Jun 13, 2023
시험관 내 및 생체 내 항균 검증을 통한 마이크로 및 나노커큐민의 분자 모델링 연구
Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12224(2023) 이 기사 인용 660 액세스 1 Altmetric Metrics 세부 정보 박테리아 독성을 퇴치하기 위한 억제 표적으로 천연 화합물의 용도 변경
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천연 화합물을 박테리아 독성에 맞서기 위한 억제 표적으로 용도 변경하는 것은 전통적인 항생제에 대한 내성을 극복하기 위한 중요한 잠재적 전략입니다. 본 연구에서는 마이크로 커큐민과 나노 크기 커큐민의 항균 활성이 4가지 주요 박테리아 병원체, 즉 대장균에 대해 조사되었습니다. 대장균, 녹농균, 황색 포도상 구균 및 고초균. 커큐민 살균 감수성은 P. aeruginosa > B. subtilis > S. aureus > E. coli의 순서로 요약할 수 있습니다. 박테리아 통신 시스템에서 핵심 역할을 하는 가장 중요하고 확실하게 식별된 쿼럼 감지 경로 신호 단백질 SecA-SecY, LsrR, PqsR(MvfR), AgrA에 대한 커큐민의 영향을 확인하기 위해 분자 도킹 분석이 수행되었습니다. 인실리코 물리화학적 특성은 기능 식품으로서의 커큐민이 약물 유사 화합물로 분류될 수 있음을 보여주었습니다. 생체 내 감염된 상처 모델은 네 그룹의 알비노 쥐에 사용되었습니다. 나노-커큐민 로션을 국소적으로 적용한 결과, 치료 후 부상 후 15일째에 대조군에 비해 상처 부위가 현저하게 감소(98.8%)하고 총 세균 생존 수도 거의 100% 감소한 것으로 나타났습니다. 얻은 데이터는 커큐민 나노입자가 우수한 항균 활성을 나타냈으며 새로운 국소 항균제 및 상처 치유제로서 임상적 유용성을 가질 수 있음을 시사했습니다.
최근 미생물 감염의 확산과 다제 내성 종을 포함한 새로운 병원체의 출현은 대체 치료법의 필요성을 가져오는 인류의 과제로 간주됩니다1. 전통 약초에 대한 대중의 관심은 확인된 의학적 특성과 부작용이 적거나 없음으로 인해 발전했습니다2. Curcuma longa(일반 이름: 강황)는 생강과(Zingiberaceae)에 속하는 뿌리 줄기 초본 다년생 꽃 식물로, 일반적으로 향신료 및 착색제로 사용됩니다3. 커큐미노이드는 강황의 무독성 자연 발생 식물화학적 폴리페놀 성분으로, 세 가지 다른 구조를 포함합니다: (a) 디페룰로일메탄 또는 커큐민(커큐민 I, 75%), (b) 디메톡시 커큐민(커큐민 II, 20%) 및 (c) ) 비스데메톡시쿠르쿠민(커큐민 III, 5%)4. 약리학적으로 커큐민은 박테리아 세포막, 세포벽, 단백질, DNA 및 기타 세포 구조를 표적으로 삼거나 박테리아 성장을 억제함으로써 광범위한 박테리아에 대해 항균 활성을 갖는 것과 같은 광범위한 유망한 생물학적 및 치료 작용을 보여주었습니다. 쿼럼센싱(QS) 시스템/경로5와 더불어 항염증6, 항암7, 항당뇨병 작용8이 입증되었습니다.
약동학적으로 커큐민은 물에 용해되지 않고 용액에 불안정하며 생체 이용률이 낮고 흡수가 잘 되지 않으며 신체에서 빠르게 제거됩니다9. 이러한 단점은 치료제로서의 생체내 사용을 방해합니다. 이러한 문제를 극복하기 위해서는 커큐민10의 치료적 번역을 향상시킬 수 있는 첨단 약물 전달 시스템을 설계하는 것이 필요합니다. 여러 연구에 따르면 커큐민 입자의 나노크기 조정은 자유 형태에 비해 커큐민의 친수성, 화학적 안정성, 지속적인 방출 및 적절한 분산성을 가질 수 있다는 결론을 내렸습니다11.
여러 연구에 따르면 커큐민 요법은 특히 국소적으로 투여할 경우 치유 시간을 단축하고 콜라겐 침착을 강화하며 피부 섬유아세포와 혈관 밀도를 증가시켜 상처 치유를 촉진하고 건강한 상처와 감염된 상처 모두에서 상처 치유 혈관신생 촉진제 역할을 하는 것으로 나타났습니다. 커큐민은 잘 알려진 약물이기 때문에 새로운 표적 분자와 커큐민의 결합 능력을 조사하거나 커큐민 유사체에 대한 결합 능력을 조사하기 위해 해당 맥락에서 분자 도킹을 수행할 수 있습니다. 쿼럼 센싱(QS) 미생물 통신 시스템은 다양한 박테리아 얼룩에 사용되며 신호 분자(자가 유도 물질)의 생성 및 검출에 의존하여 인구 밀도를 모니터링합니다. 대부분의 그람 음성 박테리아는 N-아실호모세린 락톤을 주요 QS 신호 분자로 사용하는 반면, 그람 양성 박테리아는 생물막 형성, 항생제 생합성, 생물 발광, 독성 인자 방출, 사이드로포어, 세포외 프로테아제와 같은 생리적 기능을 조절하기 위해 신호 펩타이드를 사용합니다. 및 세포 운동성15. 커큐민은 다중 메커니즘 항감염 전략을 통해 수많은 분자 표적 및 형질도입 경로와 상호작용하기 때문에 박테리아 QS 시스템을 통해 중요한 억제 역할을 합니다. 쿼럼 감지 경로에는 여러 가지 단백질이 관여하며, Bacillus subtilis, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa 및 Staphylococcus aureus와 관련된 SecA-SecY, LsrR, PqsR(MvfR) 및 AgrA 단백질이 각각 가장 중요하고 확실하게 확인된 QS 조절자인 것으로 밝혀졌습니다. , 그들은 QS 네트워크의 필수적인 부분이며 박테리아 통신 시스템인 SecA-SecY 채널 단백질의 핵심 역할을 하며 광범위한 박테리아 단백질이 진핵 세포 소포체 막을 가로질러 또는 원핵 세포 원형질막을 가로질러 운반되도록 허용합니다17, LsrR 단백질은 이동성, 생물막 형성, 항생제 감수성뿐만 아니라 다양한 화합물에 대한 박테리아 내성을 비롯한 수많은 생물학적 과정에 참여하는 수백 개의 유전자를 조절합니다18, PqsR(MvfR)은 항생제 효능을 증가시키고 궁극적으로 내성 단백질을 예방할 수 있는 중요한 전사 조절자입니다. 또한, AgrA 전사 인자 단백질은 헤모리신 및 기타 독성 인자의 생성을 통해 정족수 감지 반응의 조절에 관여합니다. 마지막으로 커큐민은 박테리아 저항성을 유발하지 않는 인간 병원체의 강력한 QS 억제제로 확인되었으며, 이 차단 전략은 전통적인 항생제를 대체하는 것으로 간주되었습니다.
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>
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