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 14, №7, 2019

Back to issue

Pharmaceutical effect on the biofilm dispersion. Nitric oxide donors

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

У науковому огляді відображені сучасні уявлення про значення низьких концентрацій оксиду азоту в процесі диспергування та ерадикації бактеріальної біоплівки. Для написання статті здійснювався пошук інформації з використанням баз даних Scopus, Web of Science, MedLine, PubMed, Google Scholar, EMBASE, Global Health, The Cochrane Library, CyberLeninka. Охарактеризовано значення оксиду азоту в розвитку рецидивів інфекційно-запальних захворювань респіраторного тракту. Підкреслена здатність оксиду азоту при високих (мікромолярних) концентраціях бути високотоксичною сполукою для бактерій і найважливішим компонентом неспецифічного захисту макроорганізму від патогенних мікроорганізмів, а при низьких (наномолярних) концентраціях виконувати роль сигнальної молекули. Відображено здатність монооксиду азоту диспергувати біоплівку бактерій через посилення експресії або активності протеїнів, пов’язаних із рухливістю бактерій: пілі, рамноліпідів. Надана характеристика основних донорів оксиду азоту та молекулярних платформ, що можуть бути використані для їх доставки в макроорганізм. Наведені основні групи донорів оксиду азоту, такі як органічні нітрати, сполуки нітрозильованих металів, діолати діазенія (N-diazeniumdiolate — NONOate) і S-нітрозотіоли (S-nitrosothiol — RSNO). Зазначено, що донори оксиду азоту підсилюють диспергування біоплівки і сприяють підвищенню антибактеріальної активності антибіотиків. Охарактеризовані молекулярні платформи доставки й оптимізації режиму вивільнення оксиду азоту: неорганічні і полімерні наночастинки, металоорганічні координаційні полімери, дендримери, ліпосоми, міцели. Підкреслена можливість використання даних сполук для розробки нових препаратів, що будуть ефективні при лікуванні захворювань, асоційованих із формуванням біоплівок патогенними бактеріями.

В научном обзоре отражены современные представления о значении низких концентраций оксида азота в процессе диспергирования и эрадикации бактериальной биопленки. Для написания статьи осуществлялся поиск информации с использованием баз данных Scopus, Web of Science, MedLine, PubMed, Google Scholar, EMBASE, Global Health, The Cochrane Library, CyberLeninka. Охарактеризовано значение оксида азота в развитии рецидивов инфекционно-воспалительных заболеваний респираторного тракта. Подчеркнута способность оксида азота при высоких (микромолярных) концентрациях быть высокотоксичным соединением для бактерий и важнейшим компонентом неспецифической защиты макроорганизма от патогенных микроорганизмов, а при низких (наномолярных) концентрациях выполнять роль сигнальной молекулы. Отражена способность монооксида азота диспергировать биопленку бактерий через усиление экспрессии или активности протеинов, связанных с подвижностью бактерий: пили, рамнолипидов. Представлена характеристика основных доноров оксида азота и молекулярных платформ, которые могут быть использованы для их доставки в макроорганизм. Описаны основные группы доноров оксида азота, такие как органические нитраты, соединения нитрозилированных металлов, диолаты диазения (N-diazeniumdiolate — NONOate) и S-нитрозотиолы (S-nitrosothiol — RSNO). Указано, что доноры оксида азота усиливают диспергирование биопленки и способствуют повышению антибактериальной активности антибиотиков. Охарактеризованы молекулярные платформы доставки и оптимизации режима высвобождения оксида азота: неорганические и полимерные наночастицы, металлорганические координационные полимеры, дендримеры, липосомы, мицеллы. Подчеркнута возможность использования данных соединений для разработки новых препаратов, которые будут эффективны при лечении заболеваний, ассоциированных с формированием биопленок патогенными бактериями.

