Undersøgelse af effekten af ekstrakter fra traditionel kinesisk medicin på biofilmen af Staphylococcus aureus
Bakteriel biofilm (BF) er en særlig funktionel struktur, der dannes af bakterier for at tilpasse sig det naturlige miljø og gradvist sætte sig fast på overfladen af levende eller ikke-levende organismer under vækstprocessen. Det er et bakteriesamfund, der består af bakterieceller og vandholdige polymere substrater, der udskilles af bakterierne selv. Dannelsen af BF svarer til en effektiv barriere mod ekstern invasion, som kan gøre det muligt for bakterier at modstå værtsimmunsystemet og den dræbende effekt af antibiotika og derved udvikle resistens over for antibiotika (10-1000 gange højere end i planktonisk tilstand), hvilket gør det vanskeligt at fjerne infektioner og bliver en stor potentiel kilde til infektioner, der er vanskelige at behandle i dag. Hvis man kun bruger traditionelle antibiotika til at behandle bakterielle biofilminfektioner, vil det derfor i høj grad reducere effektiviteten.
Staphylococcus aureus er et almindeligt fødevarebårent patogen, som er vidt udbredt i naturlige miljøer. En vigtig egenskab ved Staphylococcus aureus er evnen til at danne biofilm på infektionsstedet, hvilket gør det sværere at behandle infektioner forårsaget af disse stammer. For at behandle Staphylococcus aureus i biofilmtilstand skal der bruges højere koncentrationer af antibiotika, men overdreven brug af antibiotika kan føre til udvikling af lægemiddelresistens og kan forårsage forekomsten af synergistiske bakterieinfektioner. I de senere år er der blevet rapporteret om nogle nye strategier til at håndtere biofilminfektioner, herunder tæthedssensoriske systemdæmpere og tæthedssensoriske systemdæmpere med antibiotikakombinationer, men disse metoder er ikke blevet godkendt til brug. Derfor er det blevet et vigtigt valg at finde naturlige antibakterielle stoffer fra naturen, der kan hæmme dannelsen af biofilm.
Verdenssundhedsorganisationen forudsiger, at 25% af moderne lægemidler på verdensplan er direkte eller indirekte relateret til lægeplanter, hvoraf 94 ud af 162 godkendte antimikrobielle lægemidler fra 1981 til 2019 stammer fra naturprodukter. Lægeplanter er en af de vigtigste kilder til bioaktive molekyler, men screeningen af antimikrobielle midler mod biofilm fra lægeplanter er stadig på et tidligt stadie. På nuværende tidspunkt er det blevet rapporteret internationalt, at ekstrakter fra lægeplanter som Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis og Curcuma longa udviser aktivitet i forbindelse med hæmning af Staphylococcus aureus' biofilm. Traditionel kinesisk medicin har karakter af flere komponenter, flere mål og flere effekter og er ikke tilbøjelig til at udvikle lægemiddelresistens, derfor har den gode anvendelsesmuligheder i antibakteriel terapi. På nuværende tidspunkt er der også nogle rapporter om hæmning af Staphylococcus aureus-biofilm med kinesisk urtemedicin: Wang et al. fandt, at Ginkgo biloba ydre frøkappeekstrakt hæmmede dannelsen af Staphylococcus aureus biofilm på en koncentrationsafhængig måde; Li et al. fandt, at traditionel kinesisk medicin Hezi signifikant kan hæmme dannelsen af biofilm i Staphylococcus aureus og også har gode antibakterielle virkninger; Liao et al. fandt, at det vandige ekstrakt af Houttuynia cordata effektivt kan hæmme dannelsen af biofilm i Staphylococcus aureus. Derfor er lægeplanter en vigtig kilde til at udforske patogeners biofilmhæmmere. Det meste af forskningen i disse lægeplanter er dog baseret på at analysere deres biofilmfunktion under forudsætning af deres antibakterielle aktivitet. Dette kan forstyrre bedømmelsen af testresultater på grund af ekstrakternes antibakterielle virkning eller kan gå glip af screening af planteekstrakter, der ikke har antibakteriel aktivitet, men som har biofilmhæmmende aktivitet. Derfor valgte denne undersøgelse 16 lokale karakteristiske kinesiske lægeurter såsom rabarber som forskningsobjekter, analyserede virkningerne af forskellige opløsningsmiddelekstrakter på væksten af Staphylococcus aureus og valgte på baggrund af dette ekstrakter med subhæmmende koncentration for at analysere deres virkninger på biofilmdannelse med det formål at give vejledning til forskning og lægemiddeludvikling af traditionel kinesisk medicin mod biofilmdannelse.

