Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1084610.32607/20758251-2019-11-3-38-45Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticleThe Mechanisms of Action of Triindolylmethane Derivatives on Lipid MembranesМеханизмы действия производных трииндолилметана на липидные мембраныEfimovaS. S.ЕфимоваС. С.
Russian Federation
efimova@incras.ruTertychnayaT. E.ТертычнаяТ. Е.
Russian Federation
efimova@incras.ruLavrenovS. N.ЛавреновС. Н.efimova@incras.ruOstroumovaO. S.ОстроумоваО. С.
Russian Federation
efimova@incras.ruInstitute of Cytology of the Russian Academy of SciencesИнститут цитологии РАНGause Institute of New Antibiotics, Russian Academy of Medical SciencesНаучно-исследовательский институт по изысканию новых антибиотиков им. Г.Ф. Гаузе15092019113VOL 11, NO3 (2019)ТОМ 11, №3 (2019)384521012020Copyright ©; 2019, Efimova S.S., Tertychnaya T.E., Lavrenov S.N., Ostroumova O.S.Copyright ©; 2019, Ефимова С.С., Тертычная Т.Е., Лавренов С.Н., Остроумова О.С.2019Efimova S.S., Tertychnaya T.E., Lavrenov S.N., Ostroumova O.S.Ефимова С.С., Тертычная Т.Е., Лавренов С.Н., Остроумова О.С.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10846

The effects of new synthetic antibacterial agents - tris(1-pentyl-1H-indol-3-yl)methylium chloride (LCTA-1975) and (1-(4-(dimethylamino)-2,5-dioxo-2,5-dihydro-1H-pyrrol-3-yl)-1H-indol-3-yl)bis(1-propyl- 1H-indol-3-yl)methylium chloride (LCTA-2701 - on model lipid membranes were studied. The ability of the tested agents to form ion-conductive transmembrane pores, influence the electrical stability of lipid bilayers and the phase transition of membrane lipids, and cause the deformation and fusion of lipid vesicles was investigated. It was established that both compounds exert a strong detergent effect on model membranes. The results of differential scanning microcalorimetry and measuring of the threshold transmembrane voltage that caused membrane breakdown before and after adsorption of LCTA-1975 and LCTA-2701 indicated that both agents cause disordering of membrane lipids. Synergism of the uncoupling action of antibiotics and the alkaloid capsaicin on model lipid membranes was shown. The threshold concentration of the antibiotic that caused an increase in the ion permeability of the lipid bilayer depended on the membrane lipid composition. It was lower by an order of magnitude in the case of negatively charged lipid bilayers than for the uncharged membranes. This can be explained by the positive charge of the tested agents. At the same time, LCTA-2701 was characterized by greater efficiency than LCTA-1975. In addition to its detergent action, LCTA-2701 can induce ion-permeable transmembrane pores: step-like current fluctuations corresponding to the opening and closing of individual ion channels were observed. The difference in the mechanisms of action might be related to the structural features of the antibiotic molecules: in the LCTA-1975 molecule, all three substituents at the nitrogen atoms of the indole rings are identical and represent n-alkyl (pentyl) groups, while LCTA-2701 contains a maleimide group, along with two alkyl substituents (n-propyl). The obtained results might be relevant to our understanding of the mechanism of action of new antibacterial agents, explaining the difference in the selectivity of action of the tested agents on the target microorganisms and their toxicity to human cells. Model lipid membranes should be used in further studies of the trends in the modification and improvement of the structures of new antibacterial agents.

Исследовано действие новых синтетических антибактериальных агентов трис(1-пентил-1Н-индол-3-ил)метилия хлорида (ЛХТА-1975) и (1-(4-(диметиламино)-2,5-диоксо-2,5-дигидро-1H-пиррол-3-ил)-1H-индол-3-ил)бис(1-пропил-1H-индол-3-ил)метилия хлорида (ЛХТА-2701) на модельные липидные мембраны. Изучена способность тестируемых веществ формировать трансмембранные поры, влиять на электрическую стабильность липидных бислоев и плавление насыщенных фосфохолинов, а также вызывать деформацию, слияние или деление липидных везикул. Установлено, что оба соединения проявляют детергентные свойства в отношении модельных мембран. Результаты, полученные методом дифференциальной сканирующей микрокалориметрии и путем измерения трансмембранного напряжения, при котором в присутствии тестируемых соединений происходит разрушение липидных бислоев, указывают, что оба производных вызывают разупорядочивание мембранных липидов. Показан синергизм разобщающего действия тестируемых производных и алкалоида капсаицина на модельные липидные мембраны. Пороговая концентрация вещества, вызывающая увеличение ионной проницаемости липидного бислоя, зависит от липидного состава мембраны. В случае отрицательно заряженных липидных бислоев она на порядок ниже, чем у электрически нейтральных. Это может быть обусловлено положительным зарядом молекул тестируемых агентов. При этом ЛХТА-2701 характеризуется большей эффективностью по сравнению с ЛХТА-1975. ЛХТА-2701 не только обладает детергентным действием, но и способен индуцировать ион-проницаемые трансмембранные поры, функционирование которых выражается в появлении ступенеобразных флуктуаций трансмембранного тока. Различие механизмов действия определяется особенностями строения этих веществ: в молекуле ЛХТА-1975 все три заместителя при атомах азота индольных циклов одинаковы и представляют собой н-алкильные группы (пентильные), а ЛХТА-2701 содержит наряду с двумя алкильными заместителями (н-пропильными) малеинимидный цикл. Полученные результаты важны для понимания механизмов действия новых антибактериальных агентов, отличий в селективности их действия на микроорганизмы-мишени и токсичности в отношении клеток человека, а также показывают целесообразность использования модельных липидных мембран для дальнейшего изучения направлений модификации и совершенствования структуры новых антибактериальных средств.

