Email this article 
Antimicrobial Activity of Terpenes and Oxygen-Containing Terpenoids Against Staphylococcus aureus
- Authors: Kolesnikova A.I.1, Kayumov A.R.1, Gilfanov I.R.1, Frolova L.L.2, Nikitina L.E.3, Trizna E.Y.1
-
Affiliations:
- Kazan (Volga Region) Federal University
- Institute of Chemistry, Komi Science Center, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
- Kazan State Medical University
- Issue: Vol 93, No 3 (2024)
- Pages: 374-378
- Section: SHORT COMMUNICATIONS
- URL: https://ogarev-online.ru/0026-3656/article/view/265078
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0026365624030167
- ID: 265078
Cite item
Full Text
Abstract
At various pathological states, Staphylococcus aureus may cause a number of diseases. Rapid spread of antibiotic resistance necessitates the search for alternative approaches to antimicrobial treatment of staphylococci. Due to their membranotropic properties, natural and synthetic terpenoids are capable both of antimicrobial action and of potentiation of the effect of other antimicrobial agents. Antimicrobial activity of 53 natural terpenes and their synthetic oxygen-containing derivatives was determined, as well as their ability to potentiate the effect of known antimicrobials on S. aureus. Two- to fourfold increase in efficiency of amikacin, ceftriaxone, and miramistin in the presence of (+)-3β,4β-carandiol and (‒)-myrtenic acid indicates the possibility of their application for combined therapy together with medical preparations in order to decrease the concentrations of the latter.
Full Text
За последнее десятилетие скорость разработки новых антибиотиков стала значительно ниже скорости приобретения устойчивости к ним среди большинства микроорганизмов. В результате, набор доступных антибиотиков для лечения инфекций становится ограниченным, что приводит к высокой заболеваемости и смертности (Lewis, 2013; Zaman et al., 2017).
Staphylococcus aureus является причиной развития широкого спектра заболеваний. Их можно разделить на острые инфекции, вызванные свободноплавающими формами (бактериемия, кожные абсцессы) и хронические инфекции, связанные с образованием биопленок (остеомиелит, эндокардит и др.) (Lister, Horswill, 2014). S. aureus чувствителен к большинству антибиотиков, но быстро приобретает устойчивость практически ко всем имеющимся классам антимикробных препаратов, включая фторхинолоны, ванкомицин, даптомицин, линезолид, цефалоспорины и карбапенемы, а также макролиды, линкозамиды и стрептограмины (Chambers, Deleo, 2009; Miklasińska-Majdanik, 2021). Таким образом, поиск и разработка новых подходов к терапии инфекций, обусловленных резистентными штаммами S. aureus, является актуальной задачей фармакологии.
Эфирные масла являются вторичными метаболитами — производными изопреновых веществ, называемых терпенами, и в зависимости от количества углеводородных групп, различают дитерпены, тритерпены, тетратерпены и т. д. За счет гидрофобности эфирные масла способны взаимодействовать с липидами, присутствующими в клеточной мембране бактерий и митохондрий, нарушая клеточные структуры, делая их более проницаемыми, что приводит к гибели бактериальной клетки из-за значительной утечки критически важных молекул и ионов (Devi et al., 2010; Chouhan et al., 2017).
Комбинированное действие антибиотиков с различными веществами может уменьшить появление лекарственно-устойчивых вариантов и снизить дозу каждого компонента в комбинации. Для повышения активности доступных антибиотиков эффективным решением является сочетание последних с адъювантами, такими как терпены (Cheesman et al., 2017; Tarmo, 2018; Shrivastava et al., 2018; Bhattacharya et al., 2021; Puvača, de Frutos, 2021). Показано, что гераниол способен воздействовать на эффлюксные насосы, и может восстанавливать чувствительность к лекарственным препаратам у штаммов Enterobacter aerogenes, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa. Сочетание эфирного масла чайного дерева с противомикробным агентом тобрамицином оказывает синергетический эффект против S. aureus с множественной лекарственной устойчивостью (D’Arrigo et al., 2010; Chouhan et al., 2017). Миртенол повышает эффективность амикацина и ципрофлоксацина против S. aureus (Mahmoud et al., 2022).
Целью настоящей работы было провести оценку антимикробного потенциала природных терпенов и их способность к потенцированию антибактериальных препаратов.
В работе использовали штамм Staphylococcus aureus ATCC® 29213™. Терпены, исследуемые в работе, были приобретены в компании “Sigma-Aldrich” и приведены в таблице S1 или получены по известным методикам. Антибиотики амикацин, мирамистин, цефтриаксон и ципрофлоксацин были приобретены в компании “Sigma” (США).
