Erforschung potenziell antibakterieller chinesischer Kräutermedizin auf der Grundlage des Quorum-Sensing-Systems von Pseudomonas aeruginosa
Pseudomonas aeruginosa (PA) wird mit verschiedenen Infektionen in Verbindung gebracht. Jüngste Studien haben ergeben, dass die Resistenz gegen PA durch Quorum Sensing während der Antibiotikabehandlung verstärkt wird. In den letzten Jahren hat PA aufgrund des weit verbreiteten Einsatzes von Antibiotika Resistenzen gegen mehrere Antibiotika entwickelt, was die Behandlung klinischer PA-Infektionen erheblich erschwert. Die Suche nach neuen Medikamenten zur Unterdrückung arzneimittelresistenter PA ist zu einem dringenden globalen Problem geworden. Angesichts der reichhaltigen Ressourcen der traditionellen chinesischen Medizin in unserer Region wird in diesem Projekt erwogen, von der traditionellen chinesischen Medizin auszugehen und auf Schlüsselproteine abzustellen, die am Quorum Sensing beteiligt sind. Mithilfe der molekularen Docking-Methode wird nach Ligandenmolekülen mit hoher Affinität zu den aktiven Stellen in der Wirkstoffbibliothek der traditionellen chinesischen Medizin gesucht. Mit Hilfe von antibakteriellen Tests zur Validierung der Ergebnisse des virtuellen Screenings wollen wir chinesische pflanzliche Arzneimittel identifizieren, die in der klinischen Praxis in Kombination mit Antibiotika die PA-Resistenz hemmen können.
Quorum sensing (QS) ist ein interzelluläres Kommunikationssystem, das die Ausprägung der Virulenz in bakteriellen Populationen koordiniert. Der Mechanismus besteht aus fünf Punkten: (1) Überexpression von Efflux-Pumpen-Genen; (2) Inaktivierende Enzyme hydrolysieren Medikamente; (3) Biofilmbildung; (4) Zielmutation; (5) Verminderte Durchlässigkeit der äußeren Membran.
Das Quorum-Sensing-System von PA umfasst mindestens vier Teilsysteme: Pseudomonas-Quinolon-Signal (PQS), integriertes Quorum-Sensing-Signal (IQS) sowie LAS- und RHL-Systeme. Daher können Quorum-Sensing-Inhibitoren (QSI) im Vergleich zu herkömmlichen Antibiotika die Toxizität von PA reduzieren, die Arzneimittelresistenz verringern, Sepsis vermeiden und die Empfindlichkeit der antibiotischen Behandlung verbessern.

Das Problem der PA-Resistenz wird immer ernster, was die therapeutische Wirksamkeit von Antibiotika in der klinischen Praxis vor erhebliche Herausforderungen stellt. Das QS-System ist in verschiedenen Bakterien, insbesondere in PA, weit verbreitet und weist eine Kaskadenregulierung zwischen den Systemen auf, die die Pathogenität und Arzneimittelresistenz von Bakterien reguliert. Im Vergleich zu herkömmlichen Antibiotika können QSI das QS-System von Zielbakterien in angemessenen Konzentrationen hemmen, ohne das normale Bakterienwachstum zu beeinträchtigen, und so die bakterielle Virulenz verringern und die Verbreitung bakterieller Toxine verhindern. Die fünf Proteine, die in diesem Artikel verwendet werden, entsprechen verschiedenen Stoffwechselproteinen. Unter ihnen ist 5EOE ein Protein vom Typ BEL-1, das inaktivierende Enzyme produzieren kann, um den β - Lactam-Ring zu spalten, was zur Inaktivierung dieser Art von Antibiotika führt; 4HEF ist ein Cephalosporin-Hydrolase-Komplex, der zum Quorum Sensing LAS-Subsystem gehört. Er hemmt die Serin-β-Laktase durch Bildung eines kovalent bindenden Enzymkomplexes, der der β-Laktase ähnlich ist, was eine strukturelle Grundlage für seine Breitspektrum-Hemmwirkung darstellt; 4ZZL ist eine Mutante von MexR-R21W, einem Inhibitor des MexAB OprM Multidrug Efflux Pump Operators in Pseudomonas aeruginosa. Die Mutation mit DNA-Bindungsschaden führt zu Multidrug-Resistenz. 4NR0 ist eine für PA produzierte Enoyl-ACP-Reduktase, die eine wichtige Rolle bei der Synthese des Virulenzfaktors 3-Oxo-C12HSL spielt. 3H78 ist ein Komplex, der sich aus einer Signal-Biosynthese-Enzym-Mutante von Chinolon-Pseudomonas und ortho-Aminobenzoat zusammensetzt, das ein wichtiger Katalysator für die Biosynthese in dem Bakterium ist. Die Hemmung dieses Komplexes kann die Produktion von Virulenzfaktoren im PQS-System reduzieren und die Arzneimittelresistenz verringern.
