Studie über die Wirkung von Extrakten der traditionellen chinesischen Medizin auf den Biofilm von Staphylococcus aureus
Der bakterielle Biofilm (BF) ist eine spezielle funktionelle Struktur, die von Bakterien gebildet wird, um sich an die natürliche Umgebung anzupassen und sich während des Wachstumsprozesses allmählich an die Oberfläche von lebenden oder nicht lebenden Organismen anzuheften. Es handelt sich um eine bakterielle Gemeinschaft, die aus Bakterienzellen und den von den Bakterien selbst abgesonderten wasserhaltigen Polymersubstraten besteht. Die Bildung von BF ist gleichbedeutend mit einer wirksamen Barriere gegen eine Invasion von außen, die es den Bakterien ermöglichen kann, dem Immunsystem des Wirts und der abtötenden Wirkung von Antibiotika zu widerstehen, wodurch sie eine Resistenz gegen Antibiotika entwickeln (10-1000-mal höher als im planktonischen Zustand), was die Beseitigung von Infektionen erschwert und zu einer wichtigen potenziellen Quelle für schwer zu behandelnde Infektionen wird. Die Verwendung herkömmlicher Antibiotika zur Behandlung von bakteriellen Biofilm-Infektionen ist daher nur sehr eingeschränkt wirksam.
Staphylococcus aureus ist ein häufig vorkommender, durch Lebensmittel übertragener Krankheitserreger, der in der natürlichen Umwelt weit verbreitet ist. Ein wichtiges Merkmal von Staphylococcus aureus ist die Fähigkeit, an der Infektionsstelle Biofilme zu bilden, was die Behandlung von durch diese Stämme verursachten Infektionen erschwert. Um Staphylococcus aureus im Zustand des Biofilms zu behandeln, müssen höhere Konzentrationen von Antibiotika eingesetzt werden, aber ein übermäßiger Einsatz von Antibiotika kann zur Entwicklung von Arzneimittelresistenzen führen und das Auftreten von synergistischen bakteriellen Infektionen verursachen. In den letzten Jahren wurde über einige neue Strategien zur Bekämpfung von Biofilminfektionen berichtet, darunter Density-Sensing-System-Quencher und Antibiotika-Kombinationen von Density-Sensing-System-Quenchern, aber diese Methoden sind noch nicht für den Einsatz zugelassen. Daher ist die Suche nach natürlichen antibakteriellen Wirkstoffen aus der Natur, die die Biofilmbildung hemmen können, zu einer wichtigen Entscheidung geworden.
Die Weltgesundheitsorganisation geht davon aus, dass 25% der modernen Arzneimittel weltweit direkt oder indirekt mit Heilpflanzen in Verbindung stehen, wobei 94 der 162 von 1981 bis 2019 zugelassenen antimikrobiellen Arzneimittel aus Naturprodukten gewonnen werden. Heilpflanzen sind eine der wichtigsten Quellen für bioaktive Moleküle, aber das Screening von antimikrobiellen Wirkstoffen gegen Biofilme aus Heilpflanzen befindet sich noch in der Anfangsphase. Gegenwärtig wird international berichtet, dass Extrakte aus Heilpflanzen wie Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis und Curcuma longa den Biofilm von Staphylococcus aureus hemmen. Die traditionelle chinesische Medizin zeichnet sich durch mehrere Komponenten, mehrere Angriffspunkte und mehrere Wirkungen aus und ist nicht anfällig für die Entwicklung von Arzneimittelresistenzen, weshalb sie gute Aussichten auf eine Anwendung in der antibakteriellen Therapie hat. Gegenwärtig gibt es auch einige Berichte über die Hemmung des Biofilms von Staphylococcus aureus durch chinesische Kräutermedizin: Wang et al. fanden heraus, dass der Extrakt aus der äußeren Samenschale von