The scientific review deals with the modern ideas about the importance of low concentrations of nitric oxide in the process of dispersing and eradicating of bacterial biofilms. For writing the article, information was searched using Scopus, Web of Science, MedLine, PubMed, Google Scholar, EMBASE, Global Health, The Cochrane Library, CyberLeninka. The paper highlights the value of nitric oxide in the development of relapses of respiratory infectious-inflammatory diseases. It is emphasized that the ability of nitric oxide at high (micromolar) concentrations can become a highly toxic compound for bacteria and an important component of the nonspecific protection of a macroorganism from pathogenic microorganisms, and at low (nanomolar) concentrations can act as a signaling molecule. The ability of nitrogen monoxide to disperse the biofilm of bacteria through increased expression or activity of proteins associated with the motility of bacteria pili, rhamnolipids is described. The characteristics of the main donors of nitric oxide and molecular platforms that can be used for their delivery to the macroorganism are presented. The main groups of nitric oxide donors are described, such as organic nitrates, nitrosylated metal compounds, diazenium diolates (N-diazeniumdiolate — NONOate) and S-nitrosothiols (S-nitrosothiol — RSNO). It is indicated that nitric oxide donors enhance the dispersion of biofilms and contribute to an increase in the antibacterial activity of antibiotics. The paper characterizes the molecular platforms for the delivery and optimization of the nitric oxide release regime: inorganic and polymer nanoparticles, organometallic coordination polymers, dendrimers, liposomes, micelles. The possibility of using these compounds to develop new drugs that will be effective in treating diseases associated with the formation of biofilms by pathogenic bacteria is underlined.


Keywords

диспергування біоплівки; респіраторний тракт; донори оксиду азоту; рецидивуючі та хронічні інфекційно-запальні захворювання; огляд

диспергирование биопленки; респираторный тракт; доноры оксида азота; рецидивирующие и хронические инфекционно-воспалительные заболевания; обзор

biofilm dispersion; respiratory tract; nitric oxide donors; recurrent and chronic infectious and inflammatory diseases; review


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


Bibliography

1. Абатуров А.Е., Волосовец А.П., Борисова Т.П. Активированные азотсодержащие метаболиты организма человека при заболеваниях органов дыхания. Генераторы и генерация (часть 1). Здоровье ребенка. 2015. № 6(66). С. 136-140.

2. Абатуров А.Е., Волосовец А.П., Борисова Т.П. Активированные азотсодержащие метаболиты организма человека при заболеваниях органов дыхания. Генераторы и генерация (часть 2). Здоровье ребенка. 2015. № 7(67). С. 127-131.

3. Граник В.Г., Рябова С.Ю., Григорьев Н.Б. Экзогенные доноры оксида азота и ингибиторы его образования (химический аспект). Успехи химии. 1997. 66(8). С. 717-731. doi: 10.1070/RC1997v066n08ABEH000317.

4. Adnan N.N.M., Sadrearhami Z., Bagheri Aet alExploiting the Versatility of Polydopamine-Coated Nanoparticles to Deliver Nitric Oxide and Combat Bacterial Biofilm. Macromol. Rapid Commun. 2018 Jul. 39(13). e1800159. doi: 10.1002/marc.201800159.

5. Akter F., Coghlan G., de Mel A. Nitric oxide in paediatric respiratory disorders: novel interventions to address associated vascular phenomena? Ther. Adv. Cardiovasc. Dis. 2016 Aug. 10(4). Р. 256-70. doi: 10.1177/1753944716649893.

6. Allan R.N., Morgan S., Brito-Mutunayagam S. et al. Low Concentrations of Nitric Oxide Modulate Streptococcus pneumoniae Biofilm Metabolism and Antibiotic Tolerance. Antimicrob. Agents Chemother. 2016, Mar 25. 60(4). Р. 2456-66. doi: 10.1128/AAC.02432-15.

7. Arora D.P., Hossain S., Xu Y., Boon E.M. Nitric Oxide Regulation of Bacterial Biofilms. Biochemistry. 2015, Jun 23. 54(24). Р. 3717-28. doi: 10.1021/bi501476n.

