Бактериальные биопленки представляют собой скопления бактерий, прикрепленных к поверхности и встроенных в самовоспроизводящийся матрикс.
Образование биопленок может быть причиной ряда инфекций живых тканей, включая раны, легкие и зубной налет, а также инфекции внешних устройств, таких как контактные линзы, протезы суставов и катетеры. Резистентность биопленок к антимикробным препаратам обусловлена различными механизмами, такими как наличие клеток-персистеров, снижение скорости роста бактерий и ограниченное проникновение антибиотиков. Несмотря на интенсивную работу, терапия инфекций, ассоциированных с биопленками, до сих пор остается проблематичной. Для уничтожения предварительно сформированных биопленок используются высокие дозы системных комбинаций антибиотиков.
Природа всегда была источником вдохновения для поиска новых лекарственных препаратов. Природные соединения, такие как фитохимические вещества и антимикробные пептиды, являются перспективными молекулами для разработки новых антибиопленочных препаратов. Некоторые из них менее склонны вызывать резистентность, обладают широким спектром действия и пригодны для химической модификации с целью улучшения фармакологических и фармакокинетических свойств.
В этом контексте целью данного обзора было отобрать статьи, посвященных антибиопленочной активности новых природных молекул и синтетических аналогов. Всего было отобрано 13 научных статей, раскрывающих новые и интересные аспекты перспективных подходов к предотвращению или уничтожению микробных биопленок, образованных патогенами человека, с использованием растительных экстрактов, эфирных масел и наночастиц, приготовленных на основе природных соединений.
В пяти статьях описываются природные соединения с антибиопленочной активностью против Pseudomonas aeruginosa, которая является оппортунистической грамотрицательной бактерией и основной причиной нозокомиальных инфекций, вносящей большой вклад в заболеваемость и смертность пациентов с муковисцидозом или с тяжелыми ожогами. P. aeruginosa легко приобретает детерминанты резистентности к противомикробным препаратам, что приводит к появлению штаммов с множественной или пан-лекарственной резистентностью. Попытка ингибировать образование биопленки заключается в подавлении кворум-сенсинга (QS), который представляет собой межклеточный сигнальный процесс, участвующий как в образовании биопленки, так и в экспрессии генов, связанных с вирулентностью бактерий. Система QS P. aeruginosa в основном регулируется четырьмя подсистемами сети QS, включая системы lasI/lasR, rhlI/rhlR, PQS и IQS.
В мышиной модели острой инфекции легких, вызванной P. aeruginosa, Tang et al. продемонстрировали, что фенольное соединение эпигаллокатехин-3-галлат (EGCG), один из самых богатых компонентов полифенолов зеленого чая, защищает мышей от индуцированного P. aeruginosa повреждения легких, подавляя вирулентность, контролируемую QS-системами. В частности, EGCG снижал экспрессию генов QS-системы (las, rhl и pqs) и генов, связанных с биопленкой (pela, pila и pslb).
Choi et al. наблюдали, что система Rhl QS избирательно ингибируется кривулярином, ароматическим соединением, выделенным из почвенного гриба Phoma macrostoma. Кривулярин ингибировал производство пиоцианина и рамнолипида и снижал вирулентность P. aeruginosa in vivo в модели инфекции Caenorhabditis elegans.
Jia et al. наблюдали, что система PQS QS ингибируется фтиоколом (Pht), метаболитом, вырабатываемым Mycobacterium tuberculosis. Связывание Pht и его аналогов (витамин K1, K2 и K3) с рецепторами PQS P. aeruginosa приводило к снижению как образования биопленки, так и выработки пиоцианина.
Стандартизированный экстракт культивированного мицелия Lentinula edodes (AHCC), который доступен в качестве диетической добавки, по данным Garitaonaindia et al., подавлял образование биопленки P. aeruginosa и уровень экзотоксина A.
P. aeruginosa играет важную роль в хронических раневых инфекциях, поэтому Di Lodovico et al. предлагают водный экстракт C. spinose в качестве инновационной экологичной стратегии для профилактики и контроля раневых микробных инфекций. В этом исследовании авторы продемонстрировали, что такой экстракт значительно уменьшил образование биопленок P. aeruginosa и S. aureus в системе Lubbock. Эта модель имитирует пространственное распределение микроорганизмов в ранах in vivo.
Хотя грибковые биопленки изучены гораздо меньше, чем бактериальные, грибковые биопленки также играют важную роль в инфекциях человека. Все большее число людей страдает от грибковых инфекций в виде биопленок, которые резистентны к большинству используемых в настоящее время противогрибковых препаратов. Только несколько противогрибковых препаратов, включая эхинокандины и липосомальные формы амфотерицина B, доступны для лечения биопленочных грибковых инфекций. В трех работах в рамках данного обзора авторы изучали воздействие различных природных соединений на грибки.
Khadke et al. продемонстрировали, что транс-4-метилциннамальдегиды, присутствующие в коре деревьев, способны понижать регуляцию нескольких генов, участвующих в образовании биопленки, таких как гены развития гиф и производства матрикса Candida albicans.
Новый хоуттуйфонат натрия (SNH) является соединением, полученным из растения Houttuynia cordata, растительного препарата, используемого в клинической практике в Азии. Zhang et al. продемонстрировали, что SNH ингибирует споруляцию грибов, прорастание конидий и образование биопленок. Интересно, что ежедневный пероральный прием SNH значительно уменьшал грибковое бремя и локальное повреждение тканей в мышиной модели диссеминированной инфекции Aspergillus fumigatus.
Wei et al. выделили из эндофитного гриба Xylaria curta E10 новые димерные хроманоны (Paecilins), и несколько Paecilins проявили противогрибковую активность против C. albicans.
Нанобиотехнологии завоевали внимание в фармацевтической и медицинской областях, и наноразмер антимикробных агентов представляется перспективным методом лечения биопленочных инфекций. В двух работах в рамках данного обзора были изучены антибиопленки различных составов хитозана. Хитозан (CS) является экономически рентабельным биополимером, подходящим для приготовления биосовместимых, биоразлагаемых и нецитотоксичных наночастиц (Kumar et al., 2022).
В работе Tan et al. нагруженные амфотерицином B (AmpB) хитозановые наночастицы (CSNP) взаимодействовали с β-1,3 глюканазой (Gls), и их антибиопленочная активность оценивалась против биопленок C. albicans in vitro. CSNP-AmpB-Gls ингибировали образование биопленки и демонстрировали высокую эффективность в разрушении зрелой биопленки. Такие наночастицы были способны проникать в биопленку и разрушать ее матрикс.
В своей работе Lin et al. объединили хитозан с ЭДТА и антимикробным пептидом Nile tilapia piscidin 4 (TP4). Такой состав был протестирован против биопленки, образованной Gardnerella vaginalis и Streptococcus anginosus, двумя патогенами, вызывающими вагинит. Помимо антибиопленочной активности in vitro, TP4-хитозановый состав значительно снизил количество G. vaginalis и S. anginosus, выделенных из вагинального лаважа мышей после заражения этими двумя микроорганизмами. Интересно, что состав TP4-хитозана не действовал против вагинальных лактобацилл, представляющих собой важный защитный компонент влагалища.
В работе Lahiri et al. наночастицы ZnO были синтезированы с использованием цветочного экстракта Clitora ternatea, традиционно используемого лекарственного растения. Такие наночастицы показали стабильность в течение длительного периода времени. Они были эффективны в уничтожении биопленок полости рта, образованных Porhpyromonas gingivalis или Alcaligenes faecalis, снижая содержание углеводов и белков во внеклеточной полимерной субстанции биопленки.
Melissa officinalis используется в фитотерапии благодаря своим седативным, спазмолитическим, антимикробным и антиоксидантным свойствам. Yu et al. испытали эфирное масло M. officinalis (MOEO) против Vibrio parahaemolyticus, который может привести к вибриозу у различных видов водных животных, а также к септицемии и гастроэнтериту у людей. Авторы отметили, что MOEO может ингибировать образование биопленки и выработку внеклеточных полисахаридов.
Наконец, Rao et al. протестировали SYG-180-2-2, амид-содержащее соединение, широко представленное в натуральных продуктах и фармацевтических препаратах, против метиллин-резистентных штаммов Staphylococcus aureus и показали, что это соединение подавляет образование биопленок, уменьшая бактериальную адгезию и производство полисахаридного межклеточного адгезина.
В целом, данный обзор позволяет лучше понять основные природные и альтернативные компоненты, проявляющие активность в борьбе с биопленками патогенных видов. Также становится очевидным, что проблема инфекций, ассоциированных с биопленками, может быть решена только с помощью междисциплинарных подходов, включающих различные знания и опыт клиницистов, микробиологов, химиков и специалистов по биоматериалам. Таким образом, мы надеемся, что данная информация поможет генерировать знания и открыть пути для разработки новых стратегий борьбы с биопленочными инфекциями.
