Влияние эфирных масел полыни на формирование биопленок микроорганизмов

В статье приведены данные литературы о биологических свойствах эфирных масел полыни. Обоснована необходимость изучения эффективности эфирных масел в терапии инфекционных заболеваний. Показана возможность применения эфирных масел при хронизации воспалительного процесса, обусловленного формированием биопленок микроорганизмов. Авторы определили перспективность исследований видов полыни, произрастающих в Казахстане. Список литературы включает 37 источников, из которых 29 опубликованы в зарубежной печати.

Распространение лекарственно-устойчивых возбудителей является одним из самых серьезных угроз для успешного лечения инфекционных заболеваний. Это побудило исследователей к поиску новых противомикробных препаратов. Вклад в решение этой проблемы могут внести фитопрепараты, сочетающие антимикробные свойства с противовоспалительным и регенерирующим действием. Потенциальными источниками новых антибактериальных соединений являются эфирные масла (ЭМ) растений [2]. ЭМ растений достаточно широко применяются в местном лечении инфекционно-воспалительных заболеваний и трофических язв [2] как в монотерапии, так и в составе сложных препаратов [1]. ЭМ использовались на протяжении веков в традиционной медицине для лечения различных заболеваний. Де ла Круа был первым, кто в 1881 году оценил антибактериальные свойства ЭМ [3]. Актуальным направлением является отбор наиболее эффективно подавляющих рост и снижающих персистентные свойства микроорганизмов эфирных масел полыней, обладающих антимикробной, противовоспалительной и антифунгальной активностью.

Эфирные масла представляют собой сложные смеси различных молекул и поэтому трудно определить, чем обусловлен биологический эффект: это результат синергизма всех молекул или отражает действие только основных молекул, полученных при экстракции. Наиболее вероятно, что активность основных компонентов модулируется другими минорными молекулами [4]. Установлено, что, наряду с противовоспалительным и репаративным эффектом, они оказывают влияние и на микроорганизмы [5,6]. Гидрофобность ЭМ дает им возможность разделить липиды бактериальной клеточной мембраны и митохондрий, в результате чего нарушается их проницаемость, ведущая к гибели клеток [7]. Механизм действия эфирных масел включает деградацию клеточной стенки, повреждение цитоплазматической мембраны, коагуляцию цитоплазмы, увеличение их проницаемости, повреждение мембранных белков, что приводит к утечке содержимого клетки, снижению синтеза АТФ с уменьшением внутриклеточного пула АТФ. Таким образом, гидрофобный характер ЭМ позволяет им проникать в микробные клетки и вызывать изменения их структуры и функциональности [8,9]. Последнее очень важно, так как это свойство определяет различные типы радикальных реакций, в зависимости от распределения в клетке. Исходя из концепции синергизма, как наиболее значимого, более информативно изучение цельного эфирного масла, а не одного компонента ЭМ.

Исследования последних лет показали, что природные популяции бактерий существуют в виде сообщества микробных клеток (биопленки), прикрепленных к поверхности и встроенных в матрицу внеклеточных полимерных биомолекул [10]. Матрица содержит полисахариды, белки и ДНК, обеспечивает структурную стабильность и защиту биопленки (БП). БП могут быть образованы как одним, так и несколько видами микроорганизмов [11,12]. Формирование бактериальных БП определяет хронизацию воспалительного процесса, со стойкими проявлениями воспаления и повреждения тканей, так как бактерии в БП проявляют повышенную устойчивость к антибиотикам и противостоят фагоцитозу и другим компонентам системы защиты организма. Первым этапом образования БП является обратимое прикрепление к поверхности, когда бактерии достаточно чувствительны к антибиотикам. Затем наблюдается необратимое связывание бактерий с поверхностью, что приводит к образованию микроколоний и полимерной матрицы [13]. Отличительной чертой БП является их способность противодействовать антимикробным агентам [14,15]. Неравнозначна значимость устойчивости микробов к антибиотикам в БП и вообще развитие антибиотикорезистентности, так как бактерии внутри БП, как правило, сохраняются из-за трудности доступа АБ, а при разрушении БП становятся восприимчивыми к лечению [12,16].