antimicrobial agentsantibioticsturbomycin Alipid bilayersliposomesion-permeable nanoporesантимикробные агентыантибиотикиион-проницаемые порылипидные бислоилипосомытурбомицин АThis work was financially supported by the grants of the Russian Foundation for Basic Research No. 18-34-20047 (studies of the effect on membranes), the Russian Science Foundation No. 16-15-10300 (design and synthesis of test substances) and the Scholarship of the President of the Russian Federation awarded to. S.S. Efimova (SP-484.2018.4).Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований № 18-34-20047 (исследование воздействия на мембраны) и Российского научного фонда № 16-15-10300 (дизайн и синтез тестируемых веществ). С.С. Ефимова отмечена именной стипендией Президента РФ (СП-484.2018.4).1. Palchaudhuri R., Nesterenko V., Hergenrother P.J. // J. Am. Chem. Soc. 2008. V. 130. № 31. P. 10274--10281.2. Budzikiwicz H., Eckau H., Ehrenberg M. // Tetrahedron Lett. 1972. V. 36. P. 3807.3. Lavrenov S.N., Luzikov Y.N., Bykov E.E., Reznikova M.I., Stepanova E.V., Glazunova V.A., Volodina Y.L., Tatarsky V.V., Shtil A.A., Preobrazhenskaya M.N. // Bioorg. Med. Chem. 2010. V. 18. № 18. P. 6905-6913.4. Stepanova E.V., Shtil' A.A., Lavrenov S.N., Bukhman V.M., Inshakov A.N., Mirchink E.P., Trenin A.S., Preobrazhenskaya M.N. // Russ. Chem. Bull. 2010. V. 59. № 12. P. 2259-2267.5. Isakova E.B., Treshchalin I..D.., Bodyagin D.A., Lavrenov S.N., Preobrazhenskaya M.N., Pereverzeva E.R. // Russian Biotherapeutic Journal. 2012. V. 11. No. 2. P. 22.6. Solomko E.Sh., Lavrenov S.N., Inshakov A.N., Abramov M.E., Preobrazhenskaya M.N., Stepanova E.V. // Sarcomas of bones, soft tissues and skin tumors. 2012. № 3. Р. 48-53.7. Lavrenov S.N., Simonov A.Yu., Panov A.A., Lakatosh S.A., Isakova Ye.B., Tsvigun Ye.A., Bychkova O.P., Tatarsky V.V., Ivanova E.S., Mirchink, E.P., Korolev A.M., Trenin, A.S. // Antibiotics and chemotherapy. 2018. V. 63. № 7-8. P. 3-9.8. Montal M., Mueller P. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1972. V. 69. № 12. P. 3561-3566.9. Efimova S.S., Ostroumova O.S. // Acta Naturae. 2017. Т. 9. № 2. С. 67-74.10. Bezrukov S.M. // Curr. Opin. Colloid. Interface Sci. 2000. V. 5. P. 237-243.11. Sakuma Y., Taniguchi T., Imai M. // Biophys. J. 2010. V. 99. P. 472-479.12. Aranda F.J., Villalaín J., Gómez-Fernández J.C. // Biochim. Biophys. Acta. 1995. V. 1234. № 2. P. 225-234.13. Torrecillas A., Schneider M., Fernández-Martínez A.M., Ausili A., de Godos A.M., Corbalán-García S., Gómez-Fernández J.C. // ACS Chem. Neurosci. 2015. V. 6. № 10. P. 1741-1750.14. Swain J., Kumar Mishra A. // J. Phys. Chem. B. 2015. V. 119. № 36. P. 12086-12093.15. Ingólfsson H.I., Andersen O.S. // Assay Drug Dev. Technol. 2010. V. 8. № 4. P. 427-436.16. Lundbaek J.A., Birn P., Tape S.E., Toombes G.E., Søgaard R., Koeppe R.E., Gruner S.M., Hansen A.J., Andersen O.S. // Mol. Pharmacol. 2005. V. 68. № 3. P. 680-689.17. Søgaard R., Werge T.M., Bertelsen C., Lundbye C., Madsen K.L., Nielsen C.H., Lundbaek J.A. // Biochem. 2006. V. 45. № 43. P. 13118-13129.18. Khondker A., Dhaliwal A., Alsop R.J., Tang J., Backholm M., Shi A.C., Rheinstädter M.C. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2017. V. 19. № 10. P. 7101-7111.19. Sierra-Valdez F.J., Forero-Quintero L.S., Zapata-Morin P.A., Costas M., Chavez-Reyes A., Ruiz-Suárez J.C. // PLoS One. 2013. V. 8. № 4. P. e59364.20. Paloncýová M., Berka K., Otyepka M. // J. Phys. Chem. B. 2013. V. 117. № 8. Р. 2403-2410.21. Maruyama S., Hata T., Matsuki H., Kneshina S. // Biochim. Biophys. Acta. 1997. V. 1325. P. 272-280.22. Hata T., Matsuki H., Kaneshina S. // Biophys. Chem. 2000. V. 87. P. 25-36.23. Takeda K., Okuno H., Hata T., Nishimoto M., Matsuki H., Kaneshina S. // Colloids Surf. B Biointerf. 2009. V. 72. P. 135-140.