Ингибирование бактериального кворум сенсинга (общие представления)

Теоретична медицина / Theoretical Medicine

УДК579.61+616-078 DOI: 10.22141/2224-0551.14.1.2019.157881

Абатуров А.Е.1, Крючко Т.А.2

1ГУ «Днепропетровская медицинская академия МЗ Украины», г. Днепр, Украина 2Украинская медицинская стоматологическая академия, г. Полтава, Украина

Ингибирование бактериального кворум сенсинга

For cite: Zdorov'e Rebenka. 2019;14(1):54-59. doi: 10.22141/2224-0551.14.1.2019.157881

Резюме. В научном обзоре изложены современные данные, характеризующие основные положения о функционировании механизма кворум сенсинга в системе межбактериальных коммуникаций. Представлена общая характеристика различных соединений, обладающих подавляющим влиянием на кворум сенсинг. Подчеркнуто, что по механизму ингибиторы кворум сенсинга представляют три функциональные группы: 1) группа веществ, подавляющих активность аутоиндукторных синтаз; 2) группа веществ, блокирующих аутоиндукторные рецепторы; 3) группа веществ, нарушающих взаимодействие аутоин-дукторов с их специфическим рецептором.

Ключевые слова: кворум сенсинг; ингибиторы кворум сенсинга; обзор

Введение

Одним из важнейших механизмов межбактериальной коммуникации является кворум сенсинг (quorum sensing — QS), который лежит в основе сложного социального поведения бактерий [2]. Бактерии, находясь в планктонном состоянии, продуцируют широкий спектр различных биологических веществ, в том числе и продукты, участвующие в передаче сигналов от бактерии к бактерии. Достигая определенной концентрации, молекулярные мессенджеры QS изменяют активность определенных бактериальных генов, предопределяя формирование оседлого образа жизни бактериальной колонии в виде биопленки [27]. Бактерии, локализованные под кожухом биопленки, защищены от действия антимикробных пептидов и антибактериальных веществ, что позволяет им сохраняться в инфицированном организме. Па-тоген-ассоциированные молекулярные структуры бактерий не взаимодействуют с образ-распознаю-щими рецепторами и не индуцируют механизмы защиты макроорганизма [1]. Активация бактерий

биопленки приводит к развитию рецидива острого инфекционного процесса. Полагают, что в основе большинства рецидивирующих инфекцион-но-воспалительных заболеваний лежит развитие патологической бактериальной биопленки. Лекарственные средства, препятствующие формированию биопленки патологическими бактериями, могут предотвратить рецидивирование и хронизацию данных заболеваний.

Бактериальные системы кворум сенсинга

Передача сигналов от бактерии к бактерии осуществляется путем продукции небольших диффундирующих сигнальных молекул (аутоиндукторов) различных химических классов грамотрицатель-ных, грамположительных бактерий. В настоящее время идентифицировано более 50 молекул межбактериальной коммуникации: аутоиндукто-ры-1 (1 autoinducer — AI-1), также известные как N-ацилгомосериновые лактоны (acyl-homoserine lactones — AHL) грамотрицательных бактерий;

© «Здоров'я дитини» / «Здоровье ребенка» / «Child's Health» (<idorov'e rebenka»), 2019 © Видавець Заславський О.Ю. / Издатель Заславский А.Ю. / Publisher Zaslavsky O.Yu., 2019

Для корреспонденции: Абатуров Александр Евгеньевич, доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой педиатрии 1 и медицинской генетики; ГУ «Днепропетровская медицинская академия МЗ Украины», ул. Вернадского, 9, г. Днепр, 49044, Украина; e-mail: alexabaturov@i.ua

For correspondence: Oleksandr Abaturov, MD, PhD, Professor, Head of the Department of pediatrics 1 and medical genetics, State Institution "Dnipropetrovsk Medical Academy of the Ministry of Health of Ukraine', Vernadsky st., 9, Dnipro, 49044, Ukraine; e-mail: alexabaturov@i.ua

