Jun 13, 2023
Молекулярное моделирование микро- и нанокуркумина с проверкой антибактериальных свойств in vitro и in vivo.
Scientific Reports, том 13, номер статьи: 12224 (2023) Цитировать эту статью 660 Доступов 1 Подробности Altmetric Metrics Повторное использование природных соединений в качестве ингибирующих мишеней для борьбы с бактериальной вирулентностью
Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12224 (2023) Цитировать эту статью
660 Доступов
1 Альтметрика
Подробности о метриках
Использование природных соединений в качестве ингибирующих мишеней для борьбы с бактериальной вирулентностью является важной потенциальной стратегией преодоления устойчивости к традиционным антибиотикам. В настоящем исследовании антибактериальная активность микрокуркумина и наноразмерного куркумина исследовалась против четырех преобладающих бактериальных патогенов, а именно, Escherichia. coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus и Bacillus subtilis. Бактерицидную чувствительность к куркумину можно обобщить в следующем порядке: P. aeruginosa > B. subtilis > S. aureus > E. coli. Анализ молекулярного докинга был проведен для подтверждения влияния куркумина на наиболее важные и положительно идентифицированные сигнальные белки пути кворума SecA-SecY, LsrR, PqsR (MvfR), AgrA, которые действуют как ключевые игроки в бактериальных коммуникационных системах. Физико-химические свойства in silico показали, что куркумин как нутрицевтик можно классифицировать как лекарственное соединение. Модель инфицированной раны in vivo была использована на четырех группах крыс-альбиносов. Местное применение лосьона с нанокуркумином показало заметное уменьшение площади ран (98,8%), а также почти 100% снижение общего количества жизнеспособных бактерий по сравнению с контрольной группой на пятнадцатый день после лечения после травмы. Полученные данные свидетельствуют о том, что наночастицы куркумина обладают превосходной антибактериальной активностью и могут иметь клиническое применение в качестве нового местного противомикробного и ранозаживляющего средства.
Недавнее распространение микробных инфекций и появление новых патогенов, включая виды с множественной лекарственной устойчивостью, считаются проблемами человечества, вызывающими необходимость в альтернативных методах лечения1. Общественный интерес к традиционным травам возрос благодаря их подтвержденным медицинским свойствам и ограниченному количеству побочных эффектов или их отсутствию2. Куркума длинная (общее название: куркума) — корневищное травянистое многолетнее цветущее растение семейства имбирных (Zingiberaceae), которое обычно используется в качестве пряности и в качестве красителя3. Куркуминоиды — это нетоксичные, встречающиеся в природе фитохимические полифенольные компоненты куркумы. Они содержат три различные структуры: (а) диферулоилметан или куркумин (куркумин I, 75%), (б) диметоксикуркумин (куркумин II, 20%) и (в) ) бисдеметоксикуркумин (куркумин III, 5%)4. Фармакологически куркумин продемонстрировал широкий спектр многообещающих биологических и терапевтических действий, таких как антибактериальная активность против широкого спектра бактерий путем воздействия на мембрану бактериальной клетки, клеточную стенку, белок, ДНК и другие клеточные структуры или путем ингибирования роста бактерий путем системы/пути восприятия кворума (QS)5, кроме того, было доказано его противовоспалительное6, противораковое7, а также антидиабетическое действие8.
Фармакокинетически куркумин не растворим в воде, нестабилен в растворах, обладает низкой биодоступностью, плохой абсорбцией и быстрым выведением из организма9. Эти недостатки препятствуют его использованию in vivo в качестве терапевтического агента. Чтобы преодолеть эти проблемы, необходимо разработать усовершенствованную систему доставки лекарств, которая сможет улучшить терапевтическую трансляцию куркумина10. Несколько исследований пришли к выводу, что наноразмерные частицы куркумина могут иметь лучшую гидрофильность, химическую стабильность, замедленное высвобождение и адекватную диспергируемость куркумина по сравнению с его свободной формой11.
