Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.


Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.

"Child`s Health" Том 13, №4, 2018

Back to issue

Drug limitation of the availability of iron ions for pathogenic bacteria (part 1)

Authors: Абатуров А.Е.(1), Крючко Т.А.(2)
(1) — ГУ «Днепропетровская медицинская академия МЗ Украины», г. Днепр, Украина
(2) — ВГУЗУ «Украинская медицинская стоматологическая академия», г. Полтава, Украина

Categories: Pediatrics/Neonatology

Sections: Specialist manual

print version


Summary

Більшість бактерій є мікроорганізмами, для забезпечення життєдіяльності яких необхідно залізо. Залізо є найважливішим макроелементом мікроорганізмів, діючи як переносник електронів і кофактор синтезу ДНК і РНК. Велика частина бактерій поглинає залізо за допомогою сидерофорів. Деякі бактерії продукують гемофори (аналогічні сидерофорам), призначені для отримання заліза з екзогенного гема (ферумпротопорфірину). Також частина представників бактеріального світу експресують рецептори до трансферину і лактоферину, що дозволяє їм використовувати залізо, пов’язане з даними протеїнами. Встановлено, що надлишок заліза в макроорганизмі асоційований з розвитком хронічного перебігу інфекційного процесу, оскільки високі рівні іонів заліза сприяють формуванню біоплівки патогенних бактерій. Порушення забезпечення залізом бактерії за рахунок зниження концентрації доступних іонів заліза; інгібування синтезу бактеріальних сидерофорів; застосування препаратів, що містять сидерофори, кон’юговані з антибіотиками; застосування препаратів, що містять галій, який конкурентно витісняє залізо, може викликати загибель патогенних мікроорганізмів і сприяти процесу одужання. На основі сидерофорів розроблені численні лікарські засоби, що захоплюють іони заліза. У певних клінічних випадках препарати, що зв’язують залізо, можуть відігравати ключову роль в ефективності антимікробної терапії.

Большинство бактерий являются микроорганизмами, для обеспечения жизнедеятельности которых необходимо железо. Железо является важнейшим макроэлементом микроорганизмов, действуя как переносчик электронов и кофактор синтеза ДНК и РНК. Большая часть бактерий поглощает железо при помощи сидерофоров. Некоторые бактерии продуцируют гемофоры (аналогичные сидерофорам), предназначенные для получения железа из экзогенного гема (феррумпротопорфирина). Также часть представителей бактериального мира экспрессируют рецепторы к трансферрину и лактоферрину, что позволяет им использовать железо, связанное с данными протеинами. Установлено, что избыток железа в макроорганизме ассоциирован с развитием хронического течения инфекционного процесса, поскольку высокие уровни ионов железа способствуют формированию биопленки патогенных бактерий. Нарушение обеспечения железом бактерии за счет снижения концентрации доступных ионов железа; ингибирования синтеза бактериальных сидерофоров; применения препаратов, содержащих сидерофоры, конъюгированных с антибиотиками; применения препаратов, содержащих галлий, который конкурентно вымещает железо, может вызвать гибель патогенных микроорганизмов и способствовать процессу выздоровления. На основе сидерофоров разработаны многочисленные лекарственные средства, захватывающие ионы железа. Препараты, хелатирующие железо, в определенных клинических случаях могут сыграть ключевую роль, определяющую эффективность в антимикробной терапии.