Для культивирования бактерий использовали питательную среду Mueller-Hinton (MH; “Sigma”, США).
МПК антимикробных препаратов определяли методом серийных микроразведений в среде MH согласно рекомендациям EUCAST (Leclercq et al., 2013). Противомикробные препараты разводили средой в 96-луночном пластиковом планшете (Eppendorf Cell Culture Plates) в концентрациях 1–2048 мкг/мл. Лунки засевали 200 мкл бактериальной культуры (КОЕ 2–9 × 106) в среде MH и инкубировали при 37°C. Минимальную подавляющую концентрацию определяли как наименьшую концентрацию вещества, при которой полностью отсутствовал бактериальный рост на 24-й час инкубации.
Анализ комбинированного применения антимикробных агентов изучали с помощью метода шахматной доски (den Hollander, 1998). Каждый планшет содержал серийные разведения терпенов и противомикробных препаратов в шахматном порядке. Начальная концентрация каждого из исследуемых антимикробных агентов составляла 4 × МПК. Конечная концентрация бактерий в лунках планшета составляла 0.5 × 105 КОЕ/мл. Планшеты инкубировали в термостате при 37°C в течение 20 ч. Затем измеряли оптическую плотность ОП600 на планшетном спектрофотометре Infinite 200 PRO (“Tecan”, США). Каждый тест проводился в трех повторах и включал контроль роста без добавления какого-либо антимикробного агента. Показателем характера совместного антимикробного действия веществ являлся индекс фракционной ингибирующей концентрации (иФИК), который рассчитывали, как было описано ранее (den Hollander et al., 1998).
Для определения жизнеспособности бактерий в присутствии противомикробных препаратов в лунки с исследуемыми веществами вносили 5 мкл раствора натриевой соли резазурина (alamarBlue™ Cell Viability Reagent, “Sigma”) до конечной концентрации 120 мкМ и проводили визуальную оценку. При наличии розовой окраски культуральной жидкости бактерии идентифицировали как жизнеспособные, синяя окраска свидетельствовала о гибели клеток.
На первом этапе была исследована противомикробная активность 53 терпенов, имеющих различное происхождение и строение и обозначенных условными номерами от 1 до 53 (дополнительные материалы, табл. S1). В качестве препаратов сравнения использовали антибиотики и антисептики, используемые в клинической практике. Исследуемые терпены не обладали ярко выраженным противомикробным эффектом. МПК 35 соединений варьировала в пределах 256–2048 мкг/мл, 18 соединений не подавляли рост бактерий в концентрациях 2048 мкг/мл. Среди всех исследуемых терпенов абиетиновая кислота проявляла наибольшее противомикробное действие с МПК в отношении S. aureus 16 мкг/мл (табл. S1), в то время как МПК препаратов сравнения составила 0.5–64 мкг/мл.
Оценку способности терпенов повышать эффективность амикацина, цефтриаксона, ципрофлоксацина и мирамистина в отношении S. aureus проводили методом шахматной доски. Для этого бактерии выращивали в присутствии антибиотиков в комплексе с терпенами в концентрации 0.125×МПК. После 24 ч инкубации рассчитывали индекс фракционной ингибирующей концентрации (иФИК).
Выраженный синергетический эффект с амикацином наблюдался для 3 веществ: (+)-3β,4β-карандиола, (+)-4-(1-оксиэтил)карена-2, (‒)-миртеновой кислоты, при этом МПК амикацина снижалась до четырех раз. При взаимодействии с цефтриаксоном синергизм был обнаружен только для (+)-3β,4β-карандиола, при этом МПК антибиотика снижалась в 2 раза (табл. 1).
Таблица 1. Характеристика синергетического взаимодействия терпенов с антимикробными препаратами
Антибиотик | Терпен | МПК терпена, мкг/мл | МПК антибиотика, мкг/мл | ФИК терпена, мкг/мл | ФИК антибиотика, мкг/мл | иФИК | Снижение МПК, раз |
Амикацин | (+)-3β,4β-Карандиол | 2048 | 4 | 128 | 1 | 0.31 | 4 |
(+)-4-(1-Оксиэтил)карен-2 | 2048 | 16 | 128 | 8 | 0.52 | 2 | |
(‒)-Миртеновая кислота | 2048 | 16 | 128 | 8 | 0.53 | 2 | |
Цефтриаксон | (+)-3β,4β-Карандиол | 2048 | 0.5 | 128 | 0.25 | 0.44 | 2 |
Мирамистин | (+)-3β,4β-Карандиол | 2048 | 2 | 128 | 0.5 | 0.31 | 4 |
(‒)-Миртеновая кислота | 2048 | 2 | 128 | 1 | 0.53 | 2 | |
(‒)-Миртеналь | 2048 | 2 | 128 | 1 | 0.52 | 2 |
Для мирамистина синергия была обнаружена с (+)-3β,4β-карандиолом, (‒)-миртеновой кислотой и (‒)-миртеналем, где эффективность антисептика повышалась до 4 раз. При взаимодействии с ципрофлоксацином ни для одного исследуемого вещества не было обнаружено синергетических взаимодействий (табл. 1).