Несколько исследований показали, что терапия куркумином, особенно при местном применении, способствует заживлению ран, сокращая время заживления, усиливая отложение коллагена и увеличивая фибробласты кожи и плотность сосудов, являясь проангиогенным агентом заживления ран как в здоровых, так и в инфицированных ранах12. Поскольку куркумин является хорошо известным лекарственным средством, молекулярный докинг в этом контексте может быть выполнен либо для исследования способности связывания куркумина с новыми целевыми молекулами, либо для аналогов куркумина. Система микробной связи Quorum Sensing (QS) используется при различных бактериальных окрасках13. Она основана на генерации и обнаружении сигнальных молекул (самоиндукторов) для мониторинга плотности популяции14. Большинство грамотрицательных бактерий используют N-ацилгомосерин-лактоны в качестве основных сигнальных молекул QS, тогда как грамположительные бактерии используют сигнальные пептиды для регуляции физиологических функций, таких как образование биопленок, биосинтез антибиотиков, биолюминесценция, высвобождение факторов вирулентности, сидерофор, внеклеточные протеазы. и подвижность клеток15. Куркумин играет важную ингибирующую роль через бактериальную систему QS, поскольку он взаимодействует с многочисленными молекулярными мишенями и путями трансдукции посредством многомеханической противоинфекционной стратегии16. В пути восприятия кворума участвует множество белков: белки SecA-SecY, LsrR, PqsR (MvfR) и AgrA, относящиеся к Bacillus subtilis, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus соответственно, оказались наиболее важными и положительно идентифицированными регуляторами QS соответственно. Белок канала SecA-SecY позволяет транспортировать широкий спектр бактериальных белков через мембрану эндоплазматического ретикулума эукариот или через плазматическую мембрану прокариот17, LsrR белок регулирует сотни генов, которые участвуют во множестве биологических процессов, включая подвижность, образование биопленок и чувствительность к антибиотикам, а также устойчивость бактерий к различным соединениям. от формирования19, более того, белок транскрипционного фактора AgrA участвует в регуляции реакции восприятия кворума посредством генерации гемолизинов и других факторов вирулентности20. Наконец, куркумин был идентифицирован как мощный ингибитор QS патогенов человека, который не вызывает бактериальную резистентность, поскольку эта стратегия блокировки считается заменой традиционных антибиотиков15.
B. subtilis > S. aureus > E. coli, determination of TVC emphasized this trend./p> B. subtilis > S. aureus > E. coli, , these findings are in agreement with earlier reports of Gopal et al.46 and No et al.47 who declared that nanosized particles have better mobilization inside the cells better than their micro sized counterparts, the range of the minimum inhibitory concentration values on using NC suspension (15.65–31.25 µg/mL) was much lower than on using MC suspension (125–250 µg/mL) near results were obtained by Neto et al.48, Notably, there were significant differences in the MICs of curcumin against certain stains reported by different research groups . This may be due to the type of the solvent used by each research group49. Bacterial populations utilize a special chemical language in an autoinducer–receptor manner to regulate their virulence; this language is QS50. QS regulates biofilm formation, bacterial motility, and the production of virulent exocellular enzymes and pigments51, there are three main QS systems, (1) the acylhomoserine lactone (AHL) QS system in Gram-negative bacteria; (2) the autoinducing peptide (AIP) QS system in Gram-positive bacteria, and (3) the autoinducer-2 (AI-2) QS system, which is in both Gram-negative and Gram-positive bacteria52. The current in silico study gave us more detailed exploration about the inhibition activity of nanocurcumin indicated by the in vitro study, curcumin interaction with the selected four QS-encoding genes were evaluated, for P. aeruginosa, docking study of ligand–PqsR (MvfR) interaction was performed, PqsR (MvfR) is a critical transcriptional regulator with important roles in virulence, it can increase antibiotic efficacy and eventually prevent the AMR protein from forming53, for B. subtilis interaction was studied with SecA-SecY channel protein which permits a wide range of proteins to be transported across the eukaryotic endoplasmic reticulum membrane or across the prokaryotic plasma membrane, the SecA transports most secretory proteins post-translationally through the SecY channel in bacteria18. In E. coli ligand-LsrR interaction was performed, LsrR regulates hundreds of genes that participate in myriad biological processes, including mobility, biofilm formation, and antibiotic susceptibility and bacterial resistance to various compounds20, in case of