Most bacteria are microorganisms that require iron to support their vital functions. Iron is the most important macroelement of microorganisms acting as an electron carrier and cofactor of DNA and RNA synthesis. Most bacteria absorb iron with siderophores. Some bacteria produce hemophores (similar to siderophores) intended for obtaining iron from exogenous heme (iron protoporphyrin). Also, some representatives of the bacterial world express receptors for transferrin and lactoferrin, which allows them to utilize iron associated with these proteins. It has been established that iron excess in macroorganism is associated with the chronic course of infectious process, since high levels of iron ions contribute to the formation of biofilms of pathogenic bacteria. Violation of the bacterial supply with iron due to reduced level of available iron ions; inhibition of bacterial siderophore synthesis; use of drugs containing side­rophores conjugated with antibiotics; use of drugs containing gallium, which competitively replaces iron, can cause the death of pathogenic microorganisms and contribute to the recovery. Numerous drugs capturing iron ions are developed on the basis of siderophores. Iron chelating drugs in certain clinical cases can play a key role in determining the effectiveness of antimicrobial therapy.


Keywords

пневмонії; залізо; патогенні бактерії; управління забезпеченням залізом

пневмонии; железо; патогенные бактерии; управление обеспечением железом

pneumonia; iron; pathogenic bacteria; iron supply management


For the full article you need to subscribe to the magazine.


