Исследование влияния экстрактов традиционной китайской медицины на биопленку Staphylococcus aureus
Бактериальная биопленка (БФ) - это особая функциональная структура, формируемая бактериями для адаптации к естественной среде и постепенного прикрепления к поверхности живых или неживых организмов в процессе роста. Она представляет собой бактериальное сообщество, состоящее из бактериальных клеток и водосодержащих полимерных субстратов, выделяемых самими бактериями. Образование БФ эквивалентно эффективному барьеру против внешнего вторжения, что может позволить бактериям противостоять иммунной системе хозяина и убивающему действию антибиотиков, тем самым развивая устойчивость к антибиотикам (в 10-1000 раз выше, чем в планктонном состоянии), затрудняя очистку от инфекций и становясь основным потенциальным источником трудноизлечимых инфекций на сегодняшний день. Поэтому использование только традиционных антибиотиков для лечения бактериальных биопленочных инфекций значительно снижает эффективность.
Staphylococcus aureus - распространенный патогенный микроорганизм пищевого происхождения, который широко распространен в естественных условиях. Важной особенностью Staphylococcus aureus является способность образовывать биопленки в месте заражения, что затрудняет лечение инфекций, вызванных этими штаммами. Для лечения золотистого стафилококка в состоянии биопленки необходимо использовать более высокие концентрации антибиотиков, однако чрезмерное применение антибиотиков может привести к развитию лекарственной устойчивости и вызвать возникновение синергических бактериальных инфекций. В последние годы появились новые стратегии борьбы с биопленочными инфекциями, в том числе тушители системы плотного зондирования и тушители системы плотного зондирования с комбинацией антибиотиков, однако эти методы не были одобрены для использования. Поэтому поиск природных антибактериальных агентов, способных подавлять образование биопленок, стал важным выбором.
По прогнозам Всемирной организации здравоохранения, 25% современных лекарств в мире прямо или косвенно связаны с лекарственными растениями, из которых 94 из 162 одобренных противомикробных препаратов с 1981 по 2019 год получены из натуральных продуктов. Лекарственные растения являются одним из основных источников биологически активных молекул, однако поиск антимикробных средств против биопленок из лекарственных растений все еще находится на ранних стадиях. В настоящее время на международном уровне сообщается, что экстракты таких лекарственных растений, как Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis и Curcuma longa, проявляют активность в ингибировании биопленки Staphylococcus aureus. Традиционная китайская медицина обладает такими характеристиками, как множество компонентов, множество целей и множество эффектов, а также не склонна к развитию лекарственной устойчивости, поэтому имеет хорошие перспективы применения в антибактериальной терапии. В настоящее время также имеется несколько сообщений об ингибировании биопленки Staphylococcus aureus с помощью китайской растительной медицины: Wang et al. обнаружили, что экстракт внешней оболочки семян гинкго билоба ингибирует образование биопленки Staphylococcus aureus в зависимости от концентрации; Li et al. обнаружили, что традиционная китайская медицина Hezi может значительно ингибировать образование биопленки Staphylococcus aureus, а также обладает хорошим антибактериальным эффектом; Liao et al. обнаружили, что водный экстракт Houttuynia cordata может эффективно ингибировать образование биопленки Staphylococcus aureus. Таким образом, лекарственные растения являются важным источником для изучения ингибиторов биопленки патогенов. Однако большинство исследований, посвященных этим лекарственным растениям, основывается на анализе их биопленочной функции в предположении об их антибактериальной активности. Это может помешать судить о результатах тестирования, обусловленных антибактериальным эффектом экстрактов, или пропустить скрининг растительных экстрактов, не обладающих антибактериальной активностью, но обладающих ингибирующей биопленку активностью. Поэтому в данном исследовании в качестве объектов исследования выбраны 16 местных характерных китайских лекарственных трав, таких как ревень, проанализировано влияние различных экстрактов растворителей на рост Staphylococcus aureus, и на основе этого выбраны экстракты с суб-ингибирующей концентрацией для анализа их влияния на образование биопленки, с целью обеспечения руководства для исследования и разработки лекарственных препаратов традиционной китайской медицины против образования биопленки.

