Nanodeeltjes als effluxpomp en biofilmremmer om het bacteriedodende effect van conventionele antibiotica te verjongen

Abstract

Het universele probleem van bacteriële resistentie tegen antibiotica weerspiegelt een ernstige bedreiging voor artsen om infecties onder controle te houden. Evolutie in bacteriën resulteert in de ontwikkeling van verschillende complexe resistentiemechanismen om het bacteriedodende effect van antibiotica te neutraliseren, zoals medicijnverbetering, doelmodificatie, reductie van membraanpermeabiliteit en medicijnextrusie door effluxpompen. Effluxpompen verwerven een breed scala aan substraatspecificiteiten en ook de enorme werkzaamheid voor extrusie van medicijnmoleculen buiten bacteriële cellen. Hinder in de werking van effluxpompen kan de bacteriedodende werking van conventionele antibiotica verjongen. Effluxpompen spelen ook een belangrijke rol bij het uitsluiten of opnemen van quorumgevoelige biomoleculen die verantwoordelijk zijn voor biofilmvorming in bacteriële cellen. Deze doorvoerbeweging van quorumgevoelige biomoleculen binnen of buiten de bacteriecellen kan worden onderbroken door de werking van effluxpompen te belemmeren. Metalen nanodeeltjes vormen een potentiële kandidaat om effluxpompen van bacteriële cellen te blokkeren. De toepassing van nanodeeltjes als effluxpompremmers zal niet alleen helpen om het bacteriedodende effect van conventionele antibiotica te doen herleven, maar zal ook helpen om de biofilmvormende capaciteit van microben te verminderen. Deze review richt zich op een nieuwe en fascinerende toepassing van metalen nanodeeltjes in synergie met conventionele antibiotica voor remming van de effluxpomp.

Recensie

De chronische infecties die met biofilms worden geïdentificeerd, zijn moeilijk uit te roeien omdat ze zowel antibiotica als het immuunsysteem van de gastheer kunnen weerstaan [1]. Biofilmbarrière is een van de belangrijkste redenen voor de conversie van acute naar chronische infecties [2]. Zoals aangegeven door het rapport van het nationale gezondheidsinstituut en het centrum voor ziektebestrijding, wordt ongeveer 65-80% ziekten veroorzaakt door biofilm-inducerende bacteriën, voornamelijk door Gram-negatieve bacteriën Pseudomonas aeruginosa en Escherichia coli en Gram-positieve bacterie Staphylococcus aureus [3]. Antibiotica lijken niet effectief te zijn bij de behandeling van infecties met de biofilm, vanwege hun beperkte vermogen om de biofilmwal te passeren en de beoogde bacteriële cellen uit te roeien [4]. Bovendien hebben bacteriën een uniek uitstroomsysteem ontwikkeld om giftige stoffen en afvalproducten buiten de bacteriecel af te voeren [5]. Efflux-pompen zijn membraangebonden transporteiwitten met een breed spectrum aan substraatspecificiteit en een enorme capaciteit om geneesmiddelen uit te sluiten [6].

Al deze ziekten die verband houden met de bezorgdheid over biofilm en effluxpompen, leiden tot de opkomst van multiresistente (MDR) bacteriën of uitgebreide geneesmiddelresistente (EDR) bacteriën; hierdoor zijn nanodeeltjes in combinatie met conventionele antibiotica voorgesteld als een alternatieve benadering om biofilm uit te roeien of te beschadigen en om MDR- of EDR-infecties te behandelen.