аутоиндуктор-2 (2 autoinducer — AI-2) грамположительных бактерий; молекулы фурана — как грам-отрицательных, так и грамположительных бактерий (фуранозилборат); хинолоновый сигнал бактерий Pseudomonas (Pseudomonas quinolone signal — PQS), олигопептиды (пептиды, состоящие из 5—10 аминокислотных остатков; циклический тиолактон), известные как аутоиндукторные пептиды (autoinducer peptides — AIP); короткоцепочечные ненасыщенные жирные кислоты с цис-конфигурацией. Находясь в планктонной форме, бактерии постоянно продуцируют QS-ассоциированные сигнальные молекулы, но в небольшом количестве. Возбуждение систем QS приводит к усиленной продукции аутоиндукторов. Увеличение плотности бактериальной колонии и усиление продукции аутоин-дукторов сопровождаются повышением уровня концентрации данных сигнальных молекул. После

Рисунок 1. Функционирование QS-систем у грамположительных (А) и грамотрицательных бактерий (Б) Примечание: модель рецептора LuxPQ Amanda Hurley и Bonnie L. Bassler [13].

достижения порогового уровня содержания ауто-индукторов в окружающей среде их QS-молекулы, взаимодействуя с бактериальными специфическими рецепторами, вызывают скоординированное изменение экспрессии генов в бактериальной популяции [10, 12, 19].

Необходимо отметить, что различные бактерии оснащены разными по устройству QS-системами. Некоторые особенности QS-систем грамположи-тельных и грамотрицательных бактерий представлены на рис. 1 [3, 22].

Повышение экспрессии QS-ассоциированных генов приводит к продукции факторов вирулентности, адгезии бактерий к поверхности слизистых оболочек и формированию патологической биопленки (табл. 1).

Поверхностно-ассоциированные микробные кооперации, получившие название «биопленка»,

являются примером пространственно структурированной бактериальной колонии, жизнь которой защищена физическими и химическими барьерами.

Лекарственные

средства,

подавляющие

развитие

активности

механизмов

бактериального

кворум сенсинга

Система QS участвует в регуляции активности синтеза бактериальных факторов вирулентности, систем транспорта T3SS, T6SS и в формировании бактериальной биопленки, определяя уровень па-тогенности бактерий. Таким образом, медикаментозное нарушение функционирования системы QS представляет собой эффективный способ ингибиро-вания вирулентности патогенов, снижения уровня выживаемости патогенных бактерий в макроорганизме. Среди многочисленных молекул, подавляющих систему QS, различают ингибиторы QS и антивирулентные агенты [9,

21]. Ингибиторами QS считают вещества, которые непосредственно ингибируют активность ферментов, участвующих в продукции автоиндукторов, или рецепторов автоиндукторов. Антивирулентные агенты представляют собой соединения, которые ингибируют активность бактериальных факторов вирулентности или проявление вирулентно-ассоциированных фенотипов бактерий [26].

Ингибиторы кворум сенсинга

Ингибиторы кворум сенсинга (quorum sensing inhibitors — QSI) являются наиболее изученной группой препаратов альтернативной антимикробной терапии, которая, вероятно, будет использована для преодоления проблемы толерантности бактериальных патогенов к антибиотикам. Некоторые естественные и синтетические QSI приведены в табл. 2 [9].

Таблица 1. Бактериальные вирулентные факторы, контролируемые регуляторными протеинами систем QS (на примере патогенных аквакультур) [28]

Бактерии Регуляторные протеины или сигнальные молекулы Бактериальные вирулентные факторы и патогенные процессы

Vibrio harveyi LuxS/AI-2, LuxM/AHL Внеклеточный токсин Т, металлопротеаза Т, белок T3SS хити-наза 1

LUXo Казеиназа Т, желатиназа Т, фосфолипаза vhp металлопротеи-наза 1

AI-2 Гемолизин Т

Vibrio anguillarum RpoS, VanT (гомолог LuxR) Внеклеточная протеаза (EmpA и PrtV) Т, гемолизиновый сывороточный белок (Hcp) 1

