Althiomycin – přírodní antibiotikum s neobvyklou strukturou a ribozomálním mechanismem účinku

Jiří Patočka, Matěj Malík

Souhrn

     Althiomycin je sirný přírodní produkt a výrazně modifikovaný pentapeptid s antibakteriální aktivitou, který byl poprvé popsán v roce 1957 u aktinomycety Streptomyces althioticus. Již při objevu bylo zjištěno, že inhibuje růst grampozitivních i gramnegativních bakterií, zatímco proti houbám nevykazoval významnou aktivitu. Z farmakologického hlediska je nejvýznamnější jeho působení na bakteriální ribozom. Althiomycin se váže na 50S podjednotku a interferuje s peptidyltransferázovou reakcí, čímž blokuje syntézu proteinů. 

Historie objevu

     Althiomycin patří k antibiotikům objeveným v období intenzivního hledání nových mikrobiálních antibakteriálních látek. V roce 1957 Yamaguchi a spolupracovníci popsali nový sirný antibiotický metabolit izolovaný z kultury Streptomyces althioticus. Pojmenovali jej althiomycin. Původní práce uváděla, že látka inhibuje růst grampozitivních i gramnegativních bakterií, nikoli však hub. Autoři rovněž popsali relativně nízkou toxicitu tehdy testovaného přípravku a ochranný účinek v experimentálním modelu infekce (Yamaguchi et al., 1957).  Historie althiomycinu je zajímavá také z taxonomického hlediska. Později byl totiž nalezen u několika  ykobakterií, včetně rodů Myxococcus a Cystobacter. Skutečnost, že chemicky komplexní metabolit může být produkován fylogeneticky značně odlišnými mikroorganismy, se stala jedním z pozoruhodných aspektů jeho výzkumu. 

Chemická struktura

     Althiomycin je velmi neobvyklý přírodní produkt, který lze zjednodušeně označit jako silně modifikovaný pentapeptid. Jeho struktura byla řešena v první polovině 70. Let několika nezávislými chemickými přístupy. Sakakibara a spolupracovníci publikovali v roce 1974 strukturu althiomycinu v The Journal of Antibiotics (Sakakibara et al., 1974). 

Althiomycin

Když „smrtelná dávka“ nezabije: toxikologie za smrtící injekcí

Kamil Kuča, Jiří Patočka

     Koncem září t.r. obletěla svět neobvyklá zpráva. Americký stát Tennessee se 30. září pokusil vykonat trest smrti nad padesátiletou Christou Pike, odsouzenou za vraždu spáchanou v roce 1995. Použitou látkou byl pentobarbital, silně tlumivý barbiturát. Odsouzená dostala dvě plné dávky a přesto přežila. Po zhruba dvou hodinách ji z věznice odvezla sanitka do nemocnice. Podle jejích právních zástupců zůstala v kritickém stavu, v bezvědomí a na umělé plicní ventilaci. Guvernér Tennessee Bill Lee označil událost za hluboce znepokojivou, nařídil nezávislé přezkoumání a odložil i jedinou další popravu, která byla ve státě na letošek naplánována. O tři dny později oznámil, že odstupuje šéf tamního vězeňského systému Frank Strada. Co přesně se v popravčí místnosti stalo, zatím vysvětleno není. Obhájci odsouzené poukazují hlavně na problémy se žilním vstupem a na možnost, že část léčiva vůbec neskončila v krevním oběhu. Pro toxikologa tak případ otevírá starou otázku. Existuje vůbec spolehlivě „smrtelná dávka“?