Ginkgo biloba die Bildung des Biofilms von Staphylococcus aureus konzentrationsabhängig hemmt; Li et al. fanden heraus, dass das traditionelle chinesische Arzneimittel Hezi die Bildung von Biofilmen bei Staphylococcus aureus signifikant hemmen kann und auch gute antibakterielle Wirkungen hat; Liao et al. fanden heraus, dass der wässrige Extrakt von Houttuynia cordata die Bildung von Biofilmen bei Staphylococcus aureus wirksam hemmen kann. Daher sind Heilpflanzen eine wichtige Quelle für die Erforschung von Biofilm-Inhibitoren für Krankheitserreger. Die meisten Forschungsarbeiten zu diesen Heilpflanzen basieren jedoch auf der Analyse ihrer Biofilmfunktion unter der Prämisse ihrer antibakteriellen Aktivität. Dies kann die Beurteilung der Testergebnisse aufgrund der antibakteriellen Wirkung der Extrakte beeinträchtigen oder das Screening von Pflanzenextrakten verpassen, die keine antibakterielle, aber eine biofilmhemmende Wirkung haben. Daher wurden in dieser Studie 16 lokale charakteristische chinesische Heilkräuter wie Rhabarber als Forschungsobjekte ausgewählt, die Auswirkungen verschiedener Lösungsmittelextrakte auf das Wachstum von Staphylococcus aureus analysiert und auf dieser Grundlage Extrakte mit subinhibitorischer Konzentration ausgewählt, um ihre Auswirkungen auf die Biofilmbildung zu analysieren, mit dem Ziel, Leitlinien für die Forschung und Arzneimittelentwicklung der traditionellen chinesischen Medizin gegen die Biofilmbildung bereitzustellen.

Antibiotika sind derzeit die wichtigste Strategie zur Behandlung von Infektionen mit Staphylococcus aureus. Die Bildung eines Biofilms von Staphylococcus aureus verstärkt jedoch dessen Resistenz gegen Antibiotika und verringert somit die Wirksamkeit von Antibiotika. Die Hemmung oder Beseitigung der Biofilmbildung vor dem Einsatz von Antibiotika wird daher die Wirksamkeit von Antibiotika erheblich verbessern. Dies ist auch ein wirksamer Weg, um bakterielle Resistenzen und chronische Infektionen, die durch Biofilmbildung verursacht werden, in der klinischen Praxis zu lösen. In diesem Experiment wurden 16 traditionelle chinesische Heilkräuter ausgewählt, um ihre antibakterielle Aktivität zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass die meisten Extrakte eine antibakterielle Wirkung gegen Staphylococcus aureus hatten, während Longgu Feng keine antibakterielle Wirkung gegen Staphylococcus aureus hatte, was mit den experimentellen Ergebnissen anderer Forscher übereinstimmt. Longgu Feng ist der Stamm der Cyatheaceae-Pflanze Cyathea, die hauptsächlich chemische Komponenten wie Terpene, Flavonoide, Phenolsäuren und Steroide enthält. Derzeit hat man herausgefunden, dass sie verschiedene pharmakologische Aktivitäten hat, wie z.B. das Vertreiben von Wind und Feuchtigkeit, die Förderung der Blutzirkulation und das Auflösen von Blutstau, die Beseitigung von Hitze und Entgiftung sowie Anti-Tumor-Effekte. Obwohl die antibakterielle Wirkung von Longgu Feng auf Staphylococcus aureus nicht signifikant ist, gibt es noch Potenzial für die Erforschung anderer bioaktiver Funktionen. Viele aus Pflanzen gewonnene Extrakte haben eine antibakterielle Wirkung gegen Staphylococcus aureus, aber die Zusammensetzung der Extrakte ist komplex und das Ziel der Wirkung ist unklar. Daher ist es noch ein weiter Weg bis zum vollständigen Ersatz von Antibiotika durch die traditionelle chinesische Medizin.

Es gibt mehrere Mechanismen der Arzneimittelresistenz bei Staphylococcus aureus, von denen das Problem der durch Biofilmbildung verursachten Arzneimittelresistenz immer mehr Aufmerksamkeit erhält. Gegenwärtig werden Forschungsarbeiten durchgeführt, um das Phänomen der durch Biofilmbildung verursachten Resistenz pathogener Bakterien zu kontrollieren, indem die Biofilmbildung durch chemische oder biologische Methoden entfernt oder gehemmt wird. Insbesondere die Entwicklung von Arzneimitteln der traditionellen chinesischen Medizin gegen den Biofilm von Staphylococcus aureus wurde zur wirksamen Verringerung seiner Resistenz eingesetzt, insbesondere verschiedene Arten von Flavonoiden, die das Wachstum und die Biofilmbildung von Staphylococcus aureus hemmen. In diesem Experiment wurde festgestellt, dass die Wasser- und Alkoholextrakte von Rhabarber, Polygonum cuspidatum, Qianghuo, Ligustrum lucidum, Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis und Pfefferminze alle eine signifikante hemmende Wirkung auf den Biofilm von Staphylococcus aureus haben. Eine Literaturrecherche über die Inhaltsstoffe der oben genannten Kräuter ergab, dass Rhabarber, Polygonum cuspidatum, Ligustrum lucidum, Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis und Pfefferminze alle Flavonoide enthalten. Ob die in ihnen enthaltenen Flavonoide mit ihrer Hemmung der Bildung von Staphylococcus aureus-Biofilmen zusammenhängen, muss jedoch in weiteren Experimenten noch überprüft werden. Darüber hinaus wurde in der Forschung berichtet, dass Rhabarber und Polygonum cuspidatum eine große Menge der Anthrachinonsubstanz Emodin enthalten, und Xiang et al. haben auch bestätigt, dass Aloe vera die Anthrachinonsubstanz Emodin enthält und die Bildung des Biofilms von Staphylococcus aureus hemmt. Daher wird spekuliert, dass die Hemmung des Biofilms von Staphylococcus aureus durch Rhabarber- und Polygonum cuspidatum-Extrakte in diesem Experiment mit ihrem Vorhandensein der Anthrachinonsubstanz Emodin zusammenhängen könnte.

Derzeit haben pflanzliche Wirkstoffe ein großes Potenzial, in bakterielle Biofilme einzugreifen, da herkömmliche Antibiotika nur schwer in bakterielle Biofilme eindringen können und anfällig für Rückstände und Resistenzprobleme sind. Daher ist es schwierig, bakterielle Biofilminfektionen allein mit pflanzlichen Wirkstoffen zu bekämpfen. Die Verwendung rückstandsarmer und wenig toxischer pflanzlicher Wirkstoffe zusammen mit Antibiotika kann jedoch die Menge der eingesetzten Medikamente wirksam reduzieren, ihre toxischen Nebenwirkungen verringern und die Fähigkeit der Medikamente, in bakterielle Biofilme einzudringen, verbessern. Dey et al. fanden heraus, dass die Kombination von Naringin mit Tetracyclin und Ciprofloxacin die Fähigkeit dieser beiden Antibiotika zur Hemmung der Biofilmbildung bei Pseudomonas aeruginosa verbessern kann. Yan et al. fanden heraus, dass die Kombination von Thymol und Benzylpenicillin die hemmende und auflösende Wirkung auf den Biofilm von Staphylococcus aureus deutlich verstärken kann. Darüber hinaus können auch Extrakte aus der traditionellen chinesischen Medizin zu Nanoformulierungen verarbeitet werden, da herkömmliche Antibiotika nur schwer in hochstrukturierte, reife Biofilme eindringen können. Aus pflanzlichen Wirkstoffen können jedoch Nano-Inhibitoren hergestellt werden, die es den Medikamenten ermöglichen, in bakterielle Biofilme einzudringen und ihre therapeutische Wirkung zu entfalten. So kann Nano-Berberin beispielsweise die Bildung von Biofilmen von Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa und Staphylococcus aureus hemmen, ihre reifen Biofilme auflösen und die Expression von Genen für Virulenzfaktoren, die mit ihren Biofilmen zusammenhängen, verringern. Die Kombination von pflanzlichen Wirkstoffen mit anderen Arzneimitteln zur Behandlung von Biofilminfektionen könnte also gute Ergebnisse erzielen und wichtige Anwendungsmöglichkeiten bieten.

Darüber hinaus kann auch die Extraktionsmethode der traditionellen chinesischen Medizin die Ergebnisse von Experimenten zur Arzneimittelaktivität beeinflussen. Chu et al. verwendeten fünf verschiedene Extraktionsmethoden, um die Wirkstoffe der traditionellen chinesischen Medizin Luo Xianzi zu extrahieren, und stellten fest, dass das durch Wasserextraktion gewonnene Produkt die stärkste antibakterielle Aktivität aufwies. Zhang et al. verwendeten Wasserextraktion, Alkoholextraktion und superkritisches CO2 zur Extraktion der Wirkstoffe von Schisandra chinensis. Sie stellten fest, dass die antibakterielle Aktivität des durch Alkoholextraktion gewonnenen Wirkstoffs deutlich höher war als die der beiden anderen Lösungsmittelextrakte. Iqbal et al. stellten fest, dass die Methanol-, n-Hexan-, Ethylacetat-, n-Butanol- und Wasserextrakte von Araceae unterschiedliche antibakterielle Wirkungen auf die getesteten Krankheitserreger haben. Die Analyse der Zusammensetzung der Inhaltsstoffe ergab signifikante Unterschiede in der Art und Häufigkeit der Komponenten in diesen verschiedenen Lösungsmittelextrakten. Zhang et al. verwendeten 7 verschiedene Lösungsmittel zur Extraktion der Angelikawurzel und fanden signifikante Unterschiede in der biologischen Aktivität und der Zusammensetzung der Bestandteile der Extrakte aus verschiedenen Lösungsmitteln. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Art und die Menge der Bestandteile in Pflanzenextrakten, die mit verschiedenen Lösungsmitteln extrahiert wurden, unterschiedlich sein können. In diesem Versuch wurden Wasser und Ethanol als Lösungsmittel verwendet, um Wirkstoffe aus der traditionellen chinesischen Medizin zu extrahieren. Die Ergebnisse zeigten, dass die Wasserextrakte von vier Drogen, nämlich Tie Lingxian, Pixian Grass, Feng Wei Grass und Jing Jie, eine fördernde Wirkung auf die Bildung von Staphylococcus aureus Biofilm hatten, während ihre Alkoholextrakte eine hemmende Wirkung auf die Bildung von Staphylococcus aureus Biofilm hatten. Es wird spekuliert, dass der Grund dafür in der unterschiedlichen Zusammensetzung und Häufigkeit der mit den beiden verschiedenen Extraktionsmethoden extrahierten Substanzen liegen könnte, was zu unterschiedlichen Wirkungen auf die Bildung von Staphylococcus aureus-Biofilm führt. Diese Entdeckung gibt uns einige Hinweise darauf, dass Substanzen, die Biofilme hemmen, und Substanzen, die Biofilme fördern, mit unterschiedlichen Lösungsmitteln extrahiert werden können. Bei der künftigen Entwicklung von Hemmstoffen für Tielingxian, Pixian-Gras, Phönix-Schwanzgras und Schizonepeta tenuifolia sollte in Erwägung gezogen werden, sie zunächst mit Wasser zu extrahieren, um Verunreinigungen zu entfernen, und ihre Extrakte dann erneut mit Ethanol zu extrahieren. Die Ergebnisse dieses Experiments können daher einen Anhaltspunkt für die Entwicklung natürlicher Arzneimittel mit hemmender Wirkung auf den Biofilm von Staphylococcus aureus liefern und damit den Einsatz von Antibiotika verringern.
Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass die meisten Extrakte aus diesen 16 chinesischen Heilkräutern eine hemmende Wirkung auf den Biofilm von Staphylococcus aureus haben, aber einige Extrakte haben hohe Wirkkonzentrationen, wie die Wasserextrakte aus Qianghuo und Ligustrum lucidum mit Konzentrationen von über 60 mg/ml. Der tatsächliche Wert dieser hoch konzentrierten Extrakte ist nicht hoch, so dass bei der Entwicklung dieser Heilkräuter Faktoren wie der Gehalt oder die Potenz der effektiven Wirkstoffe in ihren Extrakten umfassend berücksichtigt werden müssen. Gegenwärtig befindet sich die Erforschung traditioneller chinesischer Medizin zur Behandlung von Biofilmen in China noch im Forschungsstadium, und die Untersuchung ihrer Wirkstoffe und Ziele ist noch nicht umfassend genug. In Zukunft müssen wir auf der Grundlage des Screenings aktiver Heilpflanzen zur Behandlung von Biofilmen auch die Bestandteile ihrer Wirkstoffe identifizieren und ihre Ziele und Wirkmechanismen auf molekularbiologischer Ebene untersuchen.