Deze nieuwe antimicrobiële stoffen, metalen nanodeeltjes, versterken niet alleen de antimicrobiële activiteit van bestaande antibiotica, maar doen ook hun bacteriedodende activiteit herleven. De synergetische toepassing van antibiotica en metalen nanodeeltjes vertoonde meer van hun potentiële antimicrobiële effect dan van hun individuele toepassing [7, 8]. Het gebruik van nanodeeltjes met antibiotica als anti-biofilm of effluxpompremmer is goed onderzocht en onderzocht [1, 9,10,11]. Metalen nanodeeltjes zijn op grote schaal gebruikt om infecties in menselijke cellijnen te behandelen vanwege hun lage cytotoxiciteit (concentratieafhankelijk), groot oppervlak en breedspectrum antibacteriële activiteit [12,13,14]. Bovendien vermindert de gecombineerde toepassing van metallische nanodeeltjes met een antibioticum hun concentratie als geneesmiddeldosering en vermindert daardoor de toxiciteit van beide middelen voor menselijke cellijnen [15]. Deze review benadrukt de synergetische toepassing van nanodeeltjes met antibiotica als anti-biofilm en effluxpompremmer waarnaar uitgebreid onderzoek is gedaan om infecties veroorzaakt door MDR- of EDR-pathogenen te bestrijden.

Nanodeeltjes als effluxpompremmers

Er zijn verschillende onderzoeken gedaan om het werkingsmechanisme van nanodeeltjes als bacteriedodend middel te bepalen. De verschillende punten over het mechanisme van remmende werking van nanodeeltjes op micro-organismen moeten echter nog worden opgelost. Een van de mogelijke mechanismen voor bacteriedodende activiteit van nanodeeltjes wordt toegeschreven aan de remming van effluxpompen. Banoe et al. in 2010 een nieuwe effluxpomp remmende rol van zinkoxide nanodeeltjes op NorA effluxpompen van S. aureus . Ze hebben een toename van 27 en 22% in de remmingszone voor ciprofloxacine ontdekt in de aanwezigheid van zinkoxide-nanodeeltjes in S. aureus en E. coli , respectievelijk [16]. Daarna, Padwal et al. in 2014 het concept van synergetisch gebruik van met polyacrylzuur gecoate ijzeroxide (magnetiet) nanodeeltjes (PAA-MNP) met rifampicine tegen Mycobacterium smegmatis met de nadruk op de effluxremmende rol van PAA-MNP. Ze hebben een fusie van PAA-MNP en rifampicine gebruikt in M. smegmatis wat resulteerde in een viervoudig hogere groeiremming in tegenstelling tot alleen rifampicine. Het kan worden verklaard door een drievoudig verhoogde accumulatie van antibiotica in bacteriële cellen, zoals is bewezen met realtime transportonderzoeken op een gemeenschappelijk effluxpompsubstraat, ethidiumbromide [17].

Er zijn twee mogelijke mechanismen beschikbaar waardoor metalen nanodeeltjes de werking van effluxpompen kunnen belemmeren. Een mogelijk mechanisme is de directe binding van metalen nanodeeltjes aan de actieve plaats van effluxpompen, waardoor de extrusie van antibiotica buiten de cellen wordt geblokkeerd. Metalen nanodeeltjes kunnen hierbij fungeren als een competitieve remmer van antibioticum voor de bindingsplaats van effluxpompen [18]. Een ander mogelijk mechanisme is de verstoring van de effluxkinetiek. Het effect van zilveren nanodeeltjes op verstoring van de effluxkinetiek van de MDR-effluxpomp, MexAM-OPrM, is al onderzocht in P. aeruginosa [19]. Er kan worden gesuggereerd dat metalen nanodeeltjes kunnen leiden tot beëindiging van de protongradiënt gevolgd door verstoring van het membraanpotentieel of verlies van proton-aandrijfkracht (PMF), wat resulteert in een verslechtering van de drijvende kracht die essentieel is voor de activiteit van de effluxpomp [18, 20, 21]. De belangrijkste beperking bij de directe binding van nanodeeltjes met effluxpompen is echter hun kleine formaat en reactiviteit. Bovendien kunnen nanodeeltjes zich ook binden met andere membraaneiwitten in plaats van alleen interactie aan te gaan met effluxpompen, en daardoor is de kans dat nanodeeltjes zich met name associëren met een effluxtransporteur elke keer tijdens de blootstelling beperkt.

