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, №8, 2019

Back to issue

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

Categories: Pediatrics/Neonatology

Sections: Specialist manual

print version


Summary

У науковому огляді подана значущість деяких амінокислот у процесі диспергування бактеріальних біоплівок. Для написання статті виконувався пошук інформації з використанням баз даних Scopus, Web of Science, MedLine, PubMed, Google Scholar, EMBASE, Global Health, The Cochrane Library, CyberLeninka. Відображено вплив амінокислот як нутрієнтів на пізні стадії життя біоплівки, представлено вплив D-енантіомерів амінокислот, триптофану та його дериватів на диспергування біоплівки. Підкреслено, що D-амінокислоти, а саме D-тирозин, D-метіонін, D-лейцин, D-триптофан, перешкоджають адгезії амілоїдних волокон, які утримують в агрегації бактерії біоплівок. D-амінокислоти інгібують експресію генів, що беруть участь у продукції компонентів матриксу біоплівки, і таким чином реалізують свою антибіоплівкову дію. Розкрито здатність триптофану попереджати розвиток і викликати диспергування біоплівок, зокрема асоційованих з бактеріями Pseudomonas aeruginosa. Зазначено, що роль антранілатів полягає в порушенні структури біоплівки і стимулюванні відриву ділянок від біоплівок, сформованих бактеріями Pseudomonas aeruginosa. Антранілати можуть сприяти перериванню хронізації інфекційного процесу. Припущено, що використання амінокислот і їх похідних, створення нових хімічних сполук, які імітують структури молекул амінокислот або змінюють активність синтезу і деградації певних амінокислот, дозволить цілеспрямовано управляти циклом життя біоплівок деяких видів патогенних бактерій, що буде сприяти виліковуванню інфекційних рецидивуючих і хронічних захворювань. Подано перспективу розробки нових препаратів на основі антранілової кислоти і галогенованих індолів, що сприяють бактеріальній ерадикації при інфекціях респіраторного тракту, асоційованих з розвитком біоплівок бактерій антибіотикорезистентних бактеріальних агентів.

В научном обзоре представлено значение некоторых аминокислот в процессе диспергирования бактериальных биопленок. 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. Отражено влияние аминокислот как нутриентов на поздние стадии жизни биопленки, представлено влияние D-энантиомеров аминокислот, триптофана и его дериватов на диспергирование биопленки. Подчеркнуто, что D-аминокислоты, а именно D-тирозин, D-метионин, D-лейцин, D-триптофан, препятствуют адгезии амилоидных волокон, которые удерживают в агрегации бактерии биопленок. D-аминокислоты ингибируют экспрессию генов, участвующих в продукции компонентов матрикса биопленки, и таким образом реализуют свое антибиопленочное действие. Раскрыта способность триптофана предупреждать развитие и вызывать диспергирование биопленок, в частности, ассоциированных с бактериями Pseudomonas aeruginosa. Указано, что роль антранилатов заключается в нарушении структуры биопленки и стимулировании отрыва участков от биопленок, сформированных бактериями Pseudomonas aeruginosa. Антранилаты могут способствовать прерыванию хронизации инфекционного процесса. Предположено, что использование аминокислот и их дериватов, создание новых химических соединений, которые имитируют структуры молекул аминокислот или изменяют активность синтеза и деградации определенных аминокислот, позволит целенаправленно управлять циклом жизни биопленок некоторых видов патогенных бактерий, что будет способствовать излечению инфекционных рецидивирующих и хронических заболеваний. Представлена перспектива разработки новых препаратов на основе антраниловой кислоты и галогенерированных индолов, способствующих бактериальной эрадикации при инфекциях респираторного тракта, ассоциированных с развитием биопленок бактерий антибиотикорезистентных бактериальных агентов.

The scientific review presents the significance of some amino acids in the process of dispersing of bacterial biofilms. To write the article, information was searched using Scopus, Web of Science, MedLine, PubMed, Google Scholar, EMBASE, Global Health, the Cochrane Library, CyberLeninka. The influence of amino acids as nutrients on the late stages of biofilm life is considered, the effect of the D-enantiomers of amino acids on tryptophan and its derivatives on the biofilm dispersion is presented. It is emphasized that D-amino acids, namely, D-tyrosine, D-methionine, D-leucine, D-tryptophan, prevent the adhesion of amyloid fibers, which keep the aggregation of the biofilms. D-amino acids inhibit the expression of genes involved in the production of components of the biofilm matrix, and thus realize their antibiotic effect. The ability of tryptophan to prevent the development and dispersion of biofilms, in particular those associated with the bacteria Pseudomonas aeruginosa, is highlighted. It is indicated that the role of anthranilates is to disrupt the structure of the biofilm and to stimulate the separation of sites from biofilms formed by the bacteria Pseudomonas aeruginosa. Anthranilates can help interrupt the chronicity of the infectious process. It is assumed that the use of amino acids and their derivatives, the creation of new chemical compounds that mimic the structure of amino acid molecules or alter the activity of the synthesis and degradation of certain amino acids will allow purposefully to control the life cycle of biofilms of certain types of pathogenic bacteria, which will contribute to the recovery of infectious recurrent and chronic diseases. The paper presents the prospect of developing new drugs based on anthranilic acid and halogenated indoles that promote bacterial eradication in respiratory tract infections associated with the development of bacterial biofilms of antibiotic-resistant bacterial agents.


