Nanopartikel als Effluxpumpe und Biofilm-Inhibitor zur Verjüngung der bakteriziden Wirkung konventioneller Antibiotika

Rezension

Die mit Biofilmen identifizierten chronischen Infektionen sind schwer auszurotten, da sie sowohl Antibiotika als auch dem Immunsystem des Wirts widerstehen können [1]. Die Biofilmbarriere ist einer der Hauptgründe für die Umwandlung von akuten zu chronischen Infektionen [2]. Wie aus dem Bericht des National Institute of Health and Center of Disease Control hervorgeht, werden etwa 65–80% der Krankheiten durch Biofilm-induzierende Bakterien verursacht, hauptsächlich durch gramnegative Bakterien Pseudomonas aeruginosa und Escherichia coli und Gram-positives Bakterium Staphylococcus aureus [3]. Antibiotika haben sich bei der Behandlung von Infektionen mit Biofilm als unwirksam erwiesen, da sie nur begrenzt in der Lage sind, den Biofilmwall zu überwinden und die anvisierten Bakterienzellen zu vernichten [4]. Darüber hinaus haben Bakterien ein einzigartiges Efflux-System entwickelt, um giftige Substanzen und Abfallprodukte außerhalb der Bakterienzelle abzuleiten [5]. Effluxpumpen sind membrangebundene Transporterproteine ​​mit einem breiten Spektrum an Substratspezifität und immenser Wirkstoffausschlusskapazität [6].

Alle diese Krankheiten, die mit Biofilm- und Effluxpumpen verbunden sind, führen zur Entstehung von multiresistenten (MDR) oder extensiv resistenten (EDR) Bakterien; Aus diesem Grund wurden Nanopartikel in Verbindung mit herkömmlichen Antibiotika als alternativer Ansatz zur Beseitigung oder Schädigung von Biofilmen sowie zur Behandlung von MDR- oder EDR-Infektionen vorgeschlagen.

Diese neuen antimikrobiellen Mittel, metallische Nanopartikel, verstärken nicht nur die antimikrobielle Aktivität bestehender Antibiotika, sondern beleben auch ihre bakterizide Aktivität. Die synergistische Anwendung von Antibiotika und metallischen Nanopartikeln zeigte eher ihre potenzielle antimikrobielle Wirkung als ihre individuelle Anwendung [7, 8]. Die Verwendung von Nanopartikeln mit Antibiotika als Anti-Biofilm- oder Effluxpumpenhemmer ist gut untersucht und erforscht [1, 9,10,11]. Metallische Nanopartikel wurden aufgrund ihrer geringen Zytotoxizität (konzentrationsabhängig), ihrer großen Oberfläche und ihrer antibakteriellen Breitbandaktivität in großem Umfang zur Behandlung von Infektionen in menschlichen Zelllinien verwendet [12,13,14]. Darüber hinaus reduziert die kombinierte Anwendung von metallischen Nanopartikeln mit einem Antibiotikum deren Konzentration als Wirkstoffdosis und verringert damit die Toxizität beider Wirkstoffe gegenüber menschlichen Zelllinien [15]. Diese Übersicht hebt die synergistische Anwendung von Nanopartikeln mit Antibiotika als Anti-Biofilm- und Effluxpumpenhemmer hervor, an der umfangreiche Forschungen zur Bekämpfung von Infektionen durchgeführt wurden, die durch MDR- oder EDR-Erreger verursacht werden.