In den letzten Jahren haben Studien gezeigt, dass einige häufig verwendete klinische Arzneimittel auch eine QSI-Aktivität haben. Es wurde festgestellt, dass Aspirin, ein traditionelles fiebersenkendes und schmerzstillendes Medikament, bei einer Konzentration von 6 mg/ml das Wachstum von PA nicht beeinträchtigt und gleichzeitig eine gewisse hemmende Wirkung auf QS-Virulenzfaktoren wie Elastase und Pyocyanin ausübt. Das Insektizid Chloramphenicol kann die Produktion von PA-Virulenzfaktoren und die Bildung von Biofilmen hemmen. Darüber hinaus besitzen auch einige künstlich hergestellte Medikamente die Eigenschaften von QSIs. So kann beispielsweise ein synthetisches Derivat auf der Basis von Furanon (5Z) -4-Brom-5-(Brommethylen) -3-Butyl-2-(5H) - Furanon), Furanon C-30, die Expression von Effluxpumpen und Virulenzfaktoren hemmen und so die Empfindlichkeit des PA-Biofilms gegenüber Antibiotika erhöhen. Bislang sind jedoch fast alle diese Studien im Laborbereich durchgeführt worden, und ihre klinische Wirksamkeit muss noch weiter erforscht werden.
In diesem Artikel wird die MOE-Software verwendet, um die Wirkstoffe von 2733 gebräuchlichen chinesischen pflanzlichen Arzneimitteln virtuell zu screenen, und es werden 7 chinesische pflanzliche Arzneimittel ermittelt, die hemmende Wirkungen auf arzneimittelresistente Stämme haben könnten: Gallnuss, Ramie-Wurzel, Schafshufnagel, Feuerkohlemutter, Blattperle, Wasserkiefer und mehrblütige wilde Pfingstrose. Anschließend wurde eine entsprechende antibakterielle Validierung durchgeführt, und die Ergebnisse stimmten mit den Berechnungen des molekularen Dockings überein, was darauf hindeutet, dass dieses Screening ein gewisses Maß an Rationalität aufweist. Die in dieser Studie verwendete virtuelle Screening-Methode am Computer zeichnet sich durch geringe Kosten und hohe Effizienz aus. Die Kombination von Berechnungen mit traditionellen pharmakologischen Experimenten kann zu einer effizienteren Forschung führen. Es ist jedoch erwähnenswert, dass einige traditionelle chinesische Arzneimittel nicht durch virtuelles Rechnen ermittelt wurden, sondern beim tatsächlichen Screening eine antibakterielle Wirkung gezeigt haben (z. B. Yanfumu, Xiqingguo, Hezi usw.), was darauf hindeutet, dass diese Methode noch relativ grob ist, Abweichungen und Auslassungen aufweist und verbessert werden muss. In einer späteren Phase wird die Molekulardynamiksimulation eingesetzt, um wichtige wissenschaftliche Fragen wie die Mobilität des Systems und den Hemmmechanismus zu analysieren.
Was die in diesem Artikel ausgewählten chinesischen Kräuter betrifft, so stellten Chen et al. fest, dass Gallnüsse unter bestimmten Umständen eine gewisse reinigende Wirkung auf PA-Biofilme haben und diese sogar vollständig beseitigen; Song et al. fanden heraus, dass der Extrakt der chinesischen Heilpflanze Holzkohle eine gewisse hemmende Wirkung auf das Wachstum von PA hat, wobei die minimale hemmende Konzentration 15,63 mg/ml beträgt; Pandey et al. fanden durch antibakterielle In-vitro-Experimente heraus, dass Extrakte des Schafhufkäfers (Blätter, Stammrinde und Blüten) eine gewisse antibakterielle Wirkung auf PA haben.
Ein weiteres Ziel dieses Artikels ist es, klinische Antworten auf antibiotikaresistente PA-Infektionen zu geben. Wir arbeiten derzeit mit klinischen Abteilungen zusammen, um verschiedene traditionelle chinesische Arzneimittel auszuwählen, die ausgekocht und mit Amoxicillin, Cefotaxim und Levofloxacin kombiniert werden, um ihre therapeutische Wirkung zu beobachten und einige Fortschritte zu erzielen. Klinische Praktiker der chinesischen Medizin haben jedoch darauf hingewiesen, dass stärkere Formeln der traditionellen chinesischen Medizin erforderlich sind, um eine bessere Prognose zu erreichen. Obwohl sich die meisten Wirkstoffe noch in der Phase der Erforschung der biologischen Aktivität oder der präklinischen Forschung befinden und nur relativ wenige Wirkstoffe in die Phase der klinischen Erprobung eintreten, wird es auch in Zukunft noch viele Unsicherheiten geben. Diese Verbindungen mit unterschiedlichen Wirkmechanismen liefern den Forschern jedoch wertvolle Erfahrungen und Forschungsideen und ermöglichen die Entwicklung neuer antibakterieller Medikamente. QSI haben gute Anwendungsaussichten, und die gemeldeten QSI sind noch begrenzt. Um das Problem der bakteriellen Resistenz in der Medizin zu lösen, ist es notwendig, sichere und effiziente QSI zu erforschen, die wirklich für den menschlichen Gebrauch geeignet sind.