自然由来の化合物が薬剤耐性菌に効果的な可能性を示す
研究によると、プロタカテク酸が耐性のあるクレブシエラ肺炎菌感染と戦う可能性があるって。
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クレブシエラ・ニューモニエは、皮膚、肺、消化器系など体のいろんな場所にいるバイ菌の一種だよ。環境にも存在してる。このバイ菌は、特に免疫力が弱い人にとって深刻な健康問題を引き起こすことがあるんだ。肺炎、血液感染、尿路感染、髄膜炎など、いくつかの病気を引き起こす可能性があるよ。
動物から人間に食べ物や直接接触を通じてうつる可能性があるから、公衆衛生や農業の問題になってるんだ。残念なことに、クレブシエラ・ニューモニエは抗生物質の過剰使用によって多くの薬に耐性を持つようになっちゃった。特に強力な抗生物質のグループ、カルバペネムに対する耐性は、感染症の治療をすごく難しくしてる。
最近、新しくて危険なタイプのクレブシエラ・ニューモニエが特定されたんだ。このタイプはカルバペネムに耐性があるだけじゃなくて、すごく病原性が高いから、より重症化する可能性があるよ。こういうバイ菌は今や公衆衛生にとって深刻な新たな脅威と見なされてる。
新しい治療法の必要性
抗生物質の耐性が増えている問題に対処するために、この耐性バイ菌による感染症を治療する新しい方法を見つける必要が迫ってるんだ。一つの有望な分野は、植物に含まれる天然物質を抗菌剤として使うことだよ。
天然の植物成分は、安全で効果的なことが多いし、通常の抗生物質に比べて副作用も少ないことがあるんだ。フラボノイド、フェノール酸、タンニン、アントシアニンなどがその例だよ。これらの物質は、バイ菌の細胞壁を傷つけたり、エネルギー生産を邪魔したりすることができるんだ。
プロトカテキュー酸の紹介
その中の一つがプロトカテキュー酸(PCA)だよ。これは、ブラックベリー、イチゴ、茶などのいろんな果物や野菜に含まれるフェノール酸なんだ。PCAは、炎症を減らしたり、がんと戦ったりするなど多くの健康効果が知られてるし、いくつかの抗菌特性も持ってるんだ。
PCAはクレブシエラ・ニューモニエのバイオフィルム形成を止めることが示されているんだ。つまり、このバイ菌がくっついて集まって、殺しにくくなる保護層を作るのを防ぐことができるんだ。でも、最も耐性のあるタイプのクレブシエラ・ニューモニエに対するPCAの効果やそのメカニズムはまだ完全にはわかっていないんだ。
研究の焦点
この研究は、PCAがクレブシエラ・ニューモニエの成長や行動にどう影響するかを調べたんだ。PCAがこのバイ菌の正常な機能を妨げられるかどうか、抗生物質と一緒に耐性感染症を排除できるかを見たかったみたい。
研究者たちはカルバペネム耐性のクレブシエラ・ニューモニエの2つの株を使ったよ。PCAがバイ菌の成長や生存能力に与える影響をいろんな条件でチェックしたんだ。そして、PCAがバイオフィルム形成や細胞膜の安定性などのバイ菌の重要な機能とどう関わるかも見たんだ。
PCAの抗菌特性のテスト
研究者たちは、PCAの異なる濃度を試してバイ菌の成長にどう影響するかを調べたんだ。バイ菌の成長を止めるのに必要な最小限のPCAの量、つまり最小抑制濃度(MIC)を測定したよ。その結果、PCAは低濃度でもバイ菌の成長をかなり抑制できることがわかったんだ。
PCAの作用が時間とともにどう変化するかを見たため、いくつかの治療後の時点でバイ菌の成長を測ったんだ。結果として、PCAの濃度が高いほどバイ菌の成長が大きく減少したよ。
特殊な染色法を使ってバイ菌の構造を観察した結果、PCAがバイ菌のDNAにダメージを与えていることが示されたんだ。蛍光(明るさ)が不規則性を示して、DNAの完全性が損なわれたことがわかったんだ。
安全性の評価
PCAの人間の組織に対する安全性を評価するために、科学者たちは溶血テストを行ったよ。このテストは、PCAが赤血球にどう影響するかを調べるんだ。赤血球に害を与えなかったので、PCAはバイ菌に効果的な濃度で安全であるようだってわかったんだ。
耐性の発展評価
この研究はさらに、クレブシエラ・ニューモニエがPCAに対して耐性を発展させるかどうかをテストしたよ。伝統的な抗生物質は耐性を引き起こすことが多いけれど、PCAは何世代にもわたる暴露の後でも、バイ菌に意味のある耐性を与えなかったみたい。
抗生物質との相乗効果
PCAは抗菌剤としての可能性を示したから、研究者たちはPCAが既存の抗生物質、特にメロペネムの効果を高められるかどうかも調べたんだ。結果は、PCAがメロペネムのMICをかなり下げることがわかったんだ。これは、両方の物質を一緒に使うことで強い相乗効果があることを示唆しているよ。
バイオフィルム形成の抑制
バイ菌のバイオフィルムは、表面にくっついて厚い層を形成するから、治療が難しいんだ。この研究は、PCAがクレブシエラ・ニューモニエのバイオフィルム形成にどう影響するかを評価したんだ。特定のテストを使って、PCAがバイ菌のバイオフィルム形成能力を大きく減少させることがわかったよ。
追加のテストを通じて、PCAが細胞外多糖物質(バイオフィルムを構成する糖質)を低下させることが示されたんだ。この減少は、PCAがバイ菌同士の結合を妨げることを示しているよ。
バイ菌膜への影響
バイ菌の細胞膜は、生存と機能にとって重要なんだ。PCAはバイ菌の細胞膜の構造を変えて、粗くて不均一にすることがわかったよ。この構造変化は、膜の透過性を高めたりして、より多くの物質がバイ菌に出入りできるようになるんだ。
研究者たちはPCAが内膜と外膜の両方に与える影響をテストしたよ。PCAは両方の膜の透過性を高めることがわかって、バイ菌の保護バリアが損なわれていることを示しているんだ。この変化は、バイ菌の機能や治療に対する反応にも影響を及ぼす可能性があるよ。
代謝への影響
PCAは構造に影響を与えるだけでなく、クレブシエラ・ニューモニエの代謝にも影響するんだ。代謝プロセスはエネルギー生産や全体的なバイ菌の機能にとって重要なんだ。PCAで治療した後、研究者たちは主要な代謝経路に変化があったことを発見したんだ。
この研究は、重要な2つの代謝経路、ペントースリン酸経路(PPP)と解糖系における大きな変化を強調したよ。両方の経路はエネルギーや他の必要な物質を生成するのに重要なんだ。
PCA治療は、これらの経路における重要な酵素の活性を低下させたよ。この低下は、バイ菌の赤色酸化状態に不均衡をもたらし、細胞の正常な機能にとって重要なんだ。バランスが崩れると、バイ菌は酸化ストレスに対してより脆弱になっちゃうんだ。つまり、反応性酸素種(ROS)からのダメージを受けやすくなるんだ。
酸化ストレスの誘発
ペントースリン酸経路は、酸化ストレスに対抗するNADPHという分子を生成するのに重要なんだ。この研究は、PCA治療がクレブシエラ・ニューモニエのNADPHレベルを下げて、バイ菌がROSによるダメージを受けやすくなったことを見つけたんだ。
その結果、研究者たちはROSレベルの増加と、バイ菌細胞内での酸化ダメージを示すマロンジアルデヒド(MDA)の増加を観察したよ。バイ菌が受けるダメージが多ければ多いほど、生き延びて繁殖する可能性が低くなるんだ。
さらに、PCA治療は細胞内ATPレベルの低下を引き起こしたよ。ATPは細胞のエネルギー通貨で、レベルが低いとバイ菌が本来の機能を維持するのに苦労していることを示してるんだ。
結論
この研究は、プロトカテキュー酸(PCA)が薬剤耐性のクレブシエラ・ニューモニエに対抗するための有望な候補であることを示唆しているんだ。PCAは、このしつこいバイ菌の成長を抑制するだけでなく、既存の抗生物質の効果を高める可能性も持っているよ。
PCAがバイオフィルム形成を妨げたり、バイ菌の細胞膜や代謝プロセスを変えたりする力は、抗生物質耐性のために治療が難しくなった感染症に対する新しい戦略を提供するかもしれないよ。
薬剤耐性のバイ菌に対する懸念が高まる中で、PCAのような天然の化合物を使うことは、安全で効果的な治療法への道を開くかもしれないよ。自然の抗菌剤に関する研究を続けることは、感染症管理における進化する課題に取り組むために重要なんだ。
科学者たちがPCAやその作用メカニズムについてもっと学ぶにつれて、抗生物質耐性バイ菌と効果的に戦える新しい治療法の開発に希望が持てるってわけさ。
タイトル: Protocatechuic acid induces endogenous oxidative stress in CR-hvKP by regulating the EMP-PPP pathway
概要: BackgroundKlebsiella pneumoniae is an important opportunistic pathogen and zoonotic pathogen. The widespread use of antibiotics has led to the emergence of a large number of multidrug-resistant Klebsiella pneumoniae in clinical animal husbandry, posing a serious threat to global health security. Protocatechuic acid (PCA) is a phenolic acid substance naturally present in many vegetables and fruits. It is a safe and highly developed new type of antibacterial synergist. PurposeThis study explored the antibacterial and synergistic mechanisms of PCA against Carbapenem-resistant hypervirulent Klebsiella pneumoniae. Study designMetabolomic analysis using PCA to investigate the metabolic effects of CR-hvKP and further explore the antibacterial mechanisms resulting from this metabolic regulation. MethodsThe MIC of PCA was measured by microdilution, and its bactericidal effect was observed by DAPI staining. Resistance and hemolysis tests were performed to ensure safety. The synergy of PCA and meropenem was tested by checkerboard assay. The biofilm inhibition was assessed by crystal violet and EPS assays. The membrane morphology, permeability, and potential were examined by SEM, PI, NPN, and DiSC3(5). The metabolic changes were evaluated by AlamarBlue, metabolomics, enzyme activity, ELISA, molecular docking, and qRT-PCR. The oxidative stress and metabolic disorders were verified by NADP(H), ROS, MDA, and ATP assays. ResultsThe results showed that PCA can synergize with antibiotics and inhibit the biofilm and membrane functions of CR-hvKP