Famotidin: nové poznatky o starém léčivu

Jiří Patočka

     Famotidin patří mezi dlouhodobě používaná léčiva, jejichž hlavní farmakologický účinek je dobře znám: kompetitivní antagonismus histaminových H₂-receptorů vede ke snížení sekrece kyseliny chlorovodíkové v žaludku. Působí tak, že blokuje působení histaminu na receptory H2 v žaludeční výstelce. Histamin je chemická látka, která stimuluje žaludek k produkci kyseliny. Inhibicí tohoto účinku famotidin účinně snižuje množství produkované kyseliny, což vede ke snížení kyselosti v žaludku. Toto snížení kyseliny pomáhá léčit vředy, zmírňovat pálení žáhy a předcházet poškození jícnu způsobenému refluxem kyseliny. V posledních letech se však zájem o famotidin rozšířil mimo gastroenterologii. Výzkum H₂-receptorové signalizace ukazuje její propojení s regulací imunity, zánětu a buněčné signalizace a famotidin se proto stal předmětem výzkumu také v souvislosti s infekčními, neurodegenerativními a dalšími chorobami [1]. Zároveň se ukazuje, že některé původně velmi atraktivní hypotézy o nových účincích famotidinu, například v léčbě COVID-19, je třeba interpretovat s určitou rezervou.

Famotidin

Kaštan koňský (Aesculus hippocastanum) – nové vědecké poznatky, fytochemie a medicínský potenciál

Jiří Patočka

     Kaštan koňský (Aesculus hippocastanum L.), známý také jako jírovec maďal, patří mezi nejznámější evropské okrasné dřeviny. Jeho léčebný význam je však mnohem závažnější než jeho využití v městské zeleni. Především semena představují významný zdroj biologicky aktivních triterpenoidních saponinů souhrnně označovaných jako escin (aescin). Standardizované extrakty ze semen patří mezi dobře známé fytofarmakologické prostředky používané zejména při chronické žilní insuficienci a otocích. Výzkum A. hippocastanum se v posledních letech rozšířil od klasického studia venotonického účinku escinu k otázkám molekulárních mechanismů účinku, protizánětlivé signalizace, ovlivnění bradykininové dráhy, hojení ran, antivirových a cytotoxických vlastností a také k využití dalších částí rostliny. Současný přehled shrnující více než 200 let výzkumu a 184 odborných prací ukazuje, že léčivý potenciál jírovce je mnohem širší než jeho tradiční využití při žilních onemocněních.

Botanická a farmakognostická charakteristika

     Aesculus hippocastanum je mohutný opadavý strom z čeledi mýdelníkovitých (Sapindaceae). Pochází z oblasti Balkánu a dnes je rozšířen prakticky po celé Evropě a v dalších mírných oblastech světa. Charakteristické jsou jeho dlanitě složené listy, bílé květy s červenými nebo žlutými skvrnami a velká semena uzavřená v ostnité tobolce. Z farmakognostického hlediska mají největší význam semena známá jako kaštany, ale biologicky aktivní látky se nacházejí také v kůře, listech a květech. Chemické složení jednotlivých orgánů se přitom výrazně liší.

JNK: když se buněčný alarm stane součástí toxického účinku

Eugenie Nepovimová, Kamil Kuča

     Když se toxická látka dostane do buňky, jen málokdy způsobí poškození jediným mechanismem. Může reagovat s proteiny, narušovat mitochondrie, zvyšovat tvorbu reaktivních forem kyslíku, poškozovat DNA nebo zasahovat do buněčného metabolismu. Buňka ale není pasivním terčem. Na vznikající poškození reaguje a aktivuje celou řadu obranných a stresových mechanismů. Jedním z nejlépe prostudovaných je JNK, tedy c-Jun N-terminalkinase. Na první pohled jde jen o další z mnoha proteinových kináz. Ve skutečnosti se však JNK nachází na mimořádně zajímavém rozhraní mezi buněčným stresem a rozhodnutím, co bude následovat. Buňka se může pokusit poškození zvládnout, změnit expresi genů a adaptovat se. Pokud je ale stres příliš silný nebo trvá příliš dlouho, může stejná signální dráha přispívat k mitochondriální dysfunkci, zánětu a buněčné smrti. Pro toxikologa je proto JNK důležitá hned dvakrát. Pomáhá nám pochopit, jak toxická látka způsobuje poškození, a současně představuje potenciální místo, kde bychom možná jednou mohli tento proces farmakologicky ovlivnit.

Curvulamin – neobvyklý indolizidinový alkaloid mořské houby rodu Curvularia

Jiří Patočka

     Curvulamin (curvulamine) představuje strukturálně neobvyklý dusíkatý sekundární metabolit, který byl v roce 2014 izolován z mořské houby rodu Curvularia (kmen IFB-Z10), získané z trávicího traktu ryby Argyrosomus argentatus. Toto označení představuje historické vědecké synonymum druhu Pennahia argentata. Jedná se o mořskou paprskoploutvou rybu z čeledi smouhovití (Sciaenidae), která je v anglické odborné literatuře označována jako white croaker nebo silver croaker. Druh P. argentata se vyskytuje při západním pobřeží Severní Ameriky, přičemž hojně je zastoupen zejména v oblasti jižní Kalifornie. V českém názvosloví se pro zástupce rodu Pennahia používá rodové jméno smouha.

White croaker (Pennahia argentata)

Guazuma ulmifolia – mutamba: a traditional medicinal plant and source of proanthocyanidins

Jiří Patočka, Sandra Maria Barbalho, Maribel Ovando-Martínez, Mathew Chidozie Ogwu

     Guazuma ulmifolia Lam., commonly known as mutamba or guácimo, is a tropical tree belonging to the family Malvaceae (in some older taxonomic systems classified within the family Sterculiaceae). It is native to tropical America, particularly Mexico, Central America and extensive areas of South America. It has a long history of use in traditional medicine, especially in Mexico, Brazil, Bolivia, Ecuador, Guatemala and other Latin American countries (Shekhawat et al., 2021). The leaves, bark and fruits are particularly widely used, with the bark and leaves having received the greatest scientific attention to date. Modern phytochemical studies indicate that G. ulmifolia is a notable source of polyphenolic compounds, particularly condensed tannins—proanthocyanidins—and flavonoids.

Botanical characteristics

     Guazuma ulmifolia is a medium-sized to tall tree that can reach approximately 30 m in height under favourable conditions. It is characterised by a relatively broad crown, alternate ovate to oblong-ovate leaves and small flowers. The fruit is a characteristic hard, dark capsule containing numerous seeds. The species is ecologically adaptable and, throughout tropical America, is used not only as a medicinal plant but also as a source of timber, fodder and other useful products (Janzen, 1982). The name mutamba is particularly widespread in Portuguese- and Spanish-speaking regions of Latin America. The English common name “bastard cedar” refers to a certain superficial resemblance to cedars; botanically, however, the species is not related to coniferous cedars. The importance of the species in traditional cultures is particularly noteworthy because different parts of the plant—including the leaves, bark, fruits, roots and flowers—are used.

Digitální dvojče buňky: budeme jednou testovat léčiva nejprve ve virtuálním světě?

Kamil Kuča, Dominik Palla

     Představme si, že máme novou molekulu, která by se jednou mohla stát léčivem. Dnes ji čeká dlouhá cesta od prvních biochemických testů přes buněčné kultury a preklinické experimenty až k prvnímu podání člověku. Co kdyby ale bylo možné ještě předtím položit mnohem jednodušší otázku počítači: Co tato molekula udělá s buňkou?

     Nejde přitom pouze o to, zda se naváže na určitý receptor nebo inhibuje konkrétní enzym. Mnohem zajímavější by bylo předpovědět, co se následně stane s buněčnou signalizací, metabolismem, mitochondriemi, expresí genů a nakonec s celou buňkou. Ještě před několika lety by podobná představa patřila spíše do oblasti science fiction. Dnes se však na jejím uskutečnění skutečně pracuje. Postupně vzniká koncept digitálního dvojčete buňky, tedy cellular digital twin.

Od digitálního motoru k digitální buňce

     Myšlenka digital twin se původně rozvíjela především v technických oborech. Fyzický objekt, například motor, výrobní linka nebo letadlo, má svoji digitální reprezentaci, kterou lze průběžně aktualizovat pomocí dat z reálného systému. Na ní je potom možné simulovat různé situace, předvídat poruchy nebo zkoušet zásahy, aniž bychom riskovali poškození skutečného zařízení.