8. Backlund C.J., Worley B.V., Schoenfisch M.H. Anti-biofilm action of nitric oxide-releasing alkyl-modified poly(amidoamine) dendrimers against Streptococcus mutans. Acta Biomater. 2016, Jan. 29. Р. 198-205. doi: 10.1016/j.actbio.2015.10.021.

9. Barraud N., Hassett D.J., Hwang S.H. et al. Involvement of nitric oxide in biofilm dispersal of Pseudomonas aeruginosa. J. Bacteriol. 2006 Nov. 188(21). Р. 7344-53. PMID: 17050922.

10. Barraud N., Kelso M.J., Rice S.A., Kjelleberg S. Nitric oxide: a key mediator of biofilm dispersal with applications in infectious diseases. Curr. Pharm. Des. 2015. 21(1). Р. 31-42. doi: 10.2174/1381612820666140905112822.

11. Berlanga M., Guerrero R. Living together in biofilms: the microbial cell factory and its biotechnological implications. Microb. Cell. Fact. 2016, Oct 1. 15(1). Р. 165. doi: 10.1186/s12934-016-0569-5.

12. Cai W., Wu J., Xi C., Meyerhoff M.E. Diazeniumdiolate-doped poly(lactic-co-glycolic acid)-based nitric oxide releasing films as antibiofilm coatings. Biomaterials. 2012 Nov. 33(32). Р. 7933-44. doi: 10.1016/j.biomaterials.2012.07.027.

13. Chan A.C., Bravo M. Cadena, Townley H.E. et al Effective delivery of volatile biocides employing mesoporous silicates for treating biofilms. J. R. Soc. Interface. 2017 Jan. 14(126). pii: 20160650. doi: 10.1098/rsif.2016.0650.

14. Chatterjee D., Cooley R.B., Boyd C.D. et al. Mechanistic insight into the conserved allosteric regulation of periplasmic proteolysis by the signaling molecule cyclic-di-GM. Elife. 2014, Sep 2. 3. e03650. doi: 10.7554/eLife.03650.

15. Choudhary S., Gupta L., Rani S. et al. Impact of Dendrimers on Solubility of Hydrophobic Drug Molecules. Front. Pharmacol. 2017 May 16. 8. Р. 261. doi: 10.3389/fphar.2017.00261.

16. Claes B., Boudewijns T., Muchez L. et al Smart Metal-Organic Framework Coatings: Triggered Antibiofilm Compound Release. ACS Appl Mater Interfaces. 2017, Feb 8. 9(5). Р. 4440-4449. doi: 10.1021/acsami.6b14152.

17. Cobb A., Thornton L. Hyperinflation of Nitroprusside. J. Pharm. Pract. 2018 Aug. 31(4). Р. 382-389. doi: 10.1177/0897190018762182.

18. Cutruzzolà F., Rinaldo S., Centola F., Brunori M. NO production by Pseudomonas aeruginosa cd1 nitrite reductase. IUBMB Life. 2003 Oct-Nov. 55(10–11). Р. 617-21. doi: 10.1080/15216540310001628672.

19. Cutruzzolà F., Frankenberg-Dinkel N. Origin and Impact of Nitric Oxide in Pseudomonas aeruginosa Biofilms. J. Bacteriol. 2016 Jan 1. 198(1). Р. 55-65. DOI: 10.1128/JB.00371-15.

20. Duan F., Feng X., Jin Y. et al. Metal-carbenicillin framework-based nanoantibiotics with enhanced penetration and highly efficient inhibition of MRSA. Biomaterials. 2017 Nov.144. Р. 155-165. doi: 10.1016/j.biomaterials.2017.08.024.

21. Fida T.T., Voordouw J., Ataeian M. et al. Synergy of Sodium Nitroprusside and Nitrate in Inhibiting the Activity of Sulfate Reducing Bacteria in Oil-Containing Bioreactors. Front. Microbiol. 2018 May 16. 9. 981 р. doi: 10.3389/fmicb.2018.00981.