S. aureus interaction was performed with AgrA transcription factor protein, which is involved in the regulation of the quorum-sensing response in the bacteria, as well as the generation of hemolysins and other virulence factors51. Docking scores indicated that the studied ligands were interacted with the protein's active site residues with energy binding affinity that varies from − 4.3 to − 7.8 kcal/mol, the values calculated for P. aeruginosa confirmed the high inhibitory effect of curcumin as it inhibited the active site of the PqsR protein with binding affinity of − 7.8 kcal/mol. The interaction results of SecA-SecY protein (B. subtilis), and AgrA protein (S. aureus) indicated moderate binding affinity − 6.6 and − 6.0 kcal/mol respectively, on the other hand the binding affinity of LsrR protein (5.5 kcal/mol) represent week interaction), the binding energy statistics were found to confirm the docking result. Curcumin has superior binding energies compared to other compounds54. RMSF was a good tool for assessing local alterations throughout the protein chain, while RMSD measures the average change in displacement of a particular frame relative to a reference frame for a sample of atoms, calculated for each frame along the path28. RMSD and RMSF studies were used to further examine the overall stability, where in case of PqsR protein the RMSD and RMSF values represent a stable interaction followed by Seca-Secy, and Agra proteins and finally the lowest values were for LsrR protein. In drug discovery and development, various tests were needed to determine whether the candidate drug is bioavailable and safe for the body or not. During drug-discovery pipeline and drug-development processes, various tests are utilized to determine whether the candidate/potential drug is bioavailable and safe for the body or not. Lipinski’s rule of five and toxicity tests are an example of criteria that need to be considered during this process. Nutraceuticals must meet four requirements (MW < 500, log P < 5, HBD ≤ 5, and HBA ≤ 10) to be classified as drug-like55,56. The resulting scores of curcumin predicted that it has exceptional oral bioavailability, also the physicochemical and structural characteristics of curcumin were inconsistent with most well-known drugs, and it didn’t meet all the toxicity tests. Wound bacterial infections are thought to play a serious role in healing delay by altering the host cell functions57, previous findings reported that the rate of infection is proportionally related to the number of inoculated bacterial colonies. Wound inoculation of 106 cfu/mL resulted to 100% of the wounds without mortality, while increasing colony numbers to 1010 led to animals’ death, otherwise decreasing the number to 104 approximately 50% of the wounds are showed no sign of infection58. Although concerns about using of antimicrobials on open wounds still exist because of their potential cytotoxicity that causes delay in the healing process59. In an application to evaluate the in vivo infected wound healing process, MC and NC lotions were prepared and applied topically on wounded rats once daily along 15 days from the first day of wounding, healing was observed by morphological examination and detected by calculating the healing percentage, it was found that treatment of the wounded animals by MC lotion significantly fastened the healing process compared to the control group, the healing percentage reached 78.6% on the fifteenth day of injury, similarly Dai et al.60 reported that curcumin facilitated complete wound reepithelization by reducing the epithelization period compared with the control group, also many studies have shown that topical application of curcumin to wound sites was more effective in the closure process61, this enhanced capacity of wound healing with the plant was based on its anti-inflammatory and antimicrobial effects that were well documented in the previous literature62, on the other hand, on treating the wound sites with the prepared NC lotion nearly complete wound closure was attained on the fifteenth day of treatment (98.8%). Earlier researchers declared that the in vivo wound treatment capability of curcumin nanoparticles was significantly higher than that of macro and micro curcumin particles, this must be attributed to the fact that its small size increases its interaction with the microbial and host cells63, also estimation of the total viable bacterial count indicated nearly 100% reduction at the end of the treatment interval. The obtained results revealed that the wounded animal group treated with NC lotion showed more well-formed granulation tissue and reepithelization earlier than other groups. Consequently, NC lotion could be an alternative strategy as a wound healing promotor./p>
Русский
English
Français
Deutsch
Español
Italiano
Português
日本語
한국어
Дом