БИОХИМИЯ, 2024, том 89, вып. 2, с. preprint-03

УДК 577.24

Соотношение цитотоксического и антимикробного действия коньюгатов трифенилфосфония с различными производными хинона

© 2024 П.А. Назаров 1*nazarovpa@gmail.com, Л.А. Зиновкина 2, А.А. Брезгунова 1,2, К.Г. Лямзаев 1,3, А.В. Головин 2, М.В. Каракозова 1, Е.А. Котова 1, Е.Ю. Плотников 1, Р.А. Зиновкин 1,3, М.В. Скулачев 1,4, Ю.Н. Антоненко 1

НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 119991 Москва, Россия

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, факультет биоинженерии и биоинформатики, 119991 Москва, Россия

ФГАОУ ВО РНИМУ имени Н.И. Пирогова Минздрава России, Российский геронтологический научно-клинический центр, 129226 Москва, Россия

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, НИИ Митоинженерии, 119991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 04.12.2023
После доработки 30.01.2024
Принята к публикации 21.02.2024

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: антиоксиданты, SkQ1, помпы МЛУ, AcrAB-TolC, бактерии, культуры клеток млекопитающих, цитотоксичность, антибиотик, митохондрии.

Аннотация

Хиноновые производные трифенилфосфония зарекомендовали себя как эффективные геропротекторы и антиоксиданты, предотвращающие окисление компонентов клетки с участием активных свободных радикалов – пероксидных (RO2), алкоксильных (RO), алкильных (R), а также активных форм кислорода (супероксид-анион, синглетный кислород). Наиболее изученными представителями являются производные пластохинона (SkQ1) и убихинона (MitoQ), которые, помимо антиоксидантных свойств, обладают также сильным антибактериальным действием. В настоящей работе мы исследовали антибактериальные свойства других хиноновых производных на основе децил-трифенилфосфония (SkQ3, SkQT и SkQThy). Нами показано, что, подобно SkQ1, эти соединения в микромолярных концентрациях подавляют рост различных грамположительных бактерий, тогда как в отношении грамотрицательных бактерий они не настолько эффективны, что обусловлено распознаванием производных трифенилфосфония основной помпой множественной лекарственной устойчивости (МЛУ) грамотрицательных бактерий AcrAB-TolC. Обнаружена зависимость антибактериального действия SkQ1 от количества бактериальных клеток. Важно, что цитотоксическое действие SkQ1 на клетки млекопитающих наблюдается при значительно более высоких концентрациях, чем антибактериальное, что может объясняться: (1) наличием большого количества мембранных органелл, (2) более низким мембранным потенциалом, (3) пространственным разделением процессов генерации энергии и транспорта, (4) разницей в составе помп МЛУ. Различия в цитотоксическом действии у разных типов эукариотических клеток, возможно, связаны со степенью развитости мембранных органелл, энергетическим статусом клетки и уровнем экспрессии помп МЛУ.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 22-15-00099 (Назаров П.А.)). Эксперименты на клеточных линиях человека выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 23-14-00061 (Лямзаев К.Г.)). Молекулярный докинг выполнен при поддержке Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского университета «Мозг, когнитивные системы, искусственный интеллект» (Головин А.В.).

Благодарности

Авторы выражают благодарность Н.В. Сумбатян за помощь в работе и плодотворное обсуждение результатов.

Вклад авторов

П.А. Назаров, Ю.Н. Антоненко, М.В. Скулачев, Р.А. Зиновкин, Е.Ю. Плотников – концепция и руководство работой; П.А. Назаров, Л.А. Зиновкина, А.А. Брезгунова, К.Г. Лямзаев, А.В. Головин – проведение экспериментов; П.А. Назаров, Ю.Н. Антоненко, М.В. Скулачев, Р.А. Зиновкин, Е.Ю. Плотников, М.В. Каракозова, А.В. Головин, К.Г. Лямзаев – обсуждение результатов исследования; П.А. Назаров, М.В. Скулачев, А.В. Головин, Е.А. Котова, Р.А. Зиновкин, Е.Ю. Плотников, М.В. Каракозова, Ю.Н. Антоненко – написание текста; П.А. Назаров, Е.А. Котова, Е.Ю. Плотников, М.В. Каракозова – редактирование текста статьи.