Vibrio vulnificus SmcR (гомолог LuxR) Протеаза Т, цитолизин (VvhA) биопленка Т

LuxS/AI-2 Протеаза (VvpE) Т, гемолизин (VvhA) 1

LuxS, SmcR Zn-зависимая протеаза Т, фосфоманномутаза Т

LuxO (подавляет SmcR) Цитотоксины VvhA и RtxAl Т

Vibrio parahaemolyticus OpaR (гомолог LuxR) T3SS -1, T6SS1 -1, T6SS2Т

Vibrio mimicus Luxo Гомолог Protease 1

Vibrio alginolyticus Гомолог LuxR Полная внеклеточная протеазная активность (особенно внеклеточная щелочная сериновая протеаза A) Т, внеклеточный полисахарид Т, гемолизиновый сывороточный белок (Hcpl) 1

Гомолог LuxO Экстрацеллюлярная протеаза гемолитические продукты продукция сидерофоров Т, фактор вирулентности MviN гемолизин Т

LuxT Внеклеточная протеаза Т

LuxS Протеаза Т, внеклеточный полисахарид формирование биопленки 1

Hfq Подвижность Т, формирование биопленки Т, стрессовая резистентность Т, RpoS Т, щелочная сериновая протеаза Asp LuxR 1

Aeromonas hydrophila AHL Формирование биопленки Т

AhyR Протеазы Т, амилаза Т, ДНКаза Т, гемолизин Т, S-слой Т

Ahyl Формирование биопленки Т

Ahyl, AhyR T6SS-ассоциированные эффекторы (гемолизиновый сывороточный белок и валин-глицин-повторное семейство белков) протеаза биопленка 1

Aeromonas salmonicida Asal Протеаза AsaPl Т, цитотоксический фактор Т

Edwardsiella tarda EdwI Флагеллин FliC 1

LuxS T3SS Т, формирование биопленки Т, сериновая протеаза (DegPEt) Т

RPOS LuxS EdwI формирование биопленки 1

QseC Гемагглютинация Т, элементы T3SS EseB и EsaC Т, жгутиковая подвижность Т

QseB Гемагглютинация жгутиковая подвижность Т, элементы T3SS EseBи EsaCТ

Основными химическими группами РБ1 являются: фураноны и их родственные структурные аналоги [8, 20], висмутовые комплексы порфиринов [11], гликозилированные флавоноиды (изоориен-тин, ориентин, изовитексин, витексин и рутин) [4], гликомонотерпенолы [18], тяжелые металлы [24], наноматериалы [23].

Необходимо отметить, что глюкокортикоиды обладают выраженным противобиопленочным действием. Известно, что формирование биопленки яв-

Рисунок 2. Действие природных соединений QQ, подавляющих AHL [6] Примечание: А — возможные точки взаимодействия соединений QQ и молекул N-ацил-гомосерин-лактонов; Б — соответствующий механизм деградации ферментами qQ.

ляется постоянным механизмом патогенеза хронического риносинусита у лиц с полипозом слизистой оболочки полости носа. Интраназальное применение кортикостероидов и солевого раствора является возможным вариантом профилактики и лечения хронического бактериально-ассоциированного ри-носинусита. Использование инстилляций флути-казона, мометазона, изотонического и гипертонического раствора в носовую полость предотвращает образование биопленки бактериальными штаммами в 66, 50, 84 и 38 % случаев соответственно. Наиболее чувствительными к лечению глюкокортикоидами являются биопленки, организованные бактериями Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa [7].

В настоящее время синтезировано множество различных соединений, обладающих подавляющим влиянием на активность функционирования QS-систем:

1) ингибиторы ауто-индукторных синтаз;

2) ингибиторы ауто-индукторных рецепторов; 3) вещества, нарушающие взаимодействие аутоиндук-торов с их специфическим рецептором [16].