22. Ganzarolli de Oliveira M. S-Nitrosothiols as Platforms for Topical Nitric Oxide Delivery. Basic Clin. Pharmacol. Toxicol. 2016 Oct. 119, Suppl. 3. Р. 49-56. doi: 10.1111/bcpt.12588.

23. Giacalone D., Smith T.J., Collins A.J. et al. Ligand-Mediated Biofilm Formation via Enhanced Physical Interaction between a Diguanylate Cyclase and Its Receptor. MBio. 2018, Jul 10. 9(4). pii: e01254-18. doi: 10.1128/mBio.01254-18.

24. Hasan S., Albayaty Y.N.S., Thierry B. Mechanistic studies of the antibiofilm activity and synergy with antibiotics of isosorbide mononitrate. Eur. J. Pharm. Sci. 2018, Mar 30. 115. Р. 50-56. doi: 10.1016/j.ejps.2018.01.003.

25. Hemeg H.A. Nanomaterials for alternative antibacterial therapy. Int. J. Nanomedicine. 2017, Nov 10. 12. Р. 8211-8225. doi: 10.2147/IJN.S132163.

26. Horst B.G., Marletta M.A. Physiological activation and deactivation of soluble guanylate cyclase. Nitric Oxide. 2018 Jul 1. 77. Р. 65-74. doi: 10.1016/j.niox.2018.04.011.

27. Hossain S., Nisbett L.M., Boon E.M. Discovery of Two Bacterial Nitric Oxide-Responsive Proteins and Their Roles in Bacterial Biofilm Regulation. Acc. Chem. Res. 2017, Jul 18. 50(7). Р. 1633-1639. doi: 10.1021/acs.accounts.7b00095.

28. Hwang S., Cha W., Meyerhoff M.E. Polymethacrylates with a covalently linked CuII-cyclen complex for the in situ generation of nitric oxide from nitrosothiols in blood. Angew Chem. Int. Ed. Engl. 2006, Apr 21. 45(17). Р. 2745-8. doi: 10.1002/anie.200503588.

29. Indra A., Song T., Paik U. Metal Organic Framework Derived Materials: Progress and Prospects for the Energy Conversion and Storage. Adv. Mater. 2018, Jul 8. e1705146. doi: 10.1002/adma.201705146.

30. Jardeleza C., Thierry B., Rao S. et al. An in vivo safety and efficacy demonstration of a topical liposomal nitric oxide donor treatment for Staphylococcus aureus biofilm-associated rhinosinusitis. Transl. Res. 2015 Dec. 166(6). Р. 683-92. doi: 10.1016/j.trsl.2015.06.009.

31. Kang Y., Lee Y.M., Kim J. еt al. Nitric oxide-releasing polymer incorporated ointment for cutaneous wound healing. J. Control. Release. 2015, Dec 28. 220(Pt B). Р. 624-30. doi: 10.1016/j.jconrel.2015.08.057.

32. Khan I., Gothwal A., Sharma A.K. et al. PLGA Nanoparticles and Their Versatile Role in Anticancer Drug Delivery. Crit. Rev. Ther. Drug. Carrier Syst. 2016. 33(2). Р. 159-93. doi: 10.1615/CritRevTherDrugCarrierSyst.2016015273.

33. Li X., Jiang X. Microfluidics for producing poly (lactic-co-glycolic acid)-based pharmaceutical nanoparticles. Adv. Drug. Deliv. Rev. 2018, Mar 15. 128. Р. 101-114. doi: 10.1016/j.addr.2017.12.015.

34. Li X.H., Lee J.H. Antibiofilm agents: A new perspective for antimicrobial strategy. J. Microbiol. 2017 Oct. 55(10). Р. 753-766. doi: 10.1007/s12275-017-7274-x.

35. Li Y., Heine S., Entian M. et al. NO-induced biofilm dispersion in Pseudomonas aeruginosa is mediated by an MHYT domain-coupled phosphodiesterase. J. Bacteriol. 2013 Aug. 195(16). Р. 3531-42. doi: 10.1128/JB.01156-12.