В настоящее время антибиотики являются основной стратегией лечения случаев, связанных с инфекцией Staphylococcus aureus. Однако образование биопленки золотистого стафилококка повышает его устойчивость к антибиотикам, тем самым снижая эффективность антибиотиков. Поэтому ингибирование или устранение образования биопленки перед применением антибиотиков значительно повышает их эффективность. Это также эффективный способ решения проблемы бактериальной резистентности и хронических инфекций, вызванных образованием биопленки, в клинической практике. В данном эксперименте было отобрано 16 традиционных китайских лекарственных трав для изучения их антибактериальной активности. Результаты показали, что большинство экстрактов обладают антибактериальной активностью против золотистого стафилококка, в то время как Longgu Feng не обладает антибактериальной активностью против золотистого стафилококка, что согласуется с результатами экспериментов других исследователей. Лонггу Фэн - это стебель растения Cyatheaceae Cyathea, который в основном содержит такие химические компоненты, как терпены, флавоноиды, фенольные кислоты и стероиды; в настоящее время установлено, что он обладает различными фармакологическими свойствами, такими как рассеивание ветра и сырости, стимулирование кровообращения и рассеивание застоя крови, очищение от жара и детоксикация, а также противоопухолевое действие. Хотя антибактериальный эффект Longgu Feng на Staphylococcus aureus незначителен, существует потенциал для изучения других биоактивных функций. Многие растительные экстракты обладают антибактериальной активностью в отношении золотистого стафилококка, но их состав сложен, а цель действия неясна. Поэтому до полной замены антибиотиков традиционной китайской медициной еще далеко.

Существует множество механизмов лекарственной устойчивости Staphylococcus aureus, среди которых все большее внимание привлекает проблема лекарственной устойчивости, вызванной образованием биопленки. В настоящее время проводятся исследования, направленные на борьбу с явлением устойчивости патогенных бактерий, вызванным образованием биопленки, путем устранения или ингибирования образования биопленки с помощью химических или биологических методов. В частности, разработка препаратов традиционной китайской медицины против биопленки Staphylococcus aureus была использована для эффективного снижения его устойчивости, особенно различные типы флавоноидов обладают активностью ингибирования роста и образования биопленки Staphylococcus aureus. В ходе эксперимента было установлено, что водные и спиртовые экстракты ревеня, Polygonum cuspidatum, Qianghuo, Ligustrum lucidum, Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis и перечной мяты оказывают значительное ингибирующее действие на биопленку Staphylococcus aureus. Обзор литературы, посвященной составным компонентам вышеперечисленных трав, показал, что ревень, Polygonum cuspidatum, Ligustrum lucidum, Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis, Scutellaria baicalensis и мята перечная содержат флавоноиды. Однако вопрос о том, связаны ли содержащиеся в них флавоноиды с ингибированием образования биопленки Staphylococcus aureus, еще нуждается в дальнейшей проверке в последующих экспериментах. Кроме того, исследования показали, что ревень и Polygonum cuspidatum содержат большое количество антрахинонового вещества эмодина, а Xiang et al. также подтвердили, что алоэ вера содержит антрахиноновое вещество эмодин и обладает активностью ингибирования образования биопленки Staphylococcus aureus. Поэтому можно предположить, что ингибирование биопленки Staphylococcus aureus экстрактами ревеня и Polygonum cuspidatum в данном эксперименте может быть связано с наличием в них антрахинонового вещества эмодина.

В настоящее время растительные активные ингредиенты обладают большим потенциалом для воздействия на бактериальные биопленки, поскольку традиционные антибиотики с трудом проникают в бактериальные биопленки, вызывают образование остатков и проблемы с резистентностью. Поэтому с помощью одних только растительных активных ингредиентов трудно бороться с бактериальными биопленками. Однако использование растительных активных ингредиентов с низким содержанием остатков и токсичности вместе с антибиотиками может эффективно сократить количество используемых лекарств, уменьшить их токсичные побочные эффекты и обеспечить способность лекарств проникать в бактериальные биопленки. Дей и др. обнаружили, что сочетание нарингина с тетрациклином и ципрофлоксацином усиливает способность этих двух антибиотиков ингибировать образование биопленок у Pseudomonas aeruginosa. Ян и др. обнаружили, что комбинация тимола и бензилпенициллина может значительно усилить ингибирующее и очищающее действие на биопленку Staphylococcus aureus. Кроме того, экстракты традиционной китайской медицины также можно превратить в нанопрепараты, поскольку традиционные антибиотики с трудом проникают в высокоструктурированные зрелые биопленки. Однако растительные активные ингредиенты могут быть превращены в наноингибиторы, которые позволяют лекарственным препаратам проникать в бактериальные биопленки и оказывать терапевтическое воздействие. Например, наноберберин может ингибировать образование биопленок Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus, очищать их зрелые биопленки и снижать экспрессию генов факторов вирулентности, связанных с их биопленками. Таким образом, сочетание растительных активных ингредиентов с другими препаратами для лечения биопленочных инфекций может дать хорошие результаты и иметь важные перспективы применения.