Таким образом, терпены способны повышать эффективность антибиотиков и антисептиков в отношении S. aureus. Однако синергетический эффект распространяется на отдельные классы противомикробных препаратов, что, скорее всего, связано с различиями в химической структуре исследуемых веществ и антибиотиков, а также внутриклеточными мишенями этих препаратов. Наибольшую перспективу для дальнейших исследований представляет вещество (+)-3β,4β-карандиол, проявивший синергизм c тремя из четырех исследованных антимикробных препаратов.
ФИНАНСИРОВАНИЕ
Работа выполнена за счет средств субсидии, выделенной Казанскому федеральному университету для выполнения государственного задания в сфере научной деятельности. Проект № FZSM-2022-0017.
СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ
Настоящая статья не содержит результатов исследований с использованием животных в качестве объектов.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
ВКЛАД АВТОРОВ
А. И. Колесникова, Л. Л. Фролова, И. Р. Гильфанов — экспериментальные процедуры, А. Р. Каюмов, Е. Ю. Тризна., Л. Е. Никитина — руководство работой; все авторы участвовали в написании и утверждении рукописи.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Таблица S1. Оценка минимальной подавляющей концентрации (МПК) терпенов и кислородсодержащих терпеноидов в отношении Staphylococcus aureus ATCC 29213
№ | Наименование вещества | МПК, мкг/мл |
1 | (-)-цис-вербенол | 1024 |
2 | (-)-неоизовербанол | >2048 |
3 | (+)-3α,4α-карандиол | 2048 |
4 | (-)-3β,4α-карандиол | 512 |
5 | (+)-3β,4β-карандиол | 2048 |
6 | (-)-2α,3α-пинандиол | 2048 |
7 | (-)-2α,3β-пинандиол | 2048 |
8 | (+)-4-(1-оксиэтил)карен-2 | >2048 |
9 | (-)-3α,4β-пинандиол | 2048 |
10 | (-)-изопинокамфеол | 1024 |
11 | (±)-2-экзо-10-эндо-камфандиол | 2048 |
12 | (-)-изокаранол-4 | 512 |
13 | (-)-цис-миртанол | 512 |
14 | (-)-транс-миртанол | 512 |
15 | (-)-миртенол | 512 |
16 | (-)-нопол | 256 |
17 | (+)-миртенол | 1024 |
18 | (-)-цис-миртановая кислота | >2048 |
19 | (-)-транс-миртановая кислота | >2048 |
20 | (-)-миртеновая кислота | >2048 |
21 | (-)-миртеналь | >2048 |
22 | (-)-цис-нопинол | 1024 |
23 | (+)-3,4,-транс-пинандиол | 2048 |
24 | (-)-борнеол | 1024 |
25 | DL-изоборнеол | 2048 |
26 | норборнилен | >2048 |
27 | камфора | 2048 |
№ | Наименование вещества | МПК, мкг/мл |
28 | (+)-α-пинен | >2048 |
29 | (-)β-пинен | 1024 |
30 | (+)-β-пинена окись | 1024 |
31 | (-)-α-пинена окись | >2048 |
32 | (+)-камфен | >2048 |
33 | (-)-камфен | >2048 |
34 | (±)-камфен | 2048 |
35 | (-)-ментол | 1024 |
36 | (-)-карвеол | 512 |
37 | D-(+)-карвон | 1024 |
38 | (+)-лимонен | >2048 |
39 | (+)-лимонена диокись | >2048 |
40 | (+)-лимонена окись | >2048 |
41 | (-)-перилловый спирт | 512 |
42 | α-терпинеол | 1024 |
43 | (-)-терпинен-4-ол | 1024 |
44 | транс-п-мент-6-ен-2,8-диол | >2048 |
45 | 3-карен | >2048 |
46 | мирцен | 2048 |
47 | гераниол | 1024 |
48 | вербенон | 2048 |
49 | (+)-транс-вербенол | 1024 |
50 | (-)-транс-вербенол | 512 |
51 | (-)-R-цис-вербенол | 1024 |
52 | абиетиновая кислота | 16 |
53 | гвайазулен | >2048 |
About the authors
A. I. Kolesnikova
Kazan (Volga Region) Federal University
Email: trizna91@mail.ru
Russian Federation, Kazan
A. R. Kayumov
Kazan (Volga Region) Federal University
Email: trizna91@mail.ru
Russian Federation, Kazan
I. R. Gilfanov
Kazan (Volga Region) Federal University
Email: trizna91@mail.ru
Russian Federation, Kazan
L. L. Frolova
Institute of Chemistry, Komi Science Center, Ural Branch, Russian Academy of Sciences
Email: trizna91@mail.ru
Russian Federation, Syktyvkar
L. E. Nikitina
Kazan State Medical University
Email: trizna91@mail.ru
Russian Federation, Kazan
E. Yu. Trizna
Kazan (Volga Region) Federal University
Author for correspondence.
Email: trizna91@mail.ru
Russian Federation, Kazan
References
- Bhattacharya R., Rolta R., Dev K., Sourirajan A. Synergistic potential of essential oils with antibiotics to combat fungal pathogens: present status and future perspectives // Phytother. Res. 2021. V. 35. P. 6089–6100.
- Chambers H. F., Deleo F. R. Waves of resistance: Staphylococcus aureus in the antibiotic era // Nat. Rev. Microbiol. 2009. V. 7. P. 629–641.
- Cheesman M. J., Ilanko A., Blonk B., Cock I. E. Developing new antimicrobial therapies: are synergistic combinations of plant extracts/Compounds with conventional antibiotics the solution? // Pharmacogn. Rev. 2017. V. 11. P. 57–72.
- Chouhan S., Sharma K., Guleria S. Antimicrobial activity of some essential oils — present status and future perspectives // Medicines. 2017. V. 4. Art. 58.
- D’Arrigo M., Ginestra G., Mandalari G., Furneri P. M., Bisignano G. Synergism and postantibiotic effect of tobramycin and Melaleuca alternifolia (tea tree) oil against Staphylococcus aureus and Escherichia coli // Phytomedicine. 2010. V. 17. P. 317–322.
- Devi K. P., Nisha S. A., Sakthivel R., Pandian S. K. Eugenol (an essential oil of clove) acts as an antibacterial agent against Salmonella typhi by disrupting the cellular membrane // J. Ethnopharmacol. 2010. V. 130. P. 107–115.
- den Hollander J. G., Mouton J. W., Verbrugh H. A. Use of pharmacodynamic parameters to predict efficacy of combination therapy by using fractional inhibitory concentration kinetics // Antimicrob. Agents. Chemother. 1998. V. 42. P. 744–748.
- Leclercq R., Cantón R., Brown D. F., Giske C. G., Heisig P., MacGowan A.P., Kahlmeter G. EUCAST expert rules in antimicrobial susceptibility testing // Clin. Microbiol. Infect. 2013. V. 19. P. 141–160.
- Lewis K. Platforms for antibiotic discovery // Nat. Rev. Drug Discov. 2013. V. 12. P. 371–387.
- Lister J. L., Horswill A. R. Staphylococcus aureus biofilms: recent developments in biofilm dispersal // Front. Cell. Infect. Microbiol. 2014. V. 4. Art. 178.
- Mahmoud R. Y., Trizna E. Y., Sulaiman R. K., Pavelyev R. S., Gilfanov I. R., Lisovskaya S. A., Ostolopovskaya O. V., Frolova L. L., Kutchin A. V., Guseva G. B., Antina E. V., Berezin M. B., Nikitina L. E., Kayumov A. R. Increasing the efficacy of treatment of Staphylococcus aureus–Candida albicans mixed infections with myrtenol // Antibiotics. 2022. V. 11. Art. 1743.
- Miklasińska-Majdanik M. Mechanisms of resistance to macrolide antibiotics among Staphylococcus aureus // Antibiotics. 2021. V. 10. Art. 1406.
- Puvača N., de Llanos Frutos R. Antimicrobial resistance in Escherichia coli strains isolated from humans and pet animals // Antibiotics. 2021. V. 10. P. 1–63.
- Shrivastava S. R., Shrivastava P. S., Ramasamy J. World health organization releases global priority list of antibiotic-resistant bacteria to guide research, discovery, and development of new antibiotics // Med. Soc. 2018. V. 32. P. 7–76.
- Tarmo N. Medicinal properties of terpenes found in Cannabis sativa and Humulus lupulus // Eur. J. Med. Chem. 2018. V. 157. P. 198–228.
- Zaman S. B., Hussain M. A., Nye R., Mehta V., Mamun K. T., Hossain N. A review on antibiotic resistance: alarm bells are ringing // Cureus. 2017. V. 9. Art. e1403.
Supplementary files