Christena et al. heeft eerder in hun studies aangetoond met betrekking tot de effluxremmende rol van kopernanodeeltjes op de NorA-effluxpomp, deels door de vorming van Cu (II) -ionen uit kopernanodeeltjes. Dit gedeeltelijke effect rechtstreeks van koperen nanodeeltjes kan de directe interactie van nanodeeltjes met effluxpompen impliceren, wat de eerste hypothese ondersteunt, terwijl een gedeeltelijk effect als gevolg van het vrijkomen van Cu(II)-ionen zou kunnen wijzen op de verstoring van de membraanpotentiaal en de storende werking van effluxpompen, wat de de tweede hypothese [9]. Chatterjee et al. hebben ook het verlies van membraanpotentiaal van E. coli cellen van -185 tot -105 en -75 mV na het kweken van bacteriële cellen in de aanwezigheid van respectievelijk 3,0 en 7,5 μg/ml kopernanodeeltjes gedurende 1 uur [22]. Het expliciete mechanisme voor de effluxremmende rol van nanodeeltjes blijft een raadsel en vereist verder onderzoek.

Nanodeeltjes als anti-biofilmmiddel

Biofilm zorgt voor resistentie tegen bacteriën, maar dit verzet wordt versterkt als biofilm wordt geproduceerd door resistente bacteriën [23]. Talrijke onderzoeken hebben enorme mogelijkheden van metalen nanodeeltjes aangetoond om dikke biofilmbarrière te desintegreren door middel van verschillende werkingsmechanismen [24,25,26,27]. Het doordringende vermogen van metalen nanodeeltjes blijft altijd een nuttig kenmerk om ze in te zetten tegen biofilminfecties [28,29,30]. Deze unieke samensmelting van twee verschillende modaliteiten, nanodeeltjes en antibioticum, heeft een nieuwe manier gebaand voor de bestrijding van biofilmproducerende MDR- of EDR-bacteriën.

Een van de welsprekende onderzoeken werd uitgevoerd door Gurunathan et al. om het versterkte bacteriedodende en anti-biofilm effect van verschillende antibiotica met zilveren nanodeeltjes op te helderen. Symbiotisch gebruik van ampicilline en zilveren nanodeeltjes verhoogde de biofilmremming in Gram-negatieve en Gram-positieve bacteriën aanzienlijk met respectievelijk 70 en 55%, in tegenstelling tot ongeveer 20% biofilmremming na behandeling met alleen zilveren nanodeeltjes. Evenzo resulteert de gecombineerde toepassing van zilveren nanodeeltjes en vancomycine in 55 en 75% biofilmremming in respectievelijk Gram-negatieve en Gram-positieve bacteriën [10]. Deze resultaten suggereren het alternatieve gebruik van nanodeeltjes met antibiotica om biofilmremming te induceren, wat klinische mogelijkheden voor nieuwe therapie opent.

Een soortgelijk effect werd ook waargenomen voor koperen nanodeeltjes en zinkoxide nanodeeltjes die synergetisch met antibiotica werden gebruikt. Volgens deze studie toonde de unificatie van koperen nanodeeltjes en antibiotica een effectievere anti-biofilmactiviteit aan in tegenstelling tot de combinatie van zinkoxide nanodeeltjes en antibiotica in zowel Gram-positieve als Gram-negatieve bacteriën. Deze verhoogde remming met kopernanodeeltjes kan het gevolg zijn van extrusie van Cu(II)-ionen gegenereerd uit nanodeeltjes. Koper-nanodeeltjes en zinkoxide-nanodeeltjes in combinatie met een specifiek antibioticum hebben een verbeterd anti-biofilm-effect vertoond in de aanwezigheid van 2% glucose, wat verhoogde bindingsinteracties tussen metalen nanodeeltjes en antibiotica in de aanwezigheid van glucose aan het licht bracht [9]. Het coaten van metalen nanodeeltjes met koolhydraten kan de interactie tussen nanodeeltjes en cellen, cellulaire opname en cytotoxiciteit veranderen [31].