Таблица 2. Естественные и синтетические ингибиторы кворум сенсинга [9]

Агент Целевая бактерия Молекулярная мишень

Природные соединения

Аджоен Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus Малые регуляторные РНК, ингибиру-ющие

Лимоноиды цитрусовых Vibrio harveyi Сигнальные молекулы трансдукции

Флавоноиды Pseudomonas aeruginosa AHL-рецептор

Индол-3-уксусная кислота Vibrio harveyi

Нарингенин Pseudomonas aeruginosa Синтаза AHL

Синтетические соединения

Бромированные тиофенолы Vibrio harveyi Сигнальные молекулы трансдукции

Тиазолидиндионы и диоксазабобораны Vibrio harveyi Рецептор AI-2

3-ацилпиррол Vibrio cholera Рецептор CAI-1

Лактоназа Bacillus sp. QSI-1, Aeromonas hydrophila Молекулы сигналов AHL

Модифицированная ацилаза PvdQ Burkholderia cenocepacia Сигнальные молекулы AHL

Антитела MAb HSL-2 и HSL-4 Pseudomonas aeruginosa Сигнальные молекулы AHL

Антивирулентные агенты

Другим медикаментозным направлением лечения бактериальных инфекций, связанных с формированием биопленки, является ингибирование активности аутоиндукторов и деградация их молекул [5].

Считают, что использование соединений, нарушающих функционирование аутоиндукторов за счет подавления активности или деградации молекул аутоиндукторов, может стать новой стратегией предотвращения формирования биопленки [15]. Известными примерами природных соединений QQ, деградирующих AHL, являются: 1) AHL-лактоназы, гидролизующие сложноэфирную связь гомосеринлактонового кольца (homoserine lactone — HL), инактивируя сигнальную молекулу; 2) AHL-ацилазы, инактивирующие сигналы AHL за счет расщепления их амидной связи; 3) AHL-оксиредуктазы (рис. 2) [6, 14, 15, 17]. Из соединений QQ, подавляющих активность AI-2, — антагонисты AI-2 [25].

Nancy Weiland-Bräuer и соавторы [25] идентифицировали соединение QQ-2, которое одинаково эффективно нарушает функционирование как AHL, так и AI-2. Данное соединение оказывает самое выраженное ингибирующее действие на образование биопленки грамположительными бактериями. Ферменты QQ индуцируют снижение активности вирулентности микроорганизмов, не способствуя развитию резистентности. Применение ферментов QQ совместно с антибиотиками может представлять собой новое направление терапии респираторных инфекционных заболеваний, вызванных различными бактериями.

Выводы

За последние два десятилетия радикально изменились представления об организации и функционировании межбактериальной коммуникационной системы, что позволило разработать новые лекарственные средства, нарушающие продукцию и рецепцию сигнальных аутоиндукторных молекул. Michael A. Welsh и Helen E. Blackwell [26] полагают, что создание ингибиторов синтаз аутоиндукторов и блокаторов аутоиндукторных рецепторов откроет новые подходы к решению вопроса лечения рецидивирующих бактериальных инфекций, вызванных антибиотикорезистентными биопленкообразующими бактериями.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии какого-либо конфликта интересов при подготовке данной статьи.

References

l. AbaturovAE, Volosovets AP, Yulish YeI. Role of toll-like receptors in recognition of pathogen-associated molecular structures of infectious pathogen agents and development of inflammation. Part 1. The family of TLR. Zdorov'e rebenka. 2012;(40):116-121.

2. Abisado RG, Benomar S, Klaus JR, Dandekar AA, Chandler JR. Bacterial Quorum Sensing and Microbial Community Interactions. MBio. 2018 May 22;9(3). pii: e02331-17. doi: 10.1128/mBio.02331-17.

3. Banerjee G, Ray AK. Quorum-sensing network-associated gene regulation in Gram-positive bacteria. Acta Microbiol Immunol Hung. 2017 Dec 1;64(4):439-453. doi: 10.1556/030.64.2017.040.

4. Brango-Vanegas J, Costa GM, Ortmann CF, et al. Glycosylflavo-noids from Cecropia pachystachya Trécul are quorum sensing inhibitors. Phyto-medicine. 2014Apr 15;21(5):670-5. doi: 10.1016j.phymed.2014.01.001.

5. Castillo-Juárez I, Maeda T, Mandujano-Tinoco EA, et al. Role of quorum sensing in bacterial infections. World J Clin Cases. 2015 Jul 16;3(7):575-98. doi: 10.12998/wjcc.v3.i7.575.