Кроме того, метод экстракции традиционной китайской медицины также может влиять на результаты экспериментов с лекарственной активностью. Чу и др. использовали пять различных методов экстракции для извлечения активных веществ традиционной китайской медицины Луо Сяньцзы и обнаружили, что продукт, полученный водной экстракцией, обладает самой сильной антибактериальной активностью. Чжан и др. использовали водную, спиртовую и сверхкритическую СО2-экстракцию для извлечения активных веществ Schisandra chinensis. Они обнаружили, что антибактериальная активность активного вещества, полученного путем спиртовой экстракции, была значительно выше, чем у двух других экстрактов, полученных с помощью растворителей. Икбал и др. обнаружили, что метанол, н-гексан, этилацетат, н-бутанол и водные экстракты Araceae оказывают различное антибактериальное действие на тестируемые патогены. Анализ состава компонентов выявил значительные различия в типах и количестве компонентов в экстрактах, полученных с помощью различных растворителей. Чжан и др. использовали 7 различных растворителей для экстракции корня ангелики и обнаружили значительные различия в биологической активности и составе экстрактов из разных растворителей. Эти результаты позволяют предположить, что типы и количество компонентов в растительных экстрактах, полученных с помощью различных растворителей, могут различаться. В этом эксперименте вода и этанол использовались в качестве растворителей для извлечения активных веществ из традиционной китайской медицины. Результаты показали, что водные экстракты четырех препаратов, а именно Tie Lingxian, Pixian Grass, Feng Wei Grass и Jing Jie, оказывали стимулирующее действие на формирование биопленки Staphylococcus aureus, в то время как их спиртовые экстракты оказывали ингибирующее действие на формирование биопленки Staphylococcus aureus. Предполагается, что причина этого может заключаться в различиях в составе и содержании веществ, выделенных двумя разными методами экстракции, что приводит к различному влиянию на формирование биопленки Staphylococcus aureus. Это открытие дает нам некоторые намеки на то, что вещества, ингибирующие биопленку, и вещества, способствующие ее образованию, могут быть извлечены с помощью разных растворителей. Если в будущем будут разрабатываться ингибиторы для травы тилинсянь, травы пиксиан, травы хвоста феникса и Schizonepeta tenuifolia, то их следует сначала экстрагировать водой, чтобы удалить примеси, а затем снова экстрагировать их экстракты этанолом. Таким образом, результаты данного эксперимента могут послужить основой для разработки натуральных лекарственных средств, оказывающих ингибирующее действие на биопленку золотистого стафилококка, что позволит сократить использование антибиотиков.
Результаты этого исследования показали, что большинство экстрактов из этих 16 китайских лекарственных трав оказывают ингибирующее действие на биопленку золотистого стафилококка, но некоторые экстракты обладают высокой концентрацией действия, например, водные экстракты Qianghuo и Ligustrum lucidum с концентрацией, превышающей 60 мг/мл. Фактическая ценность этих высококонцентрированных экстрактов невелика, поэтому при разработке этих лекарственных растений необходимо всесторонне учитывать такие факторы, как содержание или потенция эффективных активных ингредиентов в их экстрактах. В настоящее время исследования в области традиционной китайской медицины для борьбы с биопленкой в Китае все еще находятся на стадии изучения, а изучение ее активных ингредиентов и целей не является достаточно глубоким. В будущем, основываясь на скрининге активных лекарственных растений для лечения биопленки, нам также необходимо определить компоненты их активных соединений и изучить их мишени и механизмы действия на молекулярно-биологическом уровне.