Поиск активных соединений привело к открытию и изоляции многих соединений, таких как монотерпеноиды, сесквитерпеноидов, флавоноиды и кумарины, и алифатические и липидные соединения [17,18]. Кроме антималярийной активности [17] у A.annua было выявлено противовоспалительное, жаропонижающее [19], противораковое [20], противогрибковое [21], противопаразитарное [22], противоопухолевое [23], а также цитотоксическое [24] действие. Изменчивость химического состава эфирного масла полыни зависит от географического происхождения и стадии развития растений [17,25,26,27].

Первое сообщение о антимикробной и антиоксидантной активности эфирного масла A. аnnua, произрастающего в Боснии, сообщили Cavar Sanja с соавт. [28]. Во всех тестах ЭМ не демонстрировало заметную антиоксидантную активность, но была сопоставима с активностью тимола, известного антиоксиданта. Скрининг антимикробной активности ЭМ в отдельности оценивался в отношении представителей грам-положительных, грам-отрицательных бактерий и грибов, с использованием метода диффузии в агар. Все испытанные микроорганизмы ингибировались ЭМ.

influenzae и S.pneumoniae были наиболее чувствительны. P.aeruginosa, как известно, имеют высокий уровень устойчивости к практически всем известным противомикробным препаратам и антибиотикам, к синтетическим препаратам, тем не менее, эфирные масла A. аnnua ингибировали рост этой бактерии. Заметную антимикробную активность определена против S. аureus, вирулентных штаммов E. coli . Определена активность против С.кrusei. Ранее также сообщалось об антимикробной активности A. аnnua против различных микроорганизмов - E. coli, S. аureus, Candida аlbicans [19,20,21,29,30].

Изучение эффективности ЭМ A. herba-alba на P. Aeruginosa на стадии адгезии показало, что в субингибирующей концентрации ЭМ способно ингибировать прикрепление P. Aeruginosa к поверхности полистирола [31]. Угнетение прикрепления синегнойной может быть объяснено повреждением клеточной мембраны и рецепторов адгезии на бактериальной клеточной поверхности. Как уже говорилось ранее, механизмы действия эфирных масел включают деградацию и повреждение клеточной стенки и цитоплазматической мембраны. Считается, что ЭМ А.Herba- Alba может вызвать изменения в клеточной стенке и цитоплазматической мембране в сублетальной дозе, что препятствовало первоначальному прикреплению P.aeruginosa к поверхности полистирола.

Уткина Т.М. с соавт. [32] при изучении влияния ЭМ полыни на рост и персистентные свойства стафилококков установили, что ЭМ полыней: Artemisia absinthium L., Artemisia dracunculus L., Artemisia frigida Willd., Artemisia glauca Pall. ex Willd., Artemisia macrocephala Jacq. ex Bess., Artemisia nitrosa Web. ex Stechm., Artemisia obtusiloba Ledeb., Artemisia pontica L., Artemisia santolinifolia Turcz. ex Bess., Artemisia scoparia Waldst. et Kit., Artemisia sieversiana Willd., Artemisia tanacetifolia L., из различных регионах Южной Сибири обладали бактерицидной активностью как в отношении S.epidermidis, так и S.aureus. Показано, что максимальной способностью ингибировать факторы персистенции стафилококков (АЛА и АКрА) характеризуются ЭМ Artemisia glauca Pall. ex Willd., причем ЭМ Artemisia glauca Pall. ex Willd. наиболее эффективно подавляло АЛА ЭМ Artemisia glauca Pall. ex Willd. Среди изученных ЭМ полыни, способных подавлять биопленкообразование S.aureus, выявлено не было, тогда как ЭМ Artemisia macrocephala Jacq. ex Bess. характеризовалось способностью эффективно (на 60% и более) подавлять биопленкообразование эпидермальных стафилококков.

Большой интерес представляют лекарственные растения, которые способны служить не только основой для разработки средств с антимикробной активностью, но и выступать в качестве источника соединений, обладающих необходимой модифицирующей активностью в отношении персистентного потенциала патогенов [33,34]. В опытах in vitro выявлена ингибирующая способность фитопрепаратов в отношении антилизоцимного и «антиинтерферонового» признаков энтеробактерий [35]. Подавляющее большинство изученных лекарственных растений обладало выраженным однонаправленным ингибирующим действием на АЛА энтеробактерий, грибов рода Candida, анаэробных микроорганизмов, в частности клостридий и бактероидов [33]. Однако наряду с ингибирующим и индифферентным действием некоторые растения повышали уровень экспрессии признака. Авторы рекомендуют проводить отбор лекарственных растений для терапии по их ингибирующему действию на факторы персистенции патогенных и условно-патогенных микроорганизмов [36,37]. При изучении влияния ЭМ полыни на антилизоцимную (АЛА) и антикарнозиновую (АКрА) активности стафилококков установлено, что они оказывают индифферентное, стимулирующее и ингибирующее действие. Показано, что максимальной способностью ингибировать факторы персистенции стафилококков (АЛА и АКрА) характеризуются ЭМ Artemisia glauca, причем ЭМ Artemisia glauca наиболее эффективно подавляло АЛА, а ЭМ Artemisia glauca - АКрА эпидермальных стафилококков, тогда как Artemisia glauca - АЛА и АКрА золотистых стафилококков [32].

В работе Карташовой О.Л. с соавт. [37] приведены результаты изучения антимикробной активности ЭМ различных видов полыни в отношении ряда микроорганизмов (Staphylococcus aureus, S. epidermidis, Escherichia coli, Candida albicans), а также их влияние на способность микроорганизмов формировать БП. В исследование было включено 14 видов полыни: Artemisia abrotanum, Artemisia glauca Pall, ex Willd., Artemisia nitrosa Web. ex Stechm., Artemisia dracunculus L., Artemisia macrocephala Jacq. ex Bess., Artemisia obtusiloba Ledeb., Artemisia tanacetifolia L., Artemisia absinthium L., Artemisia pontica L., Artemisia santolinifolia, Artemisia scoparia Waldst. et Kit., Artemisia sieversiana Willd., Artemisia santolinifolia Turcz. ex Bess., Artemisia frigida Willd. Авторами установлена бактерицидная активность всех видов полыни, но различаясь в зависимости от испытуемого микробного теста. Так, бактерицидными свойствами против S. еpidermidis обладали 9, S. Aureus- 6 и Е. coli - 11 видов полыни. Почти все виды полыни обладали бактериостатическим действием на тестируемые микроорганизмы. На способность микроорганизмов к биопленкообразованию оказывали разнонаправленное действие полыни: индифферентное, стимулирующее (S. Aureus) и ингибирующее (S.epidermidis, Е. coli, С. Albicans).

Проведенные исследования открывают перспективу для дальнейшего изучения эфирных масел полыни в качестве вспомогательных средств, пригодных для терапии как острых инфекционно-воспалительных заболеваний, так и ассоциированных с персистирующей микрофлорой. В Казахстане произрастают более 81 видов полыни, из которых изучены лишь небольшая часть: полынь армянская (Аrtemisia armeniaca Lam.), полынь тонковойлочная (А.tomentella), полынь однолетняя (A. annua), полынь понтийская (A. pontica), полынь Турнефоровская (A. tournefortiana), полынь рассеченная (A. laciniata), полынь полусухая (A. semiarida), полынь полубелая (A. albida), полынь Маршалловская (A.Marschalliana), полынь цитварная (A. cina). Представляют интерес не изученные до настоящего времени полыни Artemisia aschurbajewii и Artemisia gmelinii, которые произрастают на каменистых поверхностях с большой солнечной инсоляцией, что предопределяет возможность присутствия значительного количества и видов активных биологических веществ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Панкрушева Т. А., Кобзарева Е. В. Разработка многокомпонентных мазей для лечения местных гнойно-воспалительных процессов // Актуальные проблемы медицины и фармации: сб. науч. тр. - Курск: 2001. - С. 264-265.
2. Муравьев И. А., Ткачева И. И., Кравченко Э. К. Исследование стабильности эфирных масел в мазях физико-химическими методами анализа // Фармация. - 1989. - №4. - С. 54 - 55.
3. Burt S. Essential oils Their antibacterial properties and potential applications in foods-a review // Int J Food Microbio. - 2004. - № l. - С. 223-253.
4. Bakkali, F., Averbeck, S., Averbeck, D., Idaomar, M., 2008. Biological effects of essential oils - a review. // Food Chem. Toxicol. 46, 446475.
5. Hammer K. A., Carson C.F., Riley T.V., Antimicrobial activity of essential oils and other plants extracts / / Journal of Applied Microbiology. 2000. - Vol. 88, № 2. - P. 308-316.
6. Kalemba D., Kunicka A. Antibacterial and antifungal-properties of essential oils // Curr Med Chem. - 2003. - Vol. 10. - P. 813-829.
7. Mah TF, O'Toole GA. Mechanisms of biofilm resistance to antimicrobial agents. // Trends Microbiol. - 2001; - 9(1): - 34-39.
8. Nazzaro F, Fratianni F, De Martino L, Coppola R, De Feo V. Effect of essential oils on pathogenic bacteria. // Pharmaceuticals. - 2013; - 6: - 1451-1474.
9. Bajpai VK, Sharma A, Baek KH. Antibacterial mode of action of the essential oil obtained from Chamaecyparis obtusa sawdust on the membrane integrity of selected foodborne pathogens. // Food Technol Biotechnol. - 2014; - 52(1): - 109-118.
10. Doulam RM, Costerton JW. Biofilms: Survival mechanisms of clinically relevant microorganisms. // Clin Microbiol Rev. - 2002; - 15(2): - Р. 167-193.
11. Toole GO, Kaplan HB, Kolter R. Biofilm formation as microbial development. Annu Rev Microbiol. 2000;54:49-79. // British Journal of Pharmaceutical Research, 4(19): - , 2014 2280
12. Hoiby N, Bjarnsholt T, Givskov M, Molin S, Ciofu O. Antibiotic resistance of bacterial biofilms. // Int J Antimicrob Agents. - 2010;35: - Р.322-332.
13. Marshall KC. Biofilms: An overview of bacterial adhesion, activity, and control at surfaces. // ASM News. - 1992;58: - Р.202-207.
14. Luppens SB, Rombouts FM, Abee T. The effect of the growth phase of Staphylococcus aureus on resistance to disinfectants in a suspension test. // J Food Prot. - 2002;65:- 124-129.
15. Gupta K, Marques CNH, Petrova OE, Sauer K. Antimicrobial tolerance of Pseudomonas aeruginosa biofilms is activated during an early developmental stage and requires the two- component hybrid Sag S. // J Bacteriol. - 2013; - 195(21): -4975-4987.
16. Bayles KW: The biological role of death and lysis in biofilm development. // Nat Rev Microbiol.- 2007; - 5: - 721-726.
17. Bhakuni, R.S., Jain, D.C., Sharma, R.P., 2002. Phytochemistry of Artemisia annua and the development of artemisinin-derived antimalarial agents. In: // Wright, C.W. (Ed.), Artemisia. Taylor & Francis, London, UK, pp. 211-248.
18. Bhakuni, R.S., Jain, D.C., Sharma, R.P., Kumar, S., 2001. Secondary metabolites of Artemisia annua and their biological activity. // Curr. Sci. 80 (1), 35-48.