Antibiotika er i øjeblikket den vigtigste strategi til behandling af tilfælde relateret til Staphylococcus aureus-infektion. Men dannelsen af Staphylococcus aureus-biofilm øger dens resistens over for antibiotika og reducerer dermed antibiotikas effektivitet. Derfor vil hæmning eller eliminering af biofilmdannelse før brug af antibiotika i høj grad forbedre antibiotikas effektivitet. Det er også en effektiv måde at løse problemet med bakteriel resistens og kroniske infektioner forårsaget af biofilmdannelse i klinisk praksis. I dette eksperiment blev der udvalgt 16 traditionelle kinesiske lægeurter til at undersøge deres antibakterielle aktivitet. Resultaterne viste, at de fleste af ekstrakterne havde antibakteriel aktivitet mod Staphylococcus aureus, mens Longgu Feng ikke havde nogen antibakteriel aktivitet mod Staphylococcus aureus, hvilket er i overensstemmelse med andre forskeres eksperimentelle resultater. Longgu Feng er stammen af Cyatheaceae-planten Cyathea, som hovedsageligt indeholder kemiske komponenter som terpener, flavonoider, fenoliske syrer og steroider; På nuværende tidspunkt har det vist sig at have forskellige farmakologiske aktiviteter såsom at fjerne vind og fugt, fremme blodcirkulationen og sprede blodstasis, fjerne varme og afgifte samt antitumoreffekter. Selvom den antibakterielle effekt af Longgu Feng på Staphylococcus aureus ikke er signifikant, er der stadig potentiale for at udforske andre bioaktive funktioner. Mange planteekstrakter har antibakteriel aktivitet mod Staphylococcus aureus, men sammensætningen af ekstrakterne er kompleks, og virkningsmålet er uklart. Derfor er der stadig lang vej til helt at erstatte antibiotika med traditionel kinesisk medicin.

Der er flere mekanismer for lægemiddelresistens hos Staphylococcus aureus, og blandt disse har problemet med lægemiddelresistens forårsaget af biofilmdannelse fået stigende opmærksomhed. På nuværende tidspunkt er der blevet forsket i at kontrollere fænomenet resistens hos patogene bakterier forårsaget af biofilmdannelse ved at fjerne eller hæmme biofilmdannelsen ved hjælp af kemiske eller biologiske metoder. Især er udviklingen af traditionelle kinesiske lægemidler mod Staphylococcus aureus-biofilm blevet brugt til effektivt at reducere dens resistens, især forskellige typer flavonoider har aktiviteten til at hæmme væksten og biofilmdannelsen af Staphylococcus aureus. Dette eksperiment viste, at vand- og alkoholekstrakter af rabarber, Polygonum cuspidatum, Qianghuo, Ligustrum lucidum, Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis og pebermynte alle har betydelige hæmmende virkninger på biofilmen af Staphylococcus aureus. En litteraturgennemgang af de sammensatte komponenter i ovennævnte urter afslørede, at rabarber, Polygonum cuspidatum, Ligustrum lucidum, Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis og pebermynte alle indeholder flavonoider. Men om flavonoiderne i dem er relateret til deres hæmning af dannelsen af Staphylococcus aureus-biofilm, skal stadig verificeres yderligere i efterfølgende eksperimenter. Derudover har forskning rapporteret, at rabarber og Polygonum cuspidatum indeholder en stor mængde anthraquinonstof emodin, og Xiang et al. har også bekræftet, at aloe vera indeholder anthraquinonstof emodin og har aktiviteten til at hæmme dannelsen af Staphylococcus aureus-biofilm. Derfor spekuleres der i, at hæmningen af Staphylococcus aureus-biofilm med rabarber- og Polygonum cuspidatum-ekstrakter i dette eksperiment kan være relateret til deres tilstedeværelse af antrakinonstoffet emodin.

På nuværende tidspunkt har planteaktive ingredienser et stort potentiale til at gribe ind i bakterielle biofilm, da traditionelle antibiotika har svært ved at trænge ind i bakterielle biofilm og er tilbøjelige til restkoncentrationer og resistensproblemer. Derfor er det vanskeligt at kontrollere bakterielle biofilminfektioner alene ved at bruge planteaktive ingredienser. Men ved at bruge planteaktive ingredienser med lave restkoncentrationer og lav toksicitet sammen med antibiotika kan man effektivt reducere mængden af anvendte lægemidler, reducere deres toksiske bivirkninger og give lægemidlerne mulighed for at trænge ind i bakterielle biofilm. Dey et al. fandt ud af, at kombinationen af naringin med tetracyklin og ciprofloxacin kan forbedre disse to antibiotikas evne til at hæmme dannelsen af biofilm i Pseudomonas aeruginosa. Yan et al. fandt, at kombinationen af thymol og benzylpenicillin kan forbedre de hæmmende og rensende virkninger på biofilmen af Staphylococcus aureus betydeligt. Derudover kan ekstrakter fra traditionel kinesisk medicin også laves til nanoformuleringer, da traditionelle antibiotika har svært ved at trænge ind i højt strukturerede, modne biofilm. Men planteaktive ingredienser kan laves til nano-inhibitorer, som er gavnlige for, at lægemidler kan trænge ind i bakterielle biofilm og udøve deres terapeutiske virkning. For eksempel kan nanoberberin hæmme dannelsen af biofilm af Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa og Staphylococcus aureus, rydde deres modne biofilm og reducere udtrykket af virulensfaktor-gener relateret til deres biofilm. Så ved at kombinere aktive planteingredienser med andre lægemidler til behandling af biofilminfektioner kan man opnå gode resultater og få vigtige anvendelsesmuligheder.

Desuden kan ekstraktionsmetoden for traditionel kinesisk medicin også påvirke resultaterne af eksperimenter med lægemiddelaktivitet. Chu et al. brugte fem forskellige ekstraktionsmetoder til at udvinde de aktive stoffer i den traditionelle kinesiske medicin Luo Xianzi og fandt ud af, at det produkt, der blev opnået ved vandekstraktion, havde den stærkeste antibakterielle aktivitet. Zhang et al. brugte vandekstraktion, alkoholekstraktion og superkritisk CO2 til at udvinde de aktive ingredienser i Schisandra chinensis. De fandt ud af, at den antibakterielle aktivitet af det lægemiddelaktive stof, der blev opnået ved alkoholekstraktion, var betydeligt højere end for de to andre opløsningsmiddelekstrakter. Iqbal et al. fandt, at methanol-, n-hexan-, ethylacetat-, n-butanol- og vandekstrakter af Araceae har forskellige antibakterielle virkninger på de testede patogener. Analyse af sammensætningen af forbindelser afslørede betydelige forskelle i typerne og mængden af komponenter i disse forskellige opløsningsmiddelekstrakter. Zhang et al. brugte 7 forskellige opløsningsmidler til at udtrække Angelica-rod og fandt betydelige forskelle i den biologiske aktivitet og sammensætningen af ekstrakterne fra de forskellige opløsningsmidler. Disse resultater tyder på, at typen og mængden af komponenter i planteekstrakter, der er udvundet med forskellige opløsningsmidler, kan variere. I dette eksperiment blev vand og ethanol brugt som opløsningsmidler til at udvinde aktive stoffer fra traditionel kinesisk medicin. Resultaterne viste, at vandekstrakterne af fire lægemidler, nemlig Tie Lingxian, Pixian Grass, Feng Wei Grass og Jing Jie, havde en fremmende effekt på dannelsen af Staphylococcus aureus-biofilm, mens deres alkoholekstrakter havde en hæmmende effekt på dannelsen af Staphylococcus aureus-biofilm. Det spekuleres i, at årsagen til dette kan være forskellen i sammensætningen og mængden af de stoffer, der udvindes ved de to forskellige ekstraktionsmetoder, hvilket fører til forskellige effekter på dannelsen af Staphylococcus aureus-biofilm. Denne opdagelse giver os nogle hints om, at stoffer, der hæmmer biofilm, og stoffer, der fremmer biofilm, kan udvindes ved hjælp af forskellige opløsningsmidler. Hvis man i fremtiden vil udvikle hæmmere til Tielingxian, Pixian Grass, Phoenix Tail Grass og Schizonepeta tenuifolia, bør man overveje at udtrække dem med vand først for at fjerne urenheder og derefter udtrække deres ekstrakter igen med ethanol. Derfor kan resultaterne af dette eksperiment være en reference for udviklingen af naturlige lægemidler med hæmmende effekt på Staphylococcus aureus-biofilm og dermed reducere brugen af antibiotika.
Resultaterne af denne undersøgelse viste, at de fleste af ekstrakterne fra disse 16 kinesiske lægeurter har en hæmmende effekt på biofilmen af Staphylococcus aureus, men nogle ekstrakter har høje koncentrationer af virkning, såsom vandekstrakterne af Qianghuo og Ligustrum lucidum med koncentrationer på over 60 mg/mL. Den faktiske værdi af disse ekstrakter med høj koncentration er ikke høj, så udviklingen af disse lægeurter skal i høj grad tage højde for faktorer som indholdet eller styrken af de effektive aktive ingredienser i deres ekstrakter. På nuværende tidspunkt er forskningen i traditionel kinesisk medicin til behandling af biofilm i Kina stadig i den udforskende fase, og undersøgelsen af dens aktive ingredienser og mål er ikke dyb nok. I fremtiden skal vi på baggrund af screeningen af aktive lægeplanter til behandling af biofilm også identificere komponenterne i deres aktive forbindelser og studere deres mål og virkningsmekanismer på molekylærbiologisk niveau.