Nanopartikel als Efflux-Pump-Inhibitoren

Es wurden verschiedene Studien durchgeführt, um die Wirkungsweise von Nanopartikeln als bakterizides Mittel zu bestimmen. Die verschiedenen Punkte zum Mechanismus der Hemmwirkung von Nanopartikeln auf Mikroorganismen müssen jedoch noch geklärt werden. Einer der möglichen Mechanismen für die bakterizide Aktivität von Nanopartikeln wird der Hemmung von Effluxpumpen zugeschrieben. Banoee et al. im Jahr 2010 eine neuartige Effluxpumpen-hemmende Rolle von Zinkoxid-Nanopartikeln auf NorA-Effluxpumpen von S. aureus . Sie haben eine Zunahme der Hemmzone von Ciprofloxacin um 27 bzw. 22 % in Gegenwart von Zinkoxid-Nanopartikeln in S. aureus und E. coli , bzw. [16]. Danach haben Padwal et al. im Jahr 2014 das Konzept der synergistischen Verwendung von polyacrylsäurebeschichteten Eisenoxid-(Magnetit-)Nanopartikeln (PAA-MNP) mit Rifampicin gegen Mycobacterium smegmatis vorschlagen mit Betonung auf die Efflux-hemmende Rolle von PAA-MNP. Sie haben eine Fusion von PAA-MNP und Rifampicin bei M. smegmatis was im Gegensatz zu Rifampicin allein zu einer vierfach höheren Wachstumshemmung führte. Dies kann durch eine dreifach erhöhte Akkumulation von Antibiotika in Bakterienzellen erklärt werden, wie durch Echtzeit-Transportstudien an einem üblichen Effluxpumpensubstrat, Ethidiumbromid, nachgewiesen wurde [17].

Es gibt zwei mögliche Mechanismen, durch die Metallnanopartikel die Arbeit von Effluxpumpen behindern können. Ein möglicher Mechanismus ist die direkte Bindung von Metallnanopartikeln an das aktive Zentrum von Effluxpumpen, wodurch die Extrusion von Antibiotika aus den Zellen blockiert wird. Metallnanopartikel können hier als kompetitiver Inhibitor des Antibiotikums für die Bindungsstelle von Effluxpumpen wirken [18]. Ein anderer möglicher Mechanismus ist die Unterbrechung der Efflux-Kinetik. Die Wirkung von Silbernanopartikeln zur Störung der Effluxkinetik der MDR Effluxpumpe MexAM-OPrM wurde bereits in P. aeruginosa [19]. Es kann vermutet werden, dass Metallnanopartikel zur Beendigung des Protonengradienten führen können, gefolgt von einer Unterbrechung des Membranpotentials oder einem Verlust der Protonenantriebskraft (PMF), was zu einer Verschlechterung der für die Effluxpumpenaktivität wesentlichen Triebkraft führt [18, 20, 21]. Die größte Einschränkung bei der direkten Bindung von Nanopartikeln mit Effluxpumpen ist jedoch ihre geringe Größe und Reaktivität. Darüber hinaus können Nanopartikel auch an andere Membranproteine ​​binden, anstatt einfach nur mit Effluxpumpen zu interagieren, und aus diesem Grund ist die Wahrscheinlichkeit, dass Nanopartikel jedes Mal während der Exposition insbesondere mit einem Effluxtransporter assoziieren, begrenzt.

Christenaet al. haben früher in ihren Studien die effluxhemmende Rolle von Kupfernanopartikeln bei der NorA-Effluxpumpe gezeigt, teilweise aufgrund der Erzeugung von Cu(II)-Ionen aus Kupfernanopartikeln. Dieser Teileffekt direkt von Kupfernanopartikeln könnte die direkte Wechselwirkung von Nanopartikeln mit Effluxpumpen implizieren, was die erste Hypothese unterstützt, während ein Teileffekt aufgrund der Freisetzung von Cu(II)-Ionen auf die Unterbrechung des Membranpotentials und die Störung der Funktion der Effluxpumpen hinweisen könnte, was unterstützt die zweite Hypothese [9]. Chatterjeeet al. haben auch den Verlust des Membranpotentials von E. coli Zellen von –185 bis –105 und –75 mV nach Wachstum von Bakterienzellen in Gegenwart von 3,0 bzw. 7,5 μg/ml Kupfer-Nanopartikeln für 1 h [22]. Der explizite Mechanismus für die Efflux-hemmende Rolle von Nanopartikeln bleibt immer noch rätselhaft und bedarf weiterer Forschung.