     Biomedicína začíná podobnou myšlenku přenášet na živé systémy. Vznikají digitální modely orgánů, fyziologických procesů a v dlouhodobější vizi dokonce celých pacientů. Mezi molekulou léčiva a člověkem však existuje ještě jedna zcela zásadní úroveň, totiž buňka. V ní se odehrává velká část procesů, které nakonec rozhodnou, zda léčivo bude účinné, nebude fungovat nebo vyvolá nežádoucí či toxický účinek. Léčivo se může navázat na svůj molekulární cíl, ovlivnit signální dráhu, změnit expresi genů nebo metabolismus a teprve následně pozorujeme výsledný biologický efekt. Pokud bychom dokázali alespoň část tohoto děje reprodukovat v počítači, získali bychom nástroj, který by mohl být zajímavý nejen pro základní výzkum, ale také pro farmakologii a toxikologii.

Kyselina ibotenová a muscimol – hlavní neuroaktivní látky muchomůrky červené

Jiří Patočka, Daniel Kružík, Dominik Kružík

     Muchomůrka červená (Amanita muscaria) patří k nejznámějším psychoaktivním houbám a současně představuje mimořádně zajímavý objekt neurofarmakologického a toxikologického výzkumu. Její charakteristické biologické účinky jsou způsobeny dvěma strukturně příbuznými isoxazolovými metabolity – kyselinou ibotenovou (ibotenic acid) a muscimolem (muscimol). Tyto látky mají přitom výrazně odlišné mechanismy účinku: kyselina ibotenová působí především jako agonista glutamátergních receptorů, zatímco muscimol je vysoce účinným agonistou ionotropních receptorů GABA. Právě kombinace excitačního a inhibičního působení těchto dvou metabolitů je důležitá pro pochopení proměnlivého klinického obrazu intoxikace A. muscaria.

Muchomůrka červená (Amanita muscaria). Foto: Daniel Kružík

Cristatuminy – indolové diketopiperazinové alkaloidy mořských hub

Jiří Patočka

     Cristatuminy představují zajímavou skupinu sekundárních metabolitů mořských a mořskými řasami asociovaných mikroskopických hub. Chemicky patří mezi indolové alkaloidy obsahující diketopiperazinový (DKP) skelet, tedy cyklický dipeptid vznikající kondenzací dvou aminokyselin. Tato skupina přírodních látek je pozoruhodná nejen strukturální rozmanitostí, ale také biologickou aktivitou, která zahrnuje především antibakteriální a v některých případech cytotoxické účinky. Význam cristatuminů tak spočívá především v oblasti chemické ekologie mikroorganismů a výzkumu nových přírodních prototypů s potenciálním farmakologickým využitím.

Objev cristatuminů

     Cristatuminy A–D byly poprvé popsány v roce 2012 z kultury houby Eurotium cristatum EN-220, izolované z mořské hnědé řasy Sargassum thunbergii. Houba byla získána jako endofytický mikroorganismus žijící v asociaci s mořskou řasou. Z kultivačního extraktu bylo izolováno celkem deset indolových alkaloidů, z nichž čtyři – cristatuminy A, B, C a D – byly nové. Jejich struktury byly stanoveny na základě rozsáhlé spektroskopické analýzy (Du et al., 2012). Tento nález zapadá do širšího obrazu sekundárního metabolismu rodu Eurotium, respektive jeho současného taxonomického pojetí v rámci rodu Aspergillus. Houby této skupiny jsou významným zdrojem indolových diketopiperazinů, jejichž struktury jsou často odvozeny od tryptofanu a dalších aminokyselin. Pro řadu těchto metabolitů je charakteristická také přítomnost modifikovaného isoprenylového řetězce navázaného na indolové jádro.

Chemická struktura

     Cristatumin A lze chemicky charakterizovat jako indolový diketopiperazin odvozený od tryptofanu a serinu (Li et al., 2013). Diketopiperazinová část molekuly představuje produkt intramolekulární cyklizace dipeptidu a vytváří relativně rigidní strukturu, zatímco indolové jádro poskytuje další možnosti prostorové i elektronové interakce s biologickými makromolekulami. Právě kombinace peptidového a indolového charakteru je typická pro celou rozsáhlou skupinu fungálních indolových diketopiperazinů.

Cristatumin  A