6. Chen F, Gao Y Chen X, Yu Z, Li X. Quorum quenching enzymes and their application in degrading signal molecules to block quorum sensing-dependent infection. Int J Mol Sci. 2013 Aug 26;14(9):17477-500. doi: 10.3390/ ijms140917477.

7. Cirkovic I, Pavlovic B, Bozic DD, Jotic A, Bakic L, Milovanovic J. Antibiofilm effects of topical corticosteroids and intranasal saline in patients with chronic rhinosinusitis with nasal polyps depend on bacterial species and their biofilm-forming capacity. Eur Arch Otorhinolaryngol. 2017 Apr;274(4):1897-1903. doi: 10.1007/s00405-017-4454-6.

8. de Nys R, Givskov M, Kumar N, Kjelleberg S, Steinberg PD. Furanones. Prog Mol Subcell Biol. 2006;42:55-86.

9. Defoirdt T. Quorum-Sensing Systems as Targets for Antivirulence Therapy. Trends Microbiol. 2018 Apr;26(4):313-328. doi: 10.1016/j. tim.2017.10.005.

10. Du Y, Li T, Wan Y Long Q, Liao P. Signal molecule-dependent quorum-sensing and quorum-quenching enzymes in bacteria. Crit Rev Eukaryot GeneExpr. 2014;24(2):117-32.

11. Galkin M, Ivanitsia V, Ishkov Y, Galkin B, Filipova T. Characteristics of the Pseudomonas aeruginosa PA01 Intercellular Signaling Pathway (Quorum Sensing) Functioning in Presence of Porphyrins Bismuth Complexes. Pol J Microbiol. 2015;64(2):101-6.

12. Giaouris E, Heir E, Desvaux M, et al. Intra- and inter-species interactions within biofilms of important foodborne bacterial pathogens. Front Microbiol. 2015Aug20;6:841. doi: 10.3389/fmicb.2015.00841.

13. Hurley A, Bassler BL. Asymmetric regulation of quorum-sensing receptors drives autoinducer-specific gene expression programs in Vibrio cholera. PLoSGenet. 2017 May 26;13(5):e1006826. doi: 10.1371/journal.pgen.1006826.

14. Kalia VC, Raju SC, Purohit HJ. Genomic analysis reveals versatile organisms for quorum quenching enzymes: acyl-homoserine lactone-acylase and -lactonase. OpenMicrobiol J. 2011;5:1-13. doi: 10.2174/1874285801105010001.

15. Kusada H, Tamaki H, Kamagata Y Hanada S, Kimura N. A novel quorum-quenching enzyme mediates antibiotic resistance. Appl Environ Microbiol. 2017 Jun 16;83(13). pii: e00080-17. doi: 10.1128/AEM.00080-17.

16. LadeH, PaulD, Kweon JH. Quorum quenching mediated approaches for control of membrane biofouling. Int J Biol Sci. 2014 May 14;10(5):550-65. doi: 10.7150/ijbs.9028.

17. Lord DM, Baran AU, Wood TK, Peti W, Page R. BdcA, a protein important for Escherichia coli biofilm dispersal, is a short-chain dehydrogenase/ reductase that binds specifically toNADPH. PLoS One. 2014 Sep 22;9(9):e105751. doi: 10.1371/journal.pone.0105751.

18. Mukherji R, Prabhune A. A new class of bacterial quorum sensing antagonists: glycomonoterpenols synthesized using linalool and alpha terpineol. World J Microbiol Biotechnol. 2015 Jun;31(6):841-9. doi: 10.1007/s11274-015-1822-5.

19. Papenfort K, Bassler BL. Quorum sensing signal-response systems in Gram-negative bacteria. Nat Rev Microbiol. 2016 Aug 11;14(9):576-88. doi: 10.1038/nrmicro.2016.89.

20. Park JS, Ryu EJ, Li L, Choi BK, Kim BM. New bicyclic brominated furanones as potent autoinducer-2 quorum-sensing inhibitors against bacterial biofilm formation. Eur J Med Chem. 2017 Sep 8;137:76-87. doi: 10.1016/j. ejmech.2017.05.037.