Nanopartikel als Anti-Biofilm-Wirkstoff

Biofilm bietet Resistenz gegen Bakterien, aber dieser Widerstand wird verstärkt, wenn Biofilm von arzneimittelresistenten Bakterien produziert wird [23]. Zahlreiche Studien haben die enorme Fähigkeit von Metallnanopartikeln gezeigt, dicke Biofilmbarrieren durch die verschiedenen Wirkungsweisen aufzulösen [24,25,26,27]. Die Durchschlagskraft metallischer Nanopartikel bleibt immer ein nützliches Merkmal, um sie gegen Biofilminfektionen einzusetzen [28,29,30]. Diese einzigartige Kombination aus zwei verschiedenen Modalitäten, Nanopartikeln und Antibiotika, ebnete einen neuen Weg zur Bekämpfung von Biofilm-produzierenden MDR- oder EDR-Bakterien.

Eine der beredten Studien wurde von Gurunathan et al. um die verstärkte bakterizide und Anti-Biofilm-Wirkung verschiedener Antibiotika mit Silber-Nanopartikeln aufzuklären. Die symbiotische Anwendung von Ampicillin und Silbernanopartikeln erhöhte die Biofilmhemmung bei Gram-negativen und Gram-positiven Bakterien um 70 bzw. 55 % im Gegensatz zu einer Biofilm-Hemmung von etwa 20 % nach alleiniger Behandlung mit Silbernanopartikeln. In ähnlicher Weise führt die kombinierte Anwendung von Silbernanopartikeln und Vancomycin zu einer 55 bzw. 75 % Biofilm-Hemmung bei Gram-negativen bzw. Gram-positiven Bakterien [10]. Diese Ergebnisse legen die alternative Verwendung von Nanopartikeln mit Antibiotika nahe, um eine Biofilm-Hemmung zu induzieren, was klinische Möglichkeiten einer neuartigen Therapie eröffnet.

Ein ähnlicher Effekt wurde auch für Kupfer-Nanopartikel und Zinkoxid-Nanopartikel beobachtet, die synergistisch mit Antibiotika verwendet wurden. Laut dieser Studie zeigte die Vereinigung von Kupfer-Nanopartikeln und Antibiotika eine wirksamere Anti-Biofilm-Aktivität im Gegensatz zur Kombination von Zinkoxid-Nanopartikeln und Antibiotika sowohl bei grampositiven als auch bei gramnegativen Bakterien. Diese erhöhte Hemmung mit Kupfernanopartikeln kann auf die Extrusion von Cu(II)-Ionen zurückzuführen sein, die aus Nanopartikeln erzeugt werden. Kupfer-Nanopartikel und Zinkoxid-Nanopartikel, die mit einem spezifischen Antibiotikum gekoppelt sind, zeigten in Gegenwart von 2% Glukose eine verstärkte Anti-Biofilm-Wirkung, was erhöhte Bindungswechselwirkungen zwischen metallischen Nanopartikeln und Antibiotikum in Gegenwart von Glukose zeigt [9]. Die Beschichtung von Metallnanopartikeln mit Kohlenhydraten kann die Nanopartikel-Zell-Interaktion, die Zellaufnahme und Zytotoxizität transmogrifizieren [31].

Die Allianz zwischen Efflux-Systemen und Quorum Sensing

Effluxpumpen spielen eine wichtige Rolle bei der Signalübertragung von Biomolekülen von Zelle zu Zelle, um die Bildung von Biofilmen zu unterstützen. Ein wahrscheinlicher Mechanismus zur Bekämpfung von Arzneimittelresistenzen besteht darin, Effluxpumpenhemmer einzusetzen, um den Quorum-Sensing-Mechanismus zu blockieren, was letztendlich die Bildung von Biofilmen verhindert. Es wurden bereits mehrere Studien durchgeführt, um die Rolle von Effluxpumpen beim Quorum Sensing zu zeigen [23, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39]. Der explizite mechanistische Zusammenhang zwischen Effluxpumpen und Biofilmbildung ist noch nicht vollständig verstanden. Eine praktikable Begründung könnte die Rolle von Efflux-Pumpen beim Extrudieren kritischer Komponenten sein, die für das Quorum-Sensing erforderlich sind. Dieser funktionelle Aspekt wurde bereits in früheren Studien vorgeschlagen [40,41,42,43,44,45,46]. Eine Beeinträchtigung der Extrusion von Signalmolekülen durch die Anwendung von Effluxpumpenhemmern kann den Prozess des Quorum Sensing oder der Cell-to-Cell-Signalgebung beeinflussen [47, 48] (Abb. 1).

Verwendung von Metall-Nanopartikeln als Efflux-Pumpen-Inhibitor, um die Extrusion von Quorum-sensing-Signalmolekülen zu verhindern (rot ausgefüllter Kreis ) außerhalb von Bakterienzellen mit Hilfe von Metall-Nanopartikeln (gelb gefüllter Kreis ) um die Abflusspumpe zu blockieren (gefüllter Zylinder ), was zu einer verringerten Bindung des Signalmoleküls an seinen Rezeptor führt (leerer Zylinder ) und Behinderung der Biofilmbildung

Eine weitere praktikable Begründung könnte die Rolle von Efflux-Pumpen sein, giftige Nebenprodukte und Abfallprodukte außerhalb der Zellen zu exportieren. Schnell metabolisierende Zellen im Biofilm können sich auf das leitfähige System verlassen, um die schädlichen und Abfallnebenprodukte auszutreiben, die aus verschiedenen biochemischen Aktivitäten resultieren, die in Bakterienzellen stattfinden [49]. Dieser funktionelle Aspekt wurde auch in der Studie von Kvist et al. 2008 [50]. Der Einsatz von Effluxpumpenhemmern zur Blockierung dieses leitfähigen Systems kann zu einer stärkeren Ansammlung toxischer Nebenprodukte in den Bakterienzellen führen, was letztendlich die Bildung von Biofilmen reduziert (Abb. 2).

Verwendung von Metallnanopartikeln als Effluxpumpenhemmer, um die Extrusion toxischer Nebenprodukte biochemischer Reaktionen zu verhindern (rot ausgefüllter Kreis ) außerhalb von Bakterienzellen mit Hilfe von Metall-Nanopartikeln (gelb gefüllter Kreis ) um die Abflusspumpe zu blockieren (gefüllter Zylinder ), was zu einer Behinderung der Biofilmbildung führt

Einige Studien haben auch darauf hingewiesen, dass Effluxpumpen die Zellaggregation beeinträchtigen, indem sie die Eigenschaften der Zellmembranen verändern und letztendlich die Biofilmbildung beeinflussen [47]. Es wurden bereits zahlreiche Studien durchgeführt, um die Wirkung von Nanopartikeln in Kombination mit Antibiotika als verbessertes antibakterielles und Antibiofilmmittel abzuleiten. Tabelle 1 enthält eine Zusammenfassung dieser Studien.

Eine der jüngsten Studien wurde von Barapatre et al. durchgeführt, die eine verstärkte synergistische antibakterielle und Anti-Biofilm-Aktivität von Silbernanopartikeln in Kombination mit Amikacin, Kanamycin, Oxytetracyclin und Streptomycin-Antibiotikum gegen grampositive und gramnegative Bakterien ableitet. Im Vordergrund der grünen Chemie wurden Silber-Nanopartikel durch die enzymatische Reduktion von Silbernitrat synthetisiert, indem zwei Lignin-abbauende Pilze, nämlich Aspergillus flavus engaging, angegriffen wurden und Emericella nidulans . Es wurde vorgeschlagen, Nanopartikel als Sonde mit herkömmlichen Antibiotika zu verwenden, um die antibakterielle und Anti-Biofilm-Aktivität gegen pathogene Mikroben zu verstärken [51]. Eine Störung der ATP-abhängigen Funktion wie die Hemmung der Effluxpumpe wurde als einer der möglichen Mechanismen der synergistischen Wirkung von Antibiotika und metallischen Nanopartikeln beschrieben [52].