Bibliography

1. Абатуров А.Е. Значение металлосвязывающих белков в неспецифической защите респираторного тракта. 1. Лактоферрин // Здоровье ребенка. — 2009. — № 4(19). — С. 125-128.
2. Aguado-Santacruz G.A.A. Impact of the microbial siderophores and phytosiderophores on the iron assimilation by plants: a synthesis / G.A.A. Aguado-Santacruz, B.A. Moreno-Gómez, B.B. Jiménez-Francisco et al. // Rev. Fitotec. Mex. — 2012. — 35. — Р. 9-21.
3. Ahmed E., Holmström S.J. Siderophores in environmental research: roles and applications // Microb. Biotechnol. — 2014 May. — № 7(3). — Р. 196-208. — doi: 10.1111/1751-7915.12117. 
4. Ammons M.C., Copié V. Mini-review: Lactoferrin: a bioinspired, anti-biofilm therapeutic // Biofouling. — 2013. — № 29(4). — Р. 443-55. — doi: 10.1080/08927014.2013.773317.
5. Banin E., Vasil M.L., Greenberg E.P. Iron and Pseudomonas aeruginosa biofilm formation // Proc. Natl. Acad. Sci USA. — 2005 Aug 2. — № 102(31). — Р. 11076-81.
6. Boukhalfa H. Siderophore production and facilitated uptake of iron and plutonium in P. putida / H. Boukhalfa, J. Lack, S.D. Reilly et al. // AIP Conf. Proc. — 2003. — 673. — Р. 343-344.
7. Brophy M.B. Contributions of the S100A9 C-terminal tail to high-affinity Mn(II) chelation by the host-defense protein human calprotectin / M.B. Brophy, T.G. Nakashige, A. Gaillard, E.M. Nolan // J. Am. Chem. Soc. — 2013 Nov 27. — № 135(47). — Р. 17804-17. — doi: 10.1021/ja407147d.
8. Brown L.R. Increased Zinc Availability Enhances Initial Aggregation and Biofilm Formation of Streptococcus pneumoniae / L.R. Brown, R.C. Caulkins, T.E. Schartel et al. // Front. Cell. Infect. Microbiol. — 2017 Jun 7. — 7. — 233. — doi: 10.3389/fcimb.2017.00233.
9. Bruhn K.W., Spellberg B. Transferrin-mediated iron sequestration as a novel therapy for bacterial and fungal infections // Curr. Opin. Microbiol. — 2015 Oct. — 27. — Р. 57-61. — doi: 10.1016/j.mib.2015.07.005.
10. Capdevila D.A., Edmonds K.A., Giedroc D.P. Metallochaperones and metalloregulation in bacteria // Essays Biochem. — 2017 May 9. — № 61(2). — Р. 177-200. — doi: 10.1042/EBC20160076.
11. Chen K. Effect of bovine lactoferrin from iron-fortified formulas on diarrhea and respiratory tract infections of weaned infants in a randomized controlled trial / K. Chen, L. Chai, H. Li et al. // Nutrition. — 2016 Feb. — № 32(2). — Р. 222-7. — doi: 10.1016/j.nut.2015.08.010. 
12. Chitambar C.R. The therapeutic potential of iron-targeting gallium compounds in human disease: From basic research to clinical application // Pharmacol. Res. — 2017 Jan. — 115. — Р. 56-64. — doi: 10.1016/j.phrs.2016.11.009.
13. Chu B.C. Siderophore uptake in bacteria and the battle for iron with the host; a bird’s eye view / B.C. Chu, A. Garcia-Herrero, T.H. Johanson et al. // Biometals. — 2010 Aug. — № 23(4). — Р. 601-11. — doi: 10.1007/s10534-010-9361-x.
14. Cornelis P. Iron uptake and metabolism in pseudomonads // Appl. Microbiol. Biotechnol. — 2010 May. — № 86(6). — Р. 1637-45. — doi: 10.1007/s00253-010-2550-2.
15. Deicke M. Metallophore mapping in complex matrices by metal isotope coded profiling of organic ligands / M. Deicke, J.F. Mohr, J.P. Bellenger, T. Wichard // Analyst. — 2014 Dec 7. — № 139(23). — Р. 6096-9. — doi: 10.1039/c4an01461h.
16. Drago-Serrano M.E. Lactoferrin: Balancing Ups and Downs of Inflammation Due to Microbial Infections / M.E. Drago-Serrano, R. Campos-Rodríguez, J.C. Carrero, M. de la Garza // Int. J. Mol. Sci. — 2017 Mar 1. — № 18(3). — Рii: E501. — doi: 10.3390/ijms18030501.
17. Ferreira D. Targeting human pathogenic bacteria by si–derophores: A proteomics review / D. Ferreira, A.M. Seca, D.C.G.A. Pinto, A.M. Silva // J. Proteomics. — 2016 Aug 11. — 145. — Р. 153-66. — doi: 10.1016/j.jprot.2016.04.006. 
18. Francis J. Mycobactin, a growth factor for Mycobacterium johnei. I. Isolation from Mycobacterium phlei / Francis J., Macturk H.M., Madinaveitia J., Snow G.A. // Biochem J. — 1953 Nov. — № 55(4). — Р. 596-607. — PMID: 13115341.
19. Fu D., Finney L. Metalloproteomics: challenges and prospective for clinical research applications // Expert. Rev. Proteomics. — 2014 Feb. — № 11(1). — Р. 13-9. — doi: 10.1586/14789450.2014.876365.
20. Ganz T. Iron and infection // Int. J. Hematol. — 2018 Jan. — № 107(1). — Р. 7-15. — doi: 10.1007/s12185-017-2366-2.
21. Ge R., Sun X. Iron acquisition and regulation systems in Streptococcus species // Metallomics. — 2014 May. — № 6(5). — Р. 996-1003. — doi: 10.1039/c4mt00011k.
22. González-Chávez S.A., Arévalo-Gallegos S., Rascón-Cruz Q. Lactoferrin: structure, function and applications // Int. J. Antimicrob. Agents. — 2009 Apr. — № 33(4). — Р. 301.e1-8. — doi: 10.1016/j.ijantimicag.2008.07.020.
23. Górska A., Sloderbach A., Marszałł M.P. Siderophore-drug complexes: potential medicinal applications of the 'Trojan horse’ stra–tegy // Trends Pharmacol. Sci. — 2014 Sep. — № 35(9). — Р. 442-9. — doi: 10.1016/j.tips.2014.06.007.
24. Guillén C. Enhanced Th1 response to Staphylococcus aureus infection in human lactoferrin-transgenic mice / C. Guillén, I.B. McInnes, D.M. Vaughan et al. // J. Immunol. — 2002 Apr 15. — № 168(8). — Р. 950-7. — PMID: 11937551.
25. Holden V.I., Bachman M.A. Diverging roles of bacterial si–derophores during infection // Metallomics. — 2015 Jun. — № 7(6). — Р. 986-95. — doi: 10.1039/c4mt00333k.
26. Iglesias-Figueroa B. High-Level Expression of Recombinant Bovine Lactoferrin in Pichia pastoris with Antimicrobial Activity / B. Iglesias-Figueroa, N. Valdiviezo-Godina, T. Siqueiros-Cendón et al. // Int. J. Mol. Sci. — 2016 Jun 9. — № 17(6). — Рii: E902. — doi: 10.3390/ijms17060902.
27. Johnstone T.C., Nolan E.M. Beyond iron: non-classical biological functions of bacterial siderophores // Dalton Trans. — 2015 Apr 14. — № 44(14). — Р. 6320-39. — doi: 10.1039/c4dt03559c.
28. Jung M. Lipocalin-2 and iron trafficking in the tumor microenvironment / Jung M., Mertens C., Bauer R. et al. // Pharmacol. Res. — 2017 Jun. — 120. — Р. 146-156. — doi: 10.1016/j.phrs.2017.03.018.
29. Kim C.M., Shin S.H. Effect of iron-chelator deferiprone on the in vitro growth of staphylococci // J. Korean Med. Sci. — 2009 Apr. — № 24(2). — Р. 289-95. — doi: 10.3346/jkms.2009.24.2.289.
30. Kontoghiorghes G.J. The role of iron and chelators on infections in iron overload and non iron loaded conditions: prospects for the design of new antimicrobial therapies / G.J. Kontoghiorghes, A. Kolnagou, A. Skiada, G. Petrikkos // Hemoglobin. — 2010 Jun. — № 34(3). — Р. 227-39. — doi: 10.3109/03630269.2010.483662.
31. Kruzel M.L., Zimecki M., Actor J.K. Lactoferrin in a Context of Inflammation-Induced Pathology // Front. Immunol. — 2017 Nov 6. — 8. — 1438. — doi: 10.3389/fimmu.2017.01438.
32. Lhospice S. Pseudomonas aeruginosa zinc uptake in chelating environment is primarily mediated by the metallophore pseudopaline / S. Lhospice, N.O. Gomez, L. Ouerdane et al. // Sci. Rep. — 2017 Dec 7. — № 7(1). — 17132. — doi: 10.1038/s41598-017-16765-9.
33. Li X.J. Lactoferrin protects against lipopolysaccharide-induced acute lung injury in mice / X.J. Li, D.P. Liu, H.L. Chen et al. // Int. Immunopharmacol. — 2012 Feb. — № 12(2). — Р. 460-4. — doi: 10.1016/j.intimp.2012.01.001.
34. McFarlane J.S., Lamb A.L. Biosynthesis of an Opine Metallophore by Pseudomonas aeruginosa // Biochemistry. — 2017 Nov 14. — № 56(45). — Р. 5967-5971. — doi: 10.1021/acs.biochem.7b00804. 