Keywords

диспергування біоплівки; респіраторний тракт; амінокислоти та їх деривати; рецидивуючі та хронічні інфекційно-запальні захворювання; огляд

диспергирование биопленки; респираторный тракт; аминокислоты и их дериваты; рецидивирующие и хронические инфекционно-воспалительные заболевания; обзор

biofilm dispersion; respiratory tract; amino acids and their derivatives; recurrent and chronic infectious and inflammatory diseases; review


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


Bibliography

1. Aliashkevich A., Alvarez L., Cava F. New Insights Into the Mechanisms and Biological Roles of D-Amino Acids in Complex Eco-Systems. Front. Microbiol. 2018 Apr 6. 9. 683. doi: 10.3389/fmicb.2018.00683.

2. Ampornaramveth R.S., Akeatichod N., Lertnukkhid J., Songsang N. Application of D-Amino Acids as Biofilm Dispersing Agent in Dental Unit Waterlines. Int. J. Dent. 2018 Jan 14. 2018. 9413925. doi: 10.1155/2018/9413925.

3. Baltrus D.A., Dougherty K., Diaz B., Murillo R. Evolutionary Plasticity of AmrZ Regulation in Pseudomonas. mSphere. 2018 Apr 18. 3(2). pii: e00132-18. doi: 10.1128/mSphere.00132-18.

4. Bansal T., Englert D., Lee J. et al. Differential effects of epinephrine, norepinephrine, and indole on Escherichia coli O157:H7 chemotaxis, colonization, and gene expression. Infect. Immun. 2007 Sep. 75(9). 4597-607. doi: 10.1128/IAI.00630-07.

5. Basu Roy A., Sauer K. Diguanylate cyclase NicD-based signalling mechanism of nutrient-induced dispersion by Pseudomonas aeruginosa. Mol. Microbiol. 2014 Nov. 94(4). 771-93. doi: 10.1111/mmi.12802.

6. Brandenburg K.S., Rodriguez K.J., McAnulty J.F. et al. Tryptophan inhibits biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa. Antimicrob. Agents Chemother. 2013 Apr. 57(4). 1921-5. doi: 10.1128/AAC.00007-13.

7. Cava F., Lam H., de Pedro M.A., Waldor M.K. Emerging knowledge of regulatory roles of D-amino acids in bacteria. Cell. Mol. Life Sci. 2011 Mar. 68(5). 817-31. doi: 10.1007/s00018-010-0571-8.

8. Chakraborty P., Daware A.V., Kumari M. et al. Free tryptophan residues inhibit quorum sensing of Pseudomonas aeruginosa: a potential approach to inhibit the development of microbial biofilm. Arch. Microbiol. 2018 Jul 23. doi: 10.1007/s00203-018-1557-4.

9. Costaglioli P., Barthe C., Claverol S. et al. Evidence for the involvement of the anthranilate degradation pathway in Pseudomonas aeruginosa biofilm formation. Microbiologyopen. 2012 Sep. 1(3). 326-39. doi: 10.1002/mbo3.33.

10. Fleming D., Rumbaugh K.P. Approaches to Dispersing Medical Biofilms. Microorganisms. 2017 Apr 1. 5(2). pii: E15. doi: 10.3390/microorganisms5020015.

11. Harmata A.J., Ma Y., Sanchez C.J. et al. D-amino acid inhibits biofilm but not new bone formation in an ovine model. Clin. Orthop. Relat. Res. 2015 Dec. 473(12). 3951-61. doi: 10.1007/s11999-015-4465-9.

12. Hassanov T., Karunker I., Steinberg N. et al. Novel antibiofilm chemotherapies target nitrogen from glutamate and glutamine. Sci Rep. 2018 May 8. 8(1). 7097. doi: 10.1038/s41598-018-25401-z.

13. Hochbaum A.I., Kolodkin-Gal I., Foulston L. et al. Inhibitory effects of D-amino acids on Staphylococcus aureus biofilm development. J. Bacteriol. 2011 Oct. 193(20). 5616-22. doi: 10.1128/JB.05534-11.

14. Jaglin M., Rhimi M., Philippe C. et al. Indole, a Signaling Molecule Produced by the Gut Microbiota, Negatively Impacts Emotional Behaviors in Rats. Front Neurosci. 2018 Apr 9. 12. 216. doi: 10.3389/fnins.2018.00216.

15. Jones C.J., Ryder C.R., Mann E.E., Wozniak D.J. AmrZ modulates Pseudomonas aeruginosa biofilm architecture by directly repressing transcription of the psl operon. J. Bacteriol. 2013 Apr. 195(8). 1637-44. doi: 10.1128/JB.02190-12.

16. Kim J., Park W. Indole: a signaling molecule or a mere metabolic byproduct that alters bacterial physiology at a high concentration? J. Microbiol. 2015 Jul. 53(7). 421-8. doi: 10.1007/s12275-015-5273-3.

17. Kim S.K., Lee J.H. Biofilm dispersion in Pseudomonas aeruginosa. J. Microbiol. 2016 Feb. 54(2). 71-85. doi: 10.1007/s12275-016-5528-7.

18. Kim S.K., Park H.Y., Lee J.H. Anthranilate deteriorates the structure of Pseudomonas aeruginosa biofilms and antagonizes the biofilm-enhancing indole effect. Appl. Environ. Microbiol. 2015 Apr. 81(7). 2328-38. doi: 10.1128/AEM.03551-14.

19. Kolodkin-Gal I., Romero S. Cao et al. D-amino acids trigger biofilm disassembly. Science. 2010 Apr 30. 328(5978). 627-9. doi: 10.1126/science.1188628.

20. Kurnasov O., Jablonski L., Polanuyer B. et al. Aerobic tryptophan degradation pathway in bacteria: novel kynurenine formamidase. FEMS Microbiol Lett. 2003 Oct 24. 227(2). 219-27.

21. Lee J.H., Kim Y.G., Gwon G. et al. Halogenated indoles eradicate bacterial persister cells and biofilms. AMB Express. 2016 Dec. 6(1). 123. doi: 10.1186/s13568-016-0297-6.

22. Lee J.H., Lee J. Indole as an intercellular signal in microbial communities. FEMS Microbiol Rev. 2010 Jul. 34(4). 426-44. doi: 10.1111/j.1574-6976.2009.00204.x.

23. Lee J.-H., Wood T.K., Lee J. Roles of indole as an interspecies and interkingdom signaling molecule. Trends in microbiology. 2015. 23. 707-718. doi: 10.1016/j.tim.2015.08.001.

24. Leiman S.A., May J.M., Lebar M.D. et al. D-amino acids indirectly inhibit biofilm formation in Bacillus subtilis by interfering with protein synthesis. J. Bacteriol. 2013 Dec. 195(23). 5391-5. doi: 10.1128/JB.00975-13.

25. Li X.H., Kim S.K., Lee J.H. Anti-biofilm effects of anthranilate on a broad range of bacteria. Sci Rep. 2017 Aug 17. 7(1). 8604. doi: 10.1038/s41598-017-06540-1.

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

27. Liu J., Prindle A., Humphries J. et al. Metabolic co-dependence gives rise to collective oscillations within biofilms. Nature. 2015 Jul 30. 523(7562). 550-4. doi: 10.1038/nature14660.

28. Oppenheimer-Shaanan Y., Steinberg N., Kolodkin-Gal I. Small molecules are natural triggers for the disassembly of biofilms. Trends Microbiol. 2013 Nov. 21(11). 594-601. doi: 10.1016/j.tim.2013.08.005.

29. Pringle S.L., Palmer K.L., McLean R.J. Indole production provides limited benefit to Escherichia coli during co-culture with Enterococcus faecalis. Arch. Microbiol. 2017 Jan. 199(1). 145-153. doi: 10.1007/s00203-016-1289-2.

30. Sanchez C.J. Jr, Akers K.S., Romano D.R. et al. D-amino acids enhance the activity of antimicrobials against biofilms of clinical wound isolates of Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa. Antimicrob. Agents Chemother. 2014 Aug. 58(8). 4353-61. doi: 10.1128/AAC.02468-14.

31. Sanchez Z., Tani A., Kimbara K. Extensive reduction of cell viability and enhanced matrix production in Pseudomonas aeruginosa PAO1 flow biofilms treated with a D-amino acid mixture. Appl. Environ. Microbiol. 2013 Feb. 79(4). 1396-9. doi: 10.1128/AEM.02911-12.

32. Sauer K., Cullen M.C., Rickard A.H. et al Characterization of nutrient-induced dispersion in Pseudomonas aeruginosa PAO1 biofilm. J. Bacteriol. 2004 Nov. 186(21). 7312-26. doi: 10.1128/JB.186.21.7312-7326.2004.

Similar articles

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
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

"Child`s Health" Том 14, №7, 2019
Date: 2019.12.10
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
Antibiofilm therapy in the treatment of respiratory infectious diseases caused  by bacterial pathogens
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 13, №7, 2018
Date: 2018.12.18
Categories: Pediatrics/Neonatology
Sections: Specialist manual

Back to issue