19. Huang, L., Liu, J.F., Liu, L.X., Li, D.F., Zhang, Y., Nui, H.Z., Song, H.Y., Zhang, C.Y., 1993. Antipyretic and anti-inflammatory effects of Artemisia annua // L. Zhongguo Zhong Yao Za Zhi - 18 (1),- 44-48.
20. Zheng, G.Q., Cytotoxic terpenoids and flavonoids from Artemisia annua. // Planta Med. - 1994.- 60 (1),- 54-57.
21. Liu, C.H., Zou, W.X., Lu, H., Tan, R.X., 2001. Antifungal activity of Artemisia annua endophyte cultures against phytopathogenic fungi. // J. Biotechnol. - 88 (3), - 277-282.
22. Kim, J.T., Park, J.Y., Seo, H.S., Oh, H.G., Noh, J.W., Kim, J.H., Kim, D.Y., Youn, H.J.,. In vitro antiprotozoal effects of artemisinin on Neospora caninum. // Vet. Parasitol. 2002 - 103 - (1-2), - 53-63.
23. Foglio, A., Possenti, A., Nogueira, D.C.F., de Carvalho, J.E., 2001. Antiulcerogenic activity of crude ethanol extract and some fractions obtained from aerial parts of Artemisia annua L. // Phytother. Res. - 15 (8), - 670-675.
24. Nibret, E., Wink, M., Volatile components of four Ethiopian Artemisia species extracts and their in vitro antitrypanosomal and cytotoxic activities. // Phytomedicine - 2010. - 17 (5), - 347-369.
25. Verma, R.K., Chauhan, A., Verma, R.S., Gupta, A.K., Influence of planting date on growth, artemisinin yield, seed and oil yield of Artemisia annua L. Under temperate climatic conditions. // Ind. Crop. Prod. - 2011.- 34 (1), - 860-864.
26. Lenardis, A.E., Morvillo, C.M., Gil, A., de la Fuente, E.B., 2011. Arthropod communities related to different mixtures of oil (Glycine max L. Merr.) and essential oil(Artemisia annua L.) crops. // Ind. Crop. Prod. - 34 (2), - 1340-1347.
27. Holm, Y., Laakso, I., Hiltunen, R., Galambosi, B., 1998. Variation in the essential oil composition of Artemisia annua L. of different origin cultivated in Finland. // Flav. Fragr. J.- 12 (4), - 241-246.
28. Cavar Sanja, Milka Maksimovica, Danijela Vidica, Adisa Pari. Chemical composition and antioxidant and antimicrobial activity of essential oil of Artemisia annua L. from Bosnia // Industrial Crops and Products 37 - (2012) 479– 485
29. Juteau, F., Masotti, V., Bessiere, J.M., Dherbomez, M., Viano,. Antibacterial and antioxidant activities of Artemisia annua essential oil. // J Fitoterapia., - 2002 - 73 (6), - 532-535.
30. Duarte, M.C.T., Leme, E.E., Delarmelina, C., Soares, A.A., Figueira, G.M., Sartoratto, A., 2007. Activity of essential oils from Brazilian medicinal plants on Escherichia coli.// J. Ethnopharmacol. - 111 (2), - 197-201.
31. Jehad Al-Shuneigat, Sameeh Al-Sarayreh, Yousef Al-Saraireh, Ibrahim Al-Tarawneh, Mahmoud Al-Qudah4 and Eman Albataineh. Effects of Wild Artemisia herba-alba Essential Oil on Biofilm-Forming Bacteria // British Journal of Pharmaceutical Research 4(19): ……….., 2014
32. Уткина Т.М., Потехина Л.П., Валышева И.В., Карташова О.Л., Влияние эфирных масел полыни на рост и персистентные свойства стафилококков. // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - №6
33. Бухарин О.В., Челпаченко О.Е., Усвяцов Б.Я. и др. Влияние лекарственных растений на антилизоцимную активность микроорганизмов // Антибиотики и химиотерапия. - 2003.- №5. - С. 11-14.
34. Куркин В.А Создание и стандартизация фитопрепаратов на основе лекарственных растений, содержащих флавоноиды и фенилпропаноиды. // Материалы симпозиума «Фундаментальные науки новым лекарствам». - М.: 2008. - С. 106-107.
35. Челпаченко О.Е., Зыкова Л.С. Влияние лекарственных препаратов на выражение персистентных свойств уропатогенных штаммов энтеробактерий. // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. -1996. - №3.- С. 84-86.
36. Тарасевич А.В. Регуляция антилизоцимной активности энтеробактерий эндогенными факторами желудочно-кишечного тракта и разработка рациональных подходов и диагностике и коррекции дисбиоза кишечника: дис. ... Дис канд. мед. наук - Оренбург, 2004. - 18 с.
37. Карташова О.Л., Уткина Т.М., Жесткое А.В., Куркин В.А., Золотарев П.Н. Влияние фитосубстанций, обладающих антиоксидантной активностью, на персистентные свойства микроорганизмов. // Антибиотики и химиотерапия. - Т.54. - 2009. - №9-10. - С. 16-18.