at low concentrations. Metabolomics revealed that PCA affects the EMP and PPP pathways of CR-hvKP, causing oxidative stress. This involves the binding of PGAM and the downregulation of BPGM, leading to the accumulation of glycerate-3P. This results in the inhibition of G6PDH and the imbalance of NADPH/NADP+, disrupting the energy metabolism and increasing the oxidative stress, which impair the biofilm and membrane functions and enhance the antibiotic efficacy. ConclusionThe results demonstrate that PCA regulates the EMP-linked PPP pathway of CR-hvKP, inhibits biofilm and membrane functions, and synergizes with antibiotics to kill bacteria, providing new insights and candidates for natural antibacterial enhancers. Author SummaryKlebsiella pneumoniae is a common pathogenic bacterium that can infect both humans and animals, causing serious diseases such as pneumonia, meningitis, and sepsis. Due to the overuse of antibiotics, this bacterium has developed resistance to many drugs, posing a significant threat to global health security. Through our research, we have discovered a natural substance called protocatechuic acid (PCA) that can enhance the effectiveness of antibiotics against this bacterium. PCA is found in many vegetables and fruits and is a safe and non-toxic antibacterial adjuvant. Our analysis of the metabolomics of PCA on Klebsiella pneumoniae has revealed its antibacterial and synergistic mechanisms. The study found that PCA can affect the bacteriums sugar metabolism pathway, leading to the generation of endogenous oxidative stress. This disrupts their energy metabolism, damages their cell membranes and biofilms, making them more susceptible to being killed by antibiotics. Through this mechanism, PCA can synergize with common antibiotics such as meropenem, enhancing their bactericidal ability. Our research has demonstrated that PCA is an effective antibacterial adjuvant, providing new candidates and insights for the development of natural antibacterial agents. Graphical abstract O_FIG O_LINKSMALLFIG WIDTH=200 HEIGHT=104 SRC="FIGDIR/small/583678v1_ufig1.gif" ALT="Figure 1"> View larger version (27K): [email protected]@9f3c51org.highwire.dtl.DTLVardef@3125a8org.highwire.dtl.DTLVardef@9f39b7_HPS_FORMAT_FIGEXP M_FIG C_FIG
著者: Hong-Bin Si, Y. Zhong, Y. Cheng, S. Xing, X. Zhang, S. Luo, X. Shi, Y. He, H. Liu, M. Yang
最終更新: 2024-03-07 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.03.06.583678
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.03.06.583678.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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