Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2021; 98: 558-566
Определение возможной мишени действия 4,4а-дигидроксантонов в бактериальных клетках
https://doi.org/10.36233/0372-9311-118Аннотация
Введение. В настоящее время интенсивно изучаются частично гидрированные производные ксантона — дигидроксантоны (ДК). Они представляют интерес в связи с тем, что обладают антимикробным, противоопухолевым, антиоксидантным действием. Много работ посвящено исследованию цитотоксичности ДК и совсем немного сведений об их антимикробной активности.
В связи с этим актуальным является исследование антимикробной активности и механизма действия новых синтетических производных 4,4а-ДК. В предварительных исследованиях установлено, что 4,4а-ДК активны в отношении грамположительных бактерий и обладают выраженным противостафилококковым действием. Выявлено наиболее активное производное — 5-бром-4,4-диметил-7-хлор-4,4а-ДК (БДХ-ДК).
Цель исследования — определить возможную мишень действия активного производного БДХ-ДК в бактериальных клетках, а также его острую токсичность.
Материалы и методы. Для доказательства воздействия БДХ-ДК на проницаемость цитоплазматической мембраны в бактериальных клетках был использован метод измерения интенсивности поглощения клетками бактерий красителя кристаллического фиолетового. С целью определения влияния БДХ-ДК на процесс синтеза белка было проведено исследование плазмокоагулазной активности Staphylococcus aureus под действием ДК. Для изучения действия БДХ-ДК на бактериальную ДНК использовали метод расщепления плазмидной ДНК. Острую токсичность БДХ-ДК определяли по экспресс-методу В.Б. Прозоровского.
Результаты. БДХ-ДК вызывал повышение проницаемости цитоплазматической мембраны S. aureus, не влиял непосредственно на плазмокоагулазную активность S. aureus и проявлял слабое повреждающее действие на бактериальную ДНК. Соединение индуцировало разрывы в плазмидной ДНК в очень высокой концентрации — 1 мМ, или 384 мкг/мл и выше. БДХ-ДК относится к малотоксичным соединениям (средняя летальная доза при пероральном введении соединения составила 1710 ± 170 мг/кг, при внутрибрюшинном — 116,9 ± 13,3 мг/кг).
Заключение. Впервые были проведены углублённые исследования возможного механизма действия нового синтетического биологически активного соединения из группы 4,4а-ДК — БДХ-ДК. Установлено, что вероятной мишенью действия БДХ-ДК в клетках S. aureus является цитоплазматическая мембрана. БДХ-ДК не влиял на процесс синтеза белка, а именно на активность фермента плазмокоагулазы. Соединение не оказывало выраженного повреждающего действия на бактериальную ДНК. Установлено, что 4,4а-ДК относится к малотоксичным соединениям.
Список литературы
1. Pinto M.M.M., Sousa M.E., Nascimento M.S.J. Xanthone derivatives: new insights in biological activities. Curr. Med. Chem. 2005; 12(21): 2517-38. https://doi.org/10.2174/092986705774370691
2. Masters K. S., Brase S. Xanthones from fungi, lichens, and bacteria: the natural products and their synthesis. Chem. Rev. 2012; 112(7): 3717-76. https://doi.org/10.1021/cr100446h
3. Chernov N.M., Shutov R.V., Sharoyko V.V., Kuz'mich N.N., Belyakov A.V., Yakovlev I.P. Synthetic route to 4,4a- and 3,4-dihydroxanthonesthrough [4+2] cycloaddition and base-assisted sigmatropic rearrangement. Eur. J. Org. Chem. 2017; (19): 2836-41. https://doi.org/10.1002/ejoc.201700310
4. Фролова В.В., Гурина С.В., Чернов Н.М., Яковлев И.П. Перспективы создания новых производных ксантона в качестве противомикробных средств. В кн.: Сборник материалов VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновации в здоровье нации». СПб.; 2018: 420-3.
5. Фролова В.В., Гурина С.В., Чернов Н.М., Яковлев И.П. Взаимосвязь между строением новых производных дигидроксантона и их противомикробной активностью. В кн.: Щастной А.Т., ред. Материалы Международной конференции, посвященной 60-летию фармацевтического факультета учреждения образования «Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет». Витебск; 2019: 30-3.
6. Фролова В.В., Гурина С.В., Чернов Н.М., Яковлев И.П. 4,4а-Дигидроксантоны как перспективные соединения для создания новых антимикробных препаратов. Антибиотики и химиотерапия. 2019; 64(11-12): 3-7. https://doi.org/10.1016/0235-2990-2019-64-11-12-3-7
7. Maillard J.Y. Bacterial target sites for biocide action. J. Appl. Microbiol. 2002; 92(Suppl.): 16-27. https://doi.org/10.1046/j.1365-2672.92.5s1.3.x
8. Li N., Tan S., Cui J., Guo N., Wang W., Zu Y.G., et al. PA-1, a novel synthesized pyrrolizidine alkaloid, inhibits the growth of Escherichia coli and Staphylococcus aureus by damaging the cell membrane. J. Antibiot. (Tokyo). 2014; 67(10): 689-96. https://doi.org/10.1038/ja.2014.49
9. Ko S.J., Kim M.K., Bang J.K., Seo C.H., Luchian T., Park Y. Macropis fulvipes venom component macropin exerts its antibacterial and anti-bioflm properties by damaging the plasma membranes of drug resistant bacteria. Sci. Rep. 2017; 7(1): 16580. https://doi.org/10.1038/s41598-017-16784-6
10. Halder S., Yadav K. K., Sarkar R., Mukherjee S., Saha P., Haldar S., et al. Alteration of Zeta potential and membrane permeability in bacteria: a study with cationic agents. SpringerPlus. 2015; 4: 672. https://doi.org/10.1186/s40064-015-1476-7
11. МЗ РФ. Государственная фармакопея Российской Федерации: Том 1. М.; 2018: 1167-8.