Конфликт интересов

Скулачев М.В. является директором компании «Митотех», разрабатывающей и коммерциализирующей лекарственные препараты на основе МНА класса SkQ. Остальные авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Все применимые международные, национальные и/или институциональные принципы ухода и использования животных были соблюдены. Протоколы работы с животными были одобрены этическим комитетом по работе с животными НИИ ФХБ имени А.Н. Белозерского МГУ имени М.В. Ломоносова (Протокол № 3/19 от 18 марта 2019 г).

Список литературы

1. Zorova, L. D., Popkov, V. A., Plotnikov, E. Y., Silachev, D. N., Pevzner, I. B., Jankauskas, S. S., Babenko, V. A., Zorov, S. D., Balakireva, A. V., Juhaszova, M., Sollott, S. J., and Zorov, D. B. (2018) Mitochondrial membrane potential, Anal. Biochem., 552, 50-59, doi: 10.1016/j.ab.2017.07.009.

2. Liberman, E. A., Topaly, V. P., Tsofina, L. M., Jasaitis, A. A., and Skulachev, V. P. (1969) Mechanism of coupling of oxidative phosphorylation and the membrane potential of mitochondria, Nature, 222, 1076-1078, doi: 10.1038/2221076a0.

3. Grinius, L. L., Jasaitis, A. A., Kadziauskas, Y. P., Liberman, E. A., Skulachev, V. P., Topali, V. P., Tsofina, L. M., and Vladimirova, M. A. (1970) Conversion of biomembrane-produced energy into electric form. I. Submitochondrial particles, Biochim. Biophys. Acta, 216, 1-12, doi: 10.1016/0005-2728(70)90153-2.

4. Liberman, E. A., and Skulachev, V. P. (1970) Conversion of biomembrane-produced energy into electric form. IV. General discussion, Biochim. Biophys. Acta, 216, 30-42, doi: 10.1016/0005-2728(70)90156-8.

5. Burns, R. J., Smith, R. A, and Murphy, M. P. (1995) Synthesis and characterization of thiobutyltriphenylphosphonium bromide, a novel thiol reagent targeted to the mitochondrial matrix, Arch. Biochem. Biophys., 322, 60-68, doi: 10.1006/abbi.1995.

6. Murphy, M. P. (1997) Selective targeting of bioactive compounds to mitochondria, Trends Biotechnol., 15, 326-330, doi: 10.1016/S0167-7799(97)01068-8.

7. Smith, R. A., Porteous, C. M., Coulter, C. V., and Murphy, M. P. (1999) Selective targeting of an antioxidant to mitochondria, Eur. J. Biochem., 263, 709-716, doi: 10.1046/j.1432-1327.1999.00543.x.

8. Zielonka, J., Joseph, J., Sikora, A., Hardy, M., Ouari, O., Vasquez-Vivar, J., Cheng, G., Lopez, M., and Kalyanaraman, B. (2017) Mitochondria-targeted triphenylphosphonium-based compounds: syntheses, mechanisms of action, and therapeutic and diagnostic applications, Chem. Rev., 117, 10043-10120, doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00042.

9. Skulachev, V. P. (2007) A biochemical approach to the problem of aging: “megaproject” on membrane-penetrating ions. The first results and prospects, Biochemistry (Moscow), 72, 1385-96, doi: 10.1134/s0006297907120139.

10. Skulachev, V. P., Antonenko, Y. N., Cherepanov, D. A., Chernyak, B. V., Izyumov, D. S., Khailova, L. S., Klishin, S. S., Korshunova, G. A., Lyamzaev, K. G., Pletjushkina, O. Y., Roginsky, V. A., Rokitskaya, T. I., Severin, F. F., Severina, I. I., Simonyan, R. A., Skulachev, M. V., Sumbatyan, N. V., Sukhanova, E. I., Tashlitsky, V. N., Trendeleva, T. A., Vyssokikh, M. Y., and Zvyagilskaya, R. A. (2010) Prevention of cardiolipin oxidation and fatty acid cycling as two antioxidant mechanisms of cationic derivatives of plastoquinone (SkQs), Biochim. Biophys. Acta, 1797, 878-889, doi: 10.1016/j.bbabio.2010.03.015.

11. Murphy, M. P., and Smith, R. J. A. (2007) Targeting antioxidants to mitochondria by conjugation to lipophilic cations, Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol., 47, 629-656, doi: 10.1146/annurev.pharmtox.47.120505.