De alliantie tussen Efflux-systemen en Quorum Sensing

Effluxpompen spelen een belangrijke rol bij cel-naar-cel-signalering van biomoleculen om biofilmvorming te ondersteunen. Een waarschijnlijk mechanisme om resistentie tegen geneesmiddelen te bestrijden, is het gebruik van de effluxpompremmers om het quorumdetectiemechanisme te blokkeren, waardoor uiteindelijk de vorming van biofilm wordt belemmerd. Er zijn al verschillende onderzoeken uitgevoerd om de rol van effluxpompen in quorum sensing aan te tonen [23, 32,33,34,35,36,37,38,39]. De expliciete mechanistische relatie tussen effluxpompen en biofilmvorming is nog steeds niet volledig begrepen. Een haalbare rechtvaardiging zou de rol van effluxpompen kunnen zijn om kritieke componenten te extruderen die nodig zijn voor quorumdetectie. Dit functionele aspect is al in eerdere studies voorgesteld [40,41,42,43,44,45,46]. Verslechtering in de extrusie van signaalmolecuul door de toepassing van effluxpompremmers kan het proces van quorumdetectie of cel-tot-cel-signalering beïnvloeden [47, 48] (Fig. 1).

Gebruik van metalen nanodeeltjes als effluxpompremmer om extrusie van quorumgevoelige signaalmoleculen te belemmeren (rood gevulde cirkel ) buiten bacteriële cellen met behulp van metalen nanodeeltjes (gele gevulde cirkel ) om de afvoerpomp te blokkeren (gevulde cilinder ) resulterend in verminderde binding van signaalmolecuul aan zijn receptor (lege cilinder ) en belemmering bij biofilmvorming

Een andere haalbare rechtvaardiging zou de rol van effluxpompen kunnen zijn om giftige en afvalbijproducten buiten de cellen te exporteren. Snel metaboliserende cellen in de biofilm kunnen vertrouwen op het geleidende systeem om het schadelijke en afvalproduct te extruderen dat het resultaat is van verschillende biochemische activiteiten die plaatsvinden in bacteriële cellen [49]. Dit functionele aspect is ook voorgesteld in de studie van Kvist et al. in 2008 [50]. Het gebruik van effluxpompremmers om dit geleidende systeem te blokkeren, kan leiden tot een hogere aanwas van toxisch bijproduct in de bacteriële cellen, waardoor uiteindelijk de vorming van biofilm wordt verminderd (Fig. 2).

Gebruik van metalen nanodeeltjes als effluxpompremmer om extrusie van toxisch bijproduct van biochemische reacties te belemmeren (rood gevulde cirkel ) buiten bacteriële cellen met behulp van metalen nanodeeltjes (gele gevulde cirkel ) om de afvoerpomp te blokkeren (gevulde cilinder ) waardoor de vorming van biofilm wordt belemmerd

Sommige studies hebben ook gesuggereerd dat effluxpompen de cellulaire aggregatie beïnvloeden door celmembraaneigenschappen te transmuteren en uiteindelijk de vorming van biofilms te beïnvloeden [47]. Er zijn al tal van onderzoeken gedaan om het effect van nanodeeltjes in combinatie met antibiotica als verbeterd antibacterieel en anti-biofilm middel af te leiden. Tabel 1 bevat een samenvatting van deze onderzoeken.

Een van de recente onderzoeken is uitgevoerd door Barapatre et al., waarbij een verbeterde synergetische antibacteriële en anti-biofilmactiviteit van zilveren nanodeeltjes in combinatie met amikacine, kanamycine, oxytetracycline en streptomycine-antibioticum tegen Gram-positieve en Gram-negatieve bacteriën werd afgeleid. Centraliserend over groene chemie, werden zilveren nanodeeltjes gesynthetiseerd door de enzymatische reductie van zilvernitraat door twee lignine-afbrekende schimmels aan te grijpen, namelijk Aspergillus flavus en Emericella nidulans . Er werd gesuggereerd om nanodeeltjes te gebruiken als een sonde met conventionele antibiotica om de antibacteriële en anti-biofilmactiviteit tegen pathogene microben te vergroten [51]. Verstoring van de ATP-afhankelijke functie, zoals remming van de effluxpomp, is gemeld als een van de mogelijke mechanismen van het synergetische effect van antibiotica en metalen nanodeeltjes [52].