12. Lyapunova A.G., Danilkina N.A., Rumyantsev A.M., Khlebnikov A.F., Chislov M.V., Starova G.L., et al. Relative reactivity of benzothiophene-fused enediynes in the Bergman cyclization. J. Org. Chem. 2018; 83(5): 2788-801. https://doi.org/10.1021/acs.joc.7b03258
13. Прозоровский В.Б., Прозоровский М.П., Демченко В.М. Экспресс-метод определения средней эффективной дозы и ее ошибки. Фармакология и токсикология. 1978; 41(4): 407-509.
14. Hodge H.C., Sterner J.H. Tabulation of toxicity classes. Am. Ind. Hyg. Assoc. J. 1949; 10(4): 93-6. https://doi.org/10.1080/00968204909344159
15. Сидоров К.К. О классификации токсичности ядов при парентеральных способах введения. В кн.: Саноцкий И.В., ред. Токсикология новых промышленных химических веществ: сборник статей. Выпуск 13. М.: Медицина; 1973: 47-51.
16. Березовская И.В. Классификация химических веществ по параметрам острой токсичности при парентеральных способах введения. Химико-фармацевтический журнал. 2003; 37(3): 32-4.
17. Koh J.J., Qiu S., Zou H., Lakshminarayanan R., Li J., Zhou X., et al. Rapid bactericidal action of alpha-mangostin against MRSA as an outcome of membrane targeting. Biochim. Biophys. Acta. 2013; 1828(2): 834-44. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2012.09.004
18. Zou H., Koh J.J., Li J., Qiu S., Aung T.T., Lin H., et al. Design and synthesis of amphiphilic xanthone-based, membranetargeting antimicrobials with improved membrane selectivity. J. Med. Chem. 2013; 56(6): 2359-73. https://doi.org/10.1021/jm301683j
19. Koh J.J., Zou H., Mukherjee D., Lin S., Lim F., Tan J.K., et al. Amphiphilic xanthones as a potent chemical entity of anti-mycobacterial agents with membrane-targeting properties. Eur. J. Med. Chem. 2016; 123: 684-703. https://doi.org/10.1016/j.ejmech.2016.07.068
20. Koh J.J., Zou H., Lin S., Lin H., Soh R.T., Lim F.H., et al. Nonpeptidic amphiphilic xanthone derivatives: structure activity relationship and membrane-targeting properties. J. Med. Chem. 2016; 59(1): 171-93. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.5b01500
21. Lin S., Koh J.J., Aung T.T., Lim F., Li J., Zou H., et al. Symmetrically substituted xanthone amphiphiles combat gram-positive bacterial resistance with enhanced membrane selectivity. J. Med. Chem. 2017; 60(4): 1362-78. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.6b01403
22. Зелди М.И. Характеристика новых четвертичных соединений пиридинового ряда как перспективных антибактериальных агентов: Автореф. дисс. ... канд. биол. наук. Казань; 2019.
23. Зверьков А.В., Зузова А.П. Хлоргексидин: прошлое, настоящее и будущее одного из основных антисептиков. Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2013; 15(4): 279-85.
24. Литусов Н.В. Грамположительные аэробные кокки. Иллюстрированное учебное пособие. Екатеринбург; 2016.
Journal of microbiology, epidemiology and immunobiology. 2021; 98: 558-566
Identifying possible target of action of 4,4a-dihydroxanthones in bacterial cells
https://doi.org/10.36233/0372-9311-118Abstract
Introduction. Partially hydrogenated derivatives of xanthone, dihydroxanthones, are being intensively studied. They are of interest due to their antimicrobial, antitumor, and antioxidant effects. Many researches are focused on the study of the cytotoxicity of dihydroxanthones and very little information is available on their antimicrobial activity. Therefore, the study of the antimicrobial activity and mechanism of action of new synthetic derivatives of 4,4a-dihydroxanthone is relevant. Preliminary studies have demonstrated that 4,4a-dihydroxanthones are active against gram-positive bacteria and have a pronounced anti-staphylococcal effect. Namely, 5-bromo-4,4-dimethyl-7-chloro-4,4a-dihydroxanthone (BDC-DX) was shown to be the most active derivative.
Aim of the study was to determine the possible target of action of the active derivative of BDC-DX in bacterial cells and its acute toxicity.
Materials and methods. The method of measuring the intensity of absorption of the crystal violet dye by