12. Cunha, F. M., Caldeira da Silva, C. C., Cerqueira, F. M., and Kowaltowski, A. J. (2011) Mild mitochondrial uncoupling as a therapeutic strategy, Curr. Drug Targets, 12, 783-789, doi: 10.2174/138945011795528778.

13. Zorov, D. B., Andrianova, N. V., Babenko, V. A., Pevzner, I. B., Popkov, V. A., Zorov, S. D., Zorova, L. D., Plotnikov, E. Y., Sukhikh, G. T., and Silachev, D. N. (2021) Neuroprotective potential of mild uncoupling in mitochondria. Pros and cons, Brain Sci., 11, 1050, doi: 10.3390/brainsci11081050.

14. Shabalina, I. G., and Nedergaard, J. (2011) Mitochondrial (‘mild’) uncoupling and ROS production: physiologically relevant or not? Biochem Soc Trans., 39, 1305-9, doi: 10.1042/BST0391305.

15. Starkov, A. A. (1997) “Mild” uncoupling of mitochondria, Biosci. Rep., 17, 273-9, doi: 10.1023/a:1027380527769.

16. Korshunov, S. S., Skulachev, V. P., and Starkov, A. A. (1997) High protonic potential actuates a mechanism of production of reactive oxygen species in mitochondria, FEBS Lett., 416, 15-18, doi: 10.1016/s0014-5793(97)01159-9.

17. Severin, F. F., Severina, I. I., Antonenko, Y. N., Rokitskaya, T. I., Cherepanov, D. A., Mokhova, E. N., Vyssokikh, M. Y., Pustovidko, A. V., Markova, O. V., Yaguzhinsky, L. S., Korshunova, G. A., Sumbatyan, N. V., Skulachev, M. V., and Skulachev, V. P. (2010) Penetrating cation/fatty acid anion pair as a mitochondria-targeted protonophore, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 107, 663-668, doi: 10.1073/pnas.0910216107.

18. Anisimov, V. N., Egorov, M. V., Krasilshchikova, M. S., Lyamzaev, K. G., Manskikh, V. N., Moshkin, M. P., Novikov, E. A., Popovich, I. G., Rogovin, K. A., Shabalina, I. G., Shekarova, O. N., Skulachev, M. V., Titova, T. V., Vygodin, V. A., Vyssokikh, M. Y., Yurova, M. N., Zabezhinsky, M. A., and Skulachev, V. P. (2011) Effects of the mitochondria-targeted antioxidant SkQ1 on lifespan of rodents, Aging, 3, 1110-1119.

19. Khailova, L. S., Nazarov, P. A., Sumbatyan, N. V., Korshunova, G. A., Rokitskaya, T. I., Dedukhova, V. I., Antonenko, Y. N., and Skulachev, V. P. (2015) Uncoupling and toxic action of alkyltriphenylphosphonium cations on mitochondria and the bacterium Bacillus subtilis as a function of alkyl chain length, Biochemistry (Moscow), 80, 1589-1597, doi: 10.1134/S000629791512007X.

20. Nazarov, P. A., Osterman, I. A., Tokarchuk, A. V., Karakozova, M. V., Korshunova, G. A., Lyamzaev, K. G., Skulachev, M. V., Kotova, E. A., Skulachev, V. P., and Antonenko, Y. N. (2017) Mitochondria-targeted antioxidants as highly effective antibiotics, Sci. Rep., 7, 1394, doi: 10.1038/s41598-017-00802-8.

21. Nazarov, P. A., Kotova, E. A., Skulachev, V. P., and Antonenko, Y. N. (2019) Genetic variability of the AcrAB-TolC multidrug efflux pump underlies SkQ1 resistance in gram-negative bacteria, Acta Naturae, 11, 93-98, doi: 10.32607/20758251-2019-11-4-93-98.

22. Nazarov, P. A., Sorochkina, A. I., and Karakozova, M. V. (2020) New functional criterion for evaluation of homologous MDR pumps, Front. Microbiol., 11, 592283, doi: 10.3389/fmicb.2020.592283.

23. Churilov, M. N., Denisenko, Y. V., Batyushin, M. M., Bren, A. B., and Chistyakov, V. A. (2018) Prospects of SkQ1 (10-(6’-plastoquinoyl) decyltriphenylphosphonium) application for prevention of oral cavity diseases, Rasayan J. Chem., 11, 1594-1603.

24. Nazarov, P. A., Majorov, K. B., Apt, A. S., and Skulachev, M.V. (2023) Penetration of triphenylphosphonium derivatives through the cell envelope of bacteria of Mycobacteriales order, Pharmaceuticals (Basel), 16, 688, doi: 10.3390/ph16050688.

25. Nazarov, P. A., Kirsanov, R. S., Denisov, S. S., Khailova, L. S., Karakozova, M. V., Lyamzaev, K. G., Korshunova, G. A., Lukyanov, K. A., Kotova, E. A., and Antonenko, Y. N. (2020) Fluorescein derivatives as antibacterial agents acting via membrane depolarization, Biomolecules, 10, 309, doi: 10.3390/biom10020309.

26. Pavlova, J. A., Khairullina, Z. Z., Tereshchenkov, A. G., Nazarov, P. A., Lukianov, D. A., Volynkina, I. A., Skvortsov, D. A., Makarov, G. I., Abad, E., Murayama, S. Y., Kajiwara, S., Paleskava, A., Konevega, A. L., Antonenko, Y. N., Lyakhovich, A., Osterman, I. A., Bogdanov, A. A., and Sumbatyan, N. V. (2021) Triphenilphosphonium analogs of chloramphenicol as dual-acting antimicrobial and antiproliferating agents, Antibiotics (Basel), 10, 489, doi: 10.3390/antibiotics10050489.

27. Antonenko, Y. N., Avetisyan, A. V., Bakeeva, L. E., Chernyak, B. V., Chertkov, V. A., Domnina, L. V., Ivanova, O. Y., Izyumov, D. S., Khailova, L. S., Klishin, S. S., Korshunova, G. A., Lyamzaev, K. G., Muntyan, M. S., Nepryakhina, O. K., Pashkovskaya, A. A., Pletjushkina, O. Y., Pustovidko, A. V., Roginsky, V. A., Rokitskaya, T. I., Ruuge, E. K., Saprunova, V. B., Severina, I. I., Simonyan, R. A., Skulachev, I. V., Skulachev, M. V., Sumbatyan, N. V., Sviryaeva, I. V., Tashlitsky, V. N., Vassiliev, J. M., Vyssokikh, M. Y., Yaguzhinsky, L. S., Zamyatnin, A. A. Jr., and Skulachev, V. P. (2008) Mitochondria-targeted plastoquinone derivatives as tools to interrupt execution of the aging program. 1. Cationic plastoquinone derivatives: synthesis and in vitro studies, Biochemistry (Moscow), 73, 1273-1287, doi: 10.1134/s0006297908120018.

28. Korshunova, G. A., Shishkina, A. V., and Skulachev, M. V. (2017) Design, synthesis, and some aspects of the biological activity of mitochondria-targeted antioxidants, Biochemistry (Moscow), 82, 760-777, doi: 10.1134/S0006297917070021.

29. Baba, T., Ara, T., Hasegawa, M., Takai, Y., Okumura, Y., Baba, M., Datsenko, K. A., Tomita, M., Wanner, B. L., and Mori, H. (2006) Construction of Escherichia coli K-12 in-frame, single-gene knockout mutants: the Keio collection, Mol. Syst. Biol., 2, 2006.0008, doi: 10.1038/msb4100050.

30. Clinical and Laboratory Standards Institute (CLSI) (2012) Methods for Dilution Antimicrobial Susceptibility Tests for Bacteria That Grow Aerobically, 9th ed.; CLSI Document M07-A9, Approved Standard; CLSI: Wayne, PA, USA; Vol. 32, URL: https://clsi.org/media/1928/m07ed11_sample.pdf.

31. Eshboev, F., Karakozova, M., Abdurakhmanov, J., Bobakulov, K., Dolimov, K., Abdurashidov, A., Baymirzaev, A., Makhnyov, A., Terenteva, E., Sasmakov, S., Piyakina, G., Egamberdieva, D., Nazarov, P. A., and Azimova, S. (2023) Antimicrobial and cytotoxic activities of the secondary metabolites of endophytic fungi isolated from the medicinal plant Hyssopus officinalis, Antibiotics (Basel), 12, 1201, doi: 10.3390/antibiotics12071201.

32. Alhossary, A., Handoko, S.D., Mu, Y., and Kwoh, C.K. (2015) Fast, accurate, and reliable molecular docking with QuickVina 2, Bioinformatics, 31, 2214-6, doi: 10.1093/bioinformatics/btv082.

33. Wójcikowski, M., Zielenkiewicz, P., and Siedlecki, P. (2015) Open Drug Discovery Toolkit (ODDT): a new open-source player in the drug discovery field, J. Cheminform., 7:26, doi: 10.1186/s13321-015-0078-2.

34. The PyMOL Molecular Graphics System, Version 2.0 Schrödinger, LLC, URL: https://pymol.org/2/.

35. Nazarov, P. A. (2018) Alternatives to antibiotics: phage lytic enzymes and phage therapy, Bull. Russ. State Med. Univ., 1, 5-15 doi: 10.24075/brsmu.2018.002.

36. Pader, V., Hakim, S., Painter, K. L., Wigneshweraraj, S., Clarke, T. B., and Edwards, A. M. (2016) Staphylococcus aureus inactivates daptomycin by releasing membrane phospholipids, Nat. Microbiol., 2, 16194, doi: 10.1038/nmicrobiol.2016.194.

37. Temmerman, R., Vervaeren, H., Noseda, B., Boon, N., and Verstraete, W. (2006) Necrotrophic growth of Legionella pneumophila, Appl. Environ. Microbiol., 72, 4323-4328, doi: 10.1128/AEM.00070-06.

38. Genrikhs, E. E., Stelmashook, E. V., Popova, O. V., Kapay, N. A., Korshunova, G. A., Sumbatyan, N. V., Skrebitsky, V. G., Skulachev, V. P., and Isaev, N. K. (2015) Mitochondria-targeted antioxidant SkQT1 decreases trauma-induced neurological deficit in rat and prevents amyloid-β-induced impairment of long-term potentiation in rat hippocampal slices, J. Drug Target, 23, 347-352, doi: 10.3109/1061186X.2014.997736.

39. Rogov, A. G., Goleva, T. N., Trendeleva, T. A., Ovchenkova, A. P., Aliverdieva, D. A., and Zvyagilskaya, R. A. (2018) New data on effects of SkQ1 and SkQT1 on rat liver mitochondria and yeast cells, Biochemistry (Moscow), 83, 552-561, doi: 10.1134/S0006297918050085.

40. Goleva, T. N, Rogov, A. G., Korshunova, G. A., Trendeleva, T. A., Mamaev, D. V., Aliverdieva, D. A., and Zvyagilskaya, R. A. (2019) SkQThy, a novel and promising mitochondria-targeted antioxidant, Mitochondrion, 49, 206-216, doi: 10.1016/j.mito.2019.09.001.

41. Epremyan, K. K., Rogov, A.G., Goleva, T. N., Lavrushkina, S. V., Zinovkin, R. A., and Zvyagilskaya, R. A. (2023) Altered mitochondrial morphology and Bioenergetics in a new yeast model expressing Aβ42, Int. J. Mol. Sci., 24, 900, doi: 10.3390/ijms24020900.

42. Eremeev, S. A., Motovilov, K. A., Volkov, E. M., and Yaguzhinsky, L. S. (2011) SkQ3: The new member of the class of membranotropic uncouplers, Biochem. Moscow Suppl. Ser. A, 5, 310-315, doi: 1-6.10.1134/S1990747811050047.

43. Nazarov, P. A. (2022) MDR pumps as crossroads of resistance: antibiotics and bacteriophages, Antibiotics (Basel), 11, 734, doi: 10.3390/antibiotics11060734.

44. Knorre, D. A., Markova, O. V., Smirnova, E. A., Karavaeva, I. E., Sokolov, S. S., and Severin, F. F. (2014) Dodecyltriphenylphosphonium inhibits multiple drug resistance in the yeast Saccharomyces cerevisiae, Biochem. Biophys. Res. Commun., 450, 1481-1484, doi: 10.1016/j.bbrc.2014.07.017.

45. Nazarov, P. A., Khrulnova, S. A., Kessenikh, A. G., Novoyatlova, U. S., Kuznetsova, S. B., Bazhenov, S. V., Sorochkina, A. I., Karakozova, M. V., and Manukhov, I. V. (2023) Observation of cytotoxicity of phosphonium derivatives is explained: metabolism inhibition and adhesion alteration, Antibiotics (Basel), 12, 720, doi: 10.3390/antibiotics12040720.