36. Lu Y., Slomberg D.L., Shah A., Schoenfisch M.H. Nitric oxide-releasing amphiphilic poly(amidoamine) (PAMAM) dendrimers as antibacterial agents. Biomacromolecules. 2013, Oct 14. 14(10). Р. 3589-98. doi: 10.1021/bm400961r.

37. Lu Y., Slomberg D.L., Sun B., Schoenfisch M.H. Shape- and nitric oxide flux-dependent bactericidal activity of nitric oxide-releasing silica nanorods. Small. 2013, Jun 24. 9(12). Р. 2189-98. doi: 10.1002/smll.201201798.

38. Metal-Organic Frameworks (MOF), или металлорганические координационные полимеры (МКОП) (Методическое пособие). Казань, 2013. 41 с.

39. Moore C.M., Nakano M.M., Wang T. et al. Response of Bacillus subtilis to nitric oxide and the nitrosating agent sodium nitroprusside. J. Bacteriol. 2004 Jul. 186(14). Р. 4655-64. PMID: 15231799.

40. Naghavi N., de Mel A., Alavijeh O.S. et al. Nitric oxide donors for cardiovascular implant applications. Small. 2013, Jan 14. 9(1). Р. 22-35. doi: 10.1002/smll.201200458.

41. Nairz M., Dichtl S., Schroll A. et al. Iron and innate antimicrobial immunity-Depriving the pathogen, defending the host. J. Trace Elem. Med. Biol. 2018 Jul. 48. Р. 118-133. doi: 10.1016/j.jtemb.2018.03.007.

42. Newell P.D., Monds R.D., O’Toole G.A. LapD is a bis-(3',5')-cyclic dimeric GMP-binding protein that regulates surface attachment by Pseudomonas fluorescens Pf0-1. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2009, Mar 3. 106(9). Р. 3461-6. doi: 10.1073/pnas.0808933106.

43. Pelgrift R.Y., Friedman A.J. Nanotechnology as a therapeutic tool to combat microbial resistance. Adv. Drug Deliv. Rev. 2013 Nov. 65(13–14). Р. 1803-15. doi: 10.1016/j.addr.2013.07.011.

44. Petrova O.E., Cherny K.E., Sauer K. The diguanylate cyclase GcbA facilitates Pseudomonas aeruginosa biofilm dispersion by activating BdlA. J. Bacteriol. 2015 Jan 1. 197(1). Р. 174-87. doi: 10.1128/JB.02244-14.

45. Petrova O.E., Sauer K. PAS domain residues and prosthetic group involved in BdlA-dependent dispersion response by Pseudomonas aeruginosa biofilms. J. Bacteriol. 2012 Nov. 194(21). Р. 5817-28. doi: 10.1128/JB.00780-12.

46. Ramezani M., Ebrahimian M., Hashemi M. Current Strategies in the Modification of PLGA-based Gene Delivery System. Curr. Med. Chem. 2017. 24(7). Р. 728-739. doi: 10.2174/0929867324666161205130416.

47. Rinaldo S., Giardina G., Mantoni F. et al. Beyond nitrogen metabolism: nitric oxide, cyclic-di-GMP and bacterial biofilms. FEMS Microbiol Lett. 2018, Mar 1. 365(6). doi: 10.1093/femsle/fny029.

48. Rinaldo S., Brunori M., Cutruzzolà F., Giardina G. N-oxide sensing and denitrification: the DNR transcription factors. Biochem. Soc. Trans. 2006 Feb. 34(Pt 1). Р. 185-7. doi: 10.1042/BST0340185.

49. Sherje A.P., Jadhav M., Dravyakar B.R., Kadam D. Dendrimers: A versatile nanocarrier for drug delivery and targeting. Int. J. Pharm. 2018, Sep 5. 548(1). Р. 707-720. doi: 10.1016/j.ijpharm.2018.07.030.

50. Suchyta D.J., Schoenfisch M.H. Encapsulation of N-Diazeniumdiolates within Liposomes for Enhanced Nitric Oxide Donor Stability and Delivery. Mol. Pharm. 2015, Oct 5. 12(10). Р. 3569-74. doi: 10.1021/acs.molpharmaceut.5b00248.