Een aantal rapporten heeft met succes het gebruik van nanodeeltjes aangetoond tegen twee verschillende mechanismen van bacteriële resistentie, namelijk MDR-effluxpompen en biofilmvorming, waardoor bacteriën de werking van conventionele antibiotica ontwijken. Deze review vertegenwoordigt een nieuwe en veelbelovende benadering om metallische nanodeeltjes in synergie met antibiotica te gebruiken als effluxpompremmer en anti-biofilmmiddel, beide om antibioticaresistentie te bestrijden.

Conclusies

In het huidige scenario is er een drang naar een innovatieve aanpak voor de bestrijding van MDR-infecties. Effluxpompen spelen een dubbele rol, de ene is om antibiotica te extruderen en de andere is om te helpen bij de vorming van biofilms door biomoleculen te verdrijven die belangrijk zijn voor quorumdetectie, wat uiteindelijk bijdraagt aan de virulentie van bacteriële pathogenen. De blokkering van MDR-effluxpompen door nanodeeltjes zal in beide richtingen nuttig zijn; het blokkeert de uitstroom van antibiotica buiten de bacteriecellen en vergroot daardoor het effect van conventionele antibiotica, en ook blokkeert het de uitstroom van quorumgevoelige biomoleculen en dus vermindert het de biofilmvormende capaciteit van bacteriële cellen. Deze benadering vermindert de noodzaak om nieuw onderzoek te doen naar nieuwe effluxpompremmer of nieuw antibioticum, maar stimuleert het gebruik van metalen nanodeeltjes (die worden gebruikt als een effluxpompremmer) in synergie met conventionele antibiotica. Het zal ook helpen bij het verminderen van de kosten, de tijd en het cytotoxiciteitsprobleem van nanodeeltjes in de menselijke cellijnen die een lagere concentratie van metalen nanodeeltjes kunnen verdragen. Het zou een nieuwe benadering zijn om effluxpompen te richten, quorumgevoelige signalen te verminderen om biofilmvorming te onderdrukken.

Toekomstperspectieven

Bacteriële evolutie heeft geresulteerd in de goedkeuring van verschillende mechanismen om het bacteriedodende effect van antibiotica en het immuunsysteem van de gastheer terug te draaien. Het leidt tot het ontstaan van multiresistente infecties, wat een weerspiegeling is van de dringende behoefte om nieuwe benaderingen te ontdekken voor de bestrijding van MDR- of XDR-infecties. Met de opkomst van antibioticaresistentie biedt symbiotisch gebruik van metalen nanodeeltjes met conventionele antibiotica een beter alternatief voor het gekibbel tegen antibioticaresistentie. De toepassing van nanodeeltjes als effluxpompremmers kan van groot belang zijn in twee verschillende richtingen, maar eindigend op één enkel resultaat, namelijk de bestrijding van bacteriële infecties. Het exacte werkingsmechanisme van nanodeeltjes om effluxpompen te blokkeren moet nog worden onderzocht. Het is waarschijnlijk dat verstoring van PMF een waarschijnlijk indirect mechanisme is waardoor nanodeeltjes de efflux kunnen remmen. Een van de grootste uitdagingen bij deze benadering is de reactiviteit van nanodeeltjes waardoor ze kunnen associëren met andere membraaneiwitten in plaats van met effluxtransporteiwitten. Dit kan worden ondervangen door gerichte nanodeeltjes te bereiden door ze te koppelen aan anti-efflux monoklonale antilichamen of lectines. Deze juiste remming zal ze kalibreren om zich op een bepaalde locatie te concentreren. Een andere grote uitdaging kan het toxiciteitsprobleem zijn, waarbij deze benadering wordt gebruikt vanwege de grote oppervlakte-tot-volumeverhouding van kleine nanodeeltjes die vóór de definitieve validatie moeten worden geoptimaliseerd.

De verbeterde foto-elektrochemische detectie van urinezuur op Au Nanodeeltjes gemodificeerde glasachtige koolstofelektrode Corrosiebestendigheid van nanopoeders van boriden en carbiden van IV–VIB-groepsmetalen in de nikkelelektrolyten

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal