Szymon Sękowski, Ewa Olchowik-Grabarek, Izabela Święcicka, Maria Zamarajewa
Na fot. od lewej: prof. Izabela Święcicka, prof. Maria Zamarajewa, dr Ewa Olchowik-Grabarek, dr hab. Szymon Sękowski, prof. UwB. Fot. dr Marek Bartoszewicz
Nawet 30% osób może być nosicielami gronkowca złocistego (Staphylococcus aureus). Ta Gram-dodatnia bakteria jest czynnikiem etiologicznym wielu chorób, m.in. zakażeń skóry i tkanek miękkich czy zatruć pokarmowych. Zakażenie gronkowcem może skutkować również rozwojem stanów martwiczych, jak też wstrząsem toksycznym. Z tego względu, jak też z powodu dynamicznego rozwoju oporności na antybiotyki oraz wytwarzania wielu toksyn będących czynnikami wirulencji, gronkowiec złocisty stanowi duże wyzwanie dla współczesnej medycyny i mikrobiologii klinicznej. Szczególnym problemem są szczepy oporne na antybiotyki, a w szczególności te oporne na metycylinę (MRSA, ang. methicillin resistance Staphylococcus aureus) i na wankomycynę (VRSA, ang. vancomycin resistance Staphylococcus aureus). Metycylina jest związkiem zaliczanym do szerokiej grupy antybiotyków beta-laktamowych. Jej aktywność jest związana z hamowaniem syntezy ściany komórkowej bakterii. Oporność bakterii na metycylinę powoduje, że staje się ona oporna również na inne antybiotyki z grupy beta-laktamów. Z tego względu w przypadku zakażeń MRSA stosowano wankomycynę, która nie jest zaliczana do beta-laktamów, ale jej działanie jest analogiczne do metycyliny. Początkowo takie rozwiązanie okazało się skuteczne, jednak z czasem bakterie rozwinęły oporność również na ten antybiotyk. Z tego względu oporność gronkowców na metycylinę i wankomycynę powoduje duże problemy w leczeniu osób zakażonych tą bakterią.
Zjawisko lekooporności występuje zarówno wśród szczepów gronkowców szpitalnych, jak i pozaszpitalnych. Zwłaszcza w tej ostatniej grupie lekooporność może dotyczyć znacznie szerszej liczby antybiotyków niż tylko te, które zalicza się do β-laktamowych (jak np. wspomniana wcześniej metycylina). Drugim niezwykle istotnym czynnikiem determinującym wysoki potencjał chorobotwórczy gronkowca są toksyny wydzielane przez te bakterie. Przykładem mogą być toksyna PVL (leukocydyna Panton-Valentine) niszcząca białe krwinki (leukocyty) oraz alfa-toksyna prowadząca do rozpadu krwinek czerwonych (hemolizy erytrocytów). Podczas gdy składająca się z dwóch komponentów cytotoksyna PVL uruchamia zależną od mitochondriów kaskadę skutkującą wejściem komórki na drogę apoptozy (programowanej śmierci) i doprowadza do rozpadu leukocytów, a także może prowadzić do nekrozy, to alfa-toksyna wydzielana w postaci pojedynczych cząsteczek (monomerów) wbudowuje się w błonę komórkową, ulega oligomeryzacji i tworzy transbłonowy por, co prowadzi do wspomnianej wcześniej hemolizy.
„Z uwagi na antybiotykooporność S. aureus oraz wydzielane przez nie toksyny, zachodzi pilna konieczność poszukiwania nowych antybiotyków oraz innych związków działających na gronkowca złocistego. Zwłaszcza podejście związane z hamowaniem aktywności toksyn wydzielanych przez te bakterie może znacząco poprawić skuteczność terapii antygronkowcowych” – podkreśla dr hab. Szymon Sękowski, profesor Uniwersytetu w Białymstoku.
Mechanizmy aktywności biologicznej tanin przeciwko alfa-hemolizynie S. aureus
(opracowanie własne, autor: Szymon Sękowski)
Polifenole pochodzenia roślinnego odznaczają się silnymi właściwościami antybakteryjnymi. Związki te od dawna są szeroko wykorzystywane w medycynie tradycyjnej, a kolejne badania donoszą o ich nowych możliwych zastosowaniach, również w walce z bakteriami. Interesujące, że polifenole mogą działać zarówno na poziomie komórki drobnoustroju jak i poprzez interakcję z wydzielanymi czynnikami wirulencji, w tym toksynami.
Taniny stanowią jedną z grup polifenoli. Pod względem budowy związki te dzieli się na taniny hydrolizujące i niehydrolizujące. Taniny hydrolizujące pod względem chemicznym są estrami cukrów (głównie glukozy) i fenoli kwasów węglowych. Taniny niehydrolizujace (skondensowane) są z kolei estrami flawan-3-oli. Taniny dzięki dużej liczbie reszt hydroksylowych, a także zmiennej elastyczności cząsteczki oraz zróżnicowanej hydrofobowości wykazują duże powinowactwo zarówno do błon komórek, jak i białek. Badania z zakresu antybakteryjnej aktywności tanin potwierdzają również ich silny potencjał przeciwbakteryjny. Związki te są powszechnie dostępne w produktach spożywczych codziennego użytku, m.in. herbacie, czerwonym winie czy owocach granatu, borówki, aronii.
Zespół naukowy w składzie: dr Ewa Olchowik-Grabarek, dr hab. Szymon Sękowski, prof. UwB i prof. Maria Zamarajewa z Katedry Mikrobiologii i Biotechnologii Wydziału Biologii Uniwersytetu w Białymstoku (kierownikiem katedry jest prof. Izabela Święcicka), we współpracy z Laboratorium Fizjologii i Farmakologii Uniwersytetu Libre w Brukseli oraz Instytutem Chemii Bioorganicznej Akademii Nauk w Uzbekistanie wykazał, że polifenolowe związki pochodzenia roślinnego zaliczane do grupy tanin wykazują zdolność do oddziaływania z alfa-hemolizyną, jednym z kluczowych czynników wirulencji gronkowca złocistego.
„Silne oddziaływanie tanin z białkami pozwoliło założyć, że będą one wchodziły w interakcję z alfa-hemolizyną (jedną z głównych toksyn wydzielanych przez Staphylococcus aureus), prowadząc do zahamowania jej aktywności związanej z formowaniem poru i niszczeniem komórek atakowanego organizmu” – mówi dr Ewa Olchowik-Grabarek.
Z tego względu zbadano, jak taniny reagują z toksyną wydzielaną przez gronkowca złocistego. Jak wskazuje prof. Maria Zamarajewa: „Jedną z zaobserwowanych korzyści było hamowanie przez badane związki rozpadu krwinek czerwonych obserwowanego pod wpływem toksyny gronkowca. Kolejne badania pozwoliły stwierdzić, że mechanizm odpowiedzialny za zatrzymanie rozpadu krwinek czerwonych jest powiązany z silnym reagowaniem badanych tanin z alfa-toksyną”.
W wyniku przeprowadzonych prac z zastosowaniem metod biofizycznych (spektroskopia UV-Vis, spektrofluorymetria), biochemicznych (elektroforeza typu Western-blot), elektrofizjologicznych (pomiar zmian przewodności elektrycznej sztucznych błon lipidowych) oraz mikrobiologicznych wykazano, że taniny charakteryzują się bardzo dużą aktywnością wobec S. aureus. Związki te posiadają zdolność do tworzenia kompleksu tanina – monomer toksyny, co ogranicza zdolność alfa-toksyny do wbudowania się w strukturę błony komórkowej. Co więcej, badania elektrofizjologiczne pozwoliły stwierdzić, że wcześniej uformowany przez toksynę por był „zamykany” przez badane związki. Ponadto jedna z badanych tanin (PGG) hamowała również wydzielanie przez gronkowca toksyny, co jest najprawdopodobniej związane zarówno z oddziaływaniem PGG z błoną komórkową bakterii, jak i hamowaniem ekspresji genu odpowiedzialnego za biosyntezę alfa-toksyny.
Wyniki przeprowadzonych badań stwarzają nowe możliwości biomedycznego wykorzystania związków pochodzenia naturalnego z grupy tanin w celu podwyższenia skuteczności tradycyjnej antybiotykoterapii w profilaktyce zakażeń gronkowcem złocistym. Poprzez silne oddziaływanie z błonami komórkowymi bakterii taniny mogą również zwiększać wrażliwość bakterii na antybiotyki, w tym na metycylinę i wankomycynę. Dotychczasowe nasze rezultaty prac eksperymentalnych nad hamowaniem aktywności alfa-toksyny gronkowca złocistego przez taniny zostały opublikowane w „Bioelectrochemistry” (2023, 150, 108318). „Te dane stanowią istotny wkład w poznanie natury interakcji bakteria – polifenole, ale też są bardzo dobrym punktem wyjścia do kolejnych analiz nad oddziaływaniami produktów pochodzenia roślinnego na mikroorganizmy” – mówi prof. Izabela Święcicka.
Dr hab. Szymon Sękowski, prof. UwB, dr Ewa Olchowik-Grabarek, prof. dr hab. Izabela Święcicka, prof. dr hab. Maria Zamarajewa są pracownikami Katedry Mikrobiologii i Biotechnologii na Wydziale Biologii Uniwersytetu w Białymstoku.