51. Sun B., Slomberg D.L., Chudasama S.L. et al. Nitric oxide-releasing dendrimers as antibacterial agents. Biomacromolecules. 2012, Oct 8. 13(10). Р. 3343-54. doi: 10.1021/bm301109c.

52. Tsai A.L., Martin E., Berka V., Olson J.S. How do heme-protein sensors exclude oxygen? Lessons learned from cytochrome c', Nostoc puntiforme heme nitric oxide/oxygen-binding domain, and soluble guanylyl cyclase. Antioxid. Redox Signal. 2012, Nov 1. 17(9). Р. 1246-63. doi: 10.1089/ars.2012.4564.

53. Wo Y., Brisbois E.J., Bartlett R.H., Meyerhoff M.E. Recent advances in thromboresistant and antimicrobial polymers for biomedical applications: just say yes to nitric oxide (NO). Biomater. Sci. 2016, Aug 19. 4(8). Р. 1161-83. doi: 10.1039/c6bm00271d.

54. Wood T.K. Biofilm dispersal: deciding when it is better to travel. Mol. Microbiol. 2014 Nov. 94(4). Р. 747-50. doi: 10.1111/mmi.12797.

55. Worley B.V., Schilly K.M., Schoenfisch M.H. Anti-Biofilm Efficacy of Dual-Action Nitric Oxide-Releasing Alkyl Chain Modified Poly(amidoamine) Dendrimers. Mol. Pharm. 2015, May 4. 12(5). Р. 1573-83. doi: 10.1021/acs.molpharmaceut.5b00006.

56. Yang L., Feura E.S., Ahonen M.J.R., Schoenfisch M.H. Nitric Oxide-Releasing Macromolecular Scaffolds for Antibacterial Applications. Adv. Healthc. Mater. 2018 Jul. 7(13). e1800155. doi: 10.1002/adhm.201800155.

57. Yang T., Zelikin A.N., Chandrawati R. Progress and Promise of Nitric Oxide-Releasing Platforms. Adv. Sci. (Weinh). 2018, Apr 23. 5(6). Р. 1701043. doi: 10.1002/advs.201701043.

58. Zhang H., Tian X.T., Shang Y. et al. Theranostic Mn-Porphyrin Metal-Organic Frameworks for Magnetic Resonance Imaging-Guided Nitric Oxide and Photothermal Synergistic Therapy. ACS Appl Mater Interfaces. 2018, Aug 29. 10(34). Р. 28390-28398. doi: 10.1021/acsami.8b09680.

59. Zheng Y., Tsuji G., Opoku-Temeng C., Sintim H.O. Inhibition of P. aeruginosa c-di-GMP phosphodiesterase RocR and swarming motility by a benzoisothiazolinone derivative. Chem. Sci. 2016, Sep 1. 7(9). Р. 6238-6244. doi: 10.1039/c6sc02103d.

Similar articles

Medication effect on the biofilm dispersion.  Amino acids and their derivatives
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

"Child`s Health" Том 14, №8, 2019
Date: 2020.01.14
Categories: Pediatrics/Neonatology
Sections: Specialist manual
Dispersion of bacterial biofilm and chronization of respiratory tract infection
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

"Child`s Health" Том 14, №5, 2019
Date: 2019.09.18
Categories: Pediatrics/Neonatology
Sections: Specialist manual
Pharmacological effect on biofilm dispersion. Derivatives of the diffusible signal factor family
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

"Child`s Health" Том 14, №6, 2019
Date: 2019.11.05
Categories: Pediatrics/Neonatology
Sections: Specialist manual
Medication-induced inhibition of the activity of sensing quorum  of Pseudomonas aeruginosa bacteria
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

"Child`s Health" Том 14, №4, 2019
Date: 2019.08.05
Categories: Pediatrics/Neonatology
Sections: Specialist manual

Back to issue