35. Mobarra N. A Review on Iron Chelators in Treatment of Iron Overload Syndromes / N. Mobarra, M. Shanaki, H. Ehteram et al. // Int. J. Hematol. Oncol. Stem. Cell. Res. — 2016 Oct 1. — № 10(4). — Р. 239-247.
36. Nurchi V.M. Chemical features of in use and in progress chelators for iron overload / V.M. Nurchi, G. Crisponi, J.I. Lachowicz et al. // J. Trace Elem. Med. Biol. — 2016 Dec. — 38. — Р. 10-18. — doi: 10.1016/j.jtemb.2016.05.010. 
37. Pan Y. Comparison of the effects of acylation and amidation on the antimicrobial and antiviral properties of lactoferrin / Y. Pan, J. Wan, H. Roginski et al. // Lett. Appl. Microbiol. — 2007 Mar. — № 44(3). — Р. 229-34.
38. Reinhart A.A., Oglesby-Sherrouse A.G. Regulation of Pseudomonas aeruginosa Virulence by Distinct Iron Sources // Genes (Basel). — 2016 Dec 14. — № 7(12). — Рii: E126. Review. — PMID: 27983658.
39. Rosa L. Lactoferrin: A Natural Glycoprotein Involved in Iron and Inflammatory Homeostasis / L. Rosa, A. Cutone, M.S. Lepanto et al. // Int. J. Mol. Sci. — 2017 Sep 15. — № 18(9). — Рii: E1985. — doi: 10.3390/ijms18091985.
40. Russo T.A. Hypervirulent K. pneumoniae secretes more and more active iron-acquisition molecules than "classical" K.pneumoniae thereby enhancing its virulence / T.A. Russo, A.S. Shon, J.M. Beanan et al. // PLoS One. — 2011. — № 6(10). — Р. e26734. — doi: 10.1371/journal.pone.0026734.
41. Saha M. Microbial siderophores and their potential applications: a review / M. Saha, S. Sarkar, B. Sarkar et al. // Environ Sci. Pollut. Res. Int. — 2016 Mar. — № 23(5). — Р. 3984-99. — doi: 10.1007/s11356-015-4294-0.
42. Sheldon J.R., Laakso H.A., Heinrichs D.E. Iron Acquisition Strategies of Bacterial Pathogens // Microbiol. Spectr. — 2016 Apr. — № 4(2). — doi: 10.1128/microbiolspec.VMBF-0010-2015.
43. Sia A.K., Allred B.E., Raymond K.N.Siderocalins: Siderophore binding proteins evolved for primary pathogen host defense // Curr. Opin. Chem. Biol. — 2013 Apr. — № 17(2). — Р. 150-7. — doi: 10.1016/j.cbpa.2012.11.014.
44. Smith D.J. Targeting iron uptake to control Pseudomonas aeruginosa infections in cystic fibrosis / D.J. Smith, I.L. Lamont, G.J. Anderson, D.W. Reid // Eur. Respir. J. — 2013 Dec. — № 42(6). — Р. 1723-36. — doi: 10.1183/09031936.00124012.
45. Soares M.P., Weiss G. The Iron age of host-microbe interactions // EMBO Rep. — 2015 Nov. — № 16(11). — Р. 1482-500. — doi: 10.15252/embr.201540558.
46. Thompson M.G. Antibacterial activities of iron chelators against common nosocomial pathogens / M.G. Thompson, B.W. Corey, Y. Si et al. // Antimicrob. Agents Chemother. — 2012 Oct. — № 56(10). — Р. 5419-21. — doi: 10.1128/AAC.01197-12.
47. Troxell B., Yang X.F. Metal-dependent gene regulation in the causative agent of Lyme disease // Front. Cell. Infect. Microbiol. — 2013 Nov 15. — 3. — 79. — doi: 10.3389/fcimb.2013.00079.
48. Valenti P. Lactoferrin decreases inflammatory response by cystic fibrosis bronchial cells invaded with Burkholderia cenocepacia iron-modulated biofilm / P. Valenti, A. Catizone, F. Pantanella et al. // Int. J. Immunopathol. Pharmacol. — 2011 Oct-Dec. — № 24(4). — Р. 1057-68. — doi: 10.1177/039463201102400423.
49. Wilson B.R. Siderophores in Iron Metabolism: From Mechanism to Therapy Potential / B.R. Wilson, A.R. Bogdan, M. Miyazawa et al. // Trends Mol. Med. — 2016 Dec. — № 22(12). — Р. 1077-1090. — doi: 10.1016/j.molmed.2016.10.005.
50. Zheng T., Nolan E.M. Siderophore-based detection of Fe(III) and microbial pathogens // Metallomics. — 2012 Aug. — № 4(9). — Р. 866-80. — doi: 10.1039/c2mt20082a.

Back to issue