtlichen Abbau im Blut und ein angemessenes Maß an Lipophilie aufweisen; (2) er sollte sich am Ort der Infektion anreichern und dort verbleiben (idealerweise durch Internalisierung und anschließende Verstärkung), mit minimaler Anreicherung in nicht infizierten Bereichen; (3) er sollte eine schnelle Beseitigung unspezifischer Aktivitätsaufnahme aus den umliegenden Regionen aufweisen, um ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen; und (4) er sollte minimale Nebenwirkungen haben und einfach und kostengünstig herzustellen sein. UBI29-41 hat seine Nützlichkeit für die generische Infektionsbildgebung bewiesen, und andere geeignete Radiopharmaka auf AMP-Basis werden zweifellos folgen.

Abkürzungen

AMP:	Antimikrobielle Peptide
B. subtilis:	Bacillus subtilis
C. albicans:	Candida albicans
CL:	Cardiolipin
CT:	Computertomographie
DNA:	Deoxyribonukleinsäure
E. coli:	Escherichia coli
FDG:	Fluordesoxyglucose
LPS:	Lipopolysaccharid
MRI:	Magnetresonanztomographie
PC:	Phosphatidylcholin
PE:	Phosphatidyl-Ethanolamin
PET:	Positronen-Emissions-Tomographie
PG:	Phosphatidyl-glycerol
PS:	Phosphatidyl-serin
S. aureus:	Staphylococcus aureus
SM:	Sphingomyelin
SPECT:	Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie
ST:	Sterole
T/NT:	Verhältnis zwischen Ziel und Nichtziel
TATE:	(Tyrosin3)octreotat
TOC:	(Phenylalanin1-Tyrosin3)octreotid
UBI:	Ubiquicidin (Fragment).

Interessenkonflikt

Die Autoren erklären, dass sie keine Interessenkonflikte haben.

Danksagungen

Die Arbeiten im Zusammenhang mit dieser Übersichtsarbeit wurden von der National Research Foundation (NRF), dem Institute of Cellular and Molecular Medicine und der Nuclear Technologies in Medicine and the Biosciences Initiative (NTeMBI), einer nationalen Technologieplattform, die von der South African Nuclear Energy Corporation (Necsa) entwickelt und verwaltet und vom Department of Science and Technology (DST) finanziert wird, finanziert und freundlicherweise unterstützt.