Eine Reihe von Berichten hat erfolgreich den Einsatz von Nanopartikeln gegen zwei verschiedene Mechanismen der bakteriellen Resistenz gezeigt, nämlich MDR-Effluxpumpen und Biofilmbildung, durch die Bakterien der Wirkung konventioneller Antibiotika entgehen. Dieser Review stellt einen neuen und vielversprechenden Ansatz dar, metallische Nanopartikel in Synergie mit Antibiotika als Effluxpumpenhemmer und Antibiofilm-Wirkstoff einzusetzen, um Antibiotikaresistenzen zu bekämpfen.

Schlussfolgerungen

Im aktuellen Szenario besteht ein Bedarf an einem innovativen Ansatz zur Kontrolle von MDR-Infektionen. Efflux-Pumpen spielen eine Doppelrolle:Eine besteht darin, Antibiotika zu extrudieren, und die andere besteht darin, die Biofilmbildung durch das Austreiben von Biomolekülen zu unterstützen, die für das Quorum-Sensing wichtig sind, und tragen letztendlich zur Virulenz bakterieller Krankheitserreger bei. Die Blockierung von MDR-Effluxpumpen durch Nanopartikel wird in beide Richtungen hilfreich sein; es blockiert den Efflux von Antibiotika außerhalb der Bakterienzellen und verstärkt somit die Wirkung konventioneller Antibiotika, und es blockiert auch den Efflux von Quorum-sensing Biomolekülen und verringert somit die Biofilmbildungskapazität von Bakterienzellen. Dieser Ansatz verringert die Notwendigkeit, neue Forschungen durchzuführen, um einen neuen Effluxpumpenhemmer oder ein neues Antibiotikum zu untersuchen, fördert jedoch die Verwendung von Metallnanopartikeln (die als Effluxpumpenhemmer eingesetzt werden) in Synergie mit herkömmlichen Antibiotika. Es wird auch dazu beitragen, die Kosten, den Zeitaufwand und das Zytotoxizitätsproblem von Nanopartikeln in menschlichen Zelllinien zu reduzieren, die eine geringere Konzentration an metallischen Nanopartikeln aushalten können. Es wäre ein neuartiger Ansatz, um Efflux-Pumpen anzusprechen und Quorum-Sensing-Signale zu reduzieren, um die Biofilmbildung zu unterdrücken.

Zukünftige Perspektiven

Die bakterielle Evolution hat zur Annahme verschiedener Mechanismen geführt, um die bakterizide Wirkung von Antibiotika und des Immunsystems des Wirts umzukehren. Dies führt zur Entstehung multiresistenter Infektionen, was die dringende Notwendigkeit widerspiegelt, neue Ansätze zur Bekämpfung von MDR- oder XDR-Infektionen zu entdecken. Mit dem Aufkommen von Antibiotikaresistenzen bietet die symbiotische Verwendung von metallischen Nanopartikeln mit herkömmlichen Antibiotika eine bessere Alternative zum Kampf gegen Antibiotikaresistenzen. Die Anwendung von Nanopartikeln als Effluxpumpenhemmer kann in zwei verschiedene Richtungen von großer Bedeutung sein, aber mit einem einzigen Ergebnis enden, d. h. zur Bekämpfung von bakteriellen Infektionen. Der genaue Wirkmechanismus von Nanopartikeln zur Blockierung von Effluxpumpen muss noch untersucht werden. Es ist wahrscheinlich, dass die Störung von PMF ein wahrscheinlicher indirekter Mechanismus sein könnte, durch den Nanopartikel den Efflux hemmen könnten. Eine der größten Herausforderungen bei diesem Ansatz ist die Reaktivität von Nanopartikeln, die dazu führen kann, dass sie sich eher mit anderen Membranproteinen als mit Efflux-Transporterproteinen assoziieren. Dies kann überwunden werden, indem gezielte Nanopartikel hergestellt werden, indem sie mit monoklonalen Anti-Efflux-Antikörpern oder Lektinen verknüpft werden. Diese geeignete Hemmung kalibriert sie für die Fokussierung auf ein bestimmtes Gebietsschema. Eine weitere erhebliche Herausforderung kann das Toxizitätsproblem bei diesem Ansatz sein, da das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen kleiner Nanopartikel groß ist und vor der endgültigen Validierung optimiert werden sollte.