21. Parveen N, Cornell KA. Methylthioadenosine/S-adenosylhomocyste-ine nucleosidase, a critical enzyme for bacterial metabolism. Mol Microbiol. 2011 Jan;79(1):7-20. doi: 10.1111/j.1365-2958.2010.07455.x.

22. Passos da Silva D, SchofieldMC, ParsekMR, Tseng BS. An Update on the Sociomicrobiology of Quorum Sensing in Gram-Negative Biofilm Development. Pathogens. 2017Oct 21;6(4). pii: E51. doi: 10.3390/pathogens6040051.

23. Singh RP. Attenuation of quorum sensing-mediated virulence in Gram-negative pathogenic bacteria: implications for the post-antibiotic era. Med. Chem. Commun. 2015;(6):259-272. doi: 10.1039/C4MD00363B.

24. Vega LM, Mathieua J, Yang Y Nickel and cadmium ions inhibit quorum sensing and biofilm formation without affecting viability in Burkholderia multivorans. Int Biodeter Biodegr. 2014;91:82-87. doi: 10.1016/j. ibiod.2014.03.013.

25. Weiland-Bräuer N, Kisch MJ, Pinnow N, Liese A, Schmitz RA. Highly Effective Inhibition of Biofilm Formation by the First Metagenome-Derived Al-2 Quenching Enzyme. Front Microbiol. 2016 Jul 13;7:1098. doi: 10.3389/ fmicb.2016.01098.

26. Welsh MA, Blackwell HE. Chemical probes of quorum sensing: from compound development to biological discovery. FEMSMicrobiol Rev. 2016 Sep;40(5):774-94. doi: 10.1093/femsre/fuw009.

27. Whiteley M, Diggle SP, Greenberg EP. Progress in and promise of bacterial quorum sensing research. Nature. 2018 Feb 28;555(7694):126. doi: 10.1038/nature25977.

28. Zhao J, Chen M, Quan CS, Fan SD. Mechanisms of quorum sensing and strategies for quorum sensing disruption in aquaculture pathogens. J Fish Dis. 2015Sep;38(9):771-86. doi: 10.1111/jfd.12299.

Получено 20.11.2018

A6aTypoB O.e.1, Крючко Т.О.2

1ДЗ «Д^пропетровсыш медичнa aкaдемiя МОЗ yi<paÏH^>, м. Д^про, yi<paiHa 2ВДНЗУ«Уl<рaïнсы<a медичнa стомaтологiчнa aкaдемiя», м. Полтaвa, yipaHa

Ыпбування бактерiального кворум сенсингу

Резюме. У науковому оглвд викладеш сучасш дат, що характеризуют основы положення про функцюнування ме-хатзму кворум сенсингу в системi м1жбаю^альних комунь кацш. Подано загальну характеристику рiзних поеднань, що мають переважний вплив на кворум сенсинг. Пщкреслено, що за мехатзмом шпбггори кворум сенсингу являють три

функцюнальш групи: група речовин, що пригшчують актив-шсть автошдукторних синтаз; група речовин, що блокують автошдукторш рецептори; група речовин, що порушують взаемодш автошдуктош з к специфiчним рецептором. K™40BÍ слова: кворум сенсинг; шпбггори кворум сен-сингу; огляд

A.E. Abaturov1, T.A. Kryuchko2

1State Institution "Dnipropetrovsk Medical Academy of the Ministry of Health of Ukraine", Dnipro, Ukraine

2HSEIU "Ukrainian Medical Stomatological Academy", Poltava, Ukraine

Inhibition of bacterial quorum

Abstract. The scientific review outlines current data characterizing the main provisions on the functioning of the mechanism of the sensory quorum in the system of interbacterial communications. A general characteristic of various compounds possessing an overwhelming influence on quorum sensory is presented. It is emphasized that the mechanism of sensory quorum

sensing

inhibition is represented by three functional groups: a group of substances that suppress the activity of autoinducer synthases; a group of substances that block the autoinducer receptors; a group of substances that interfere with autoinducers interaction with their specific receptor.

Keywords: quorum sensing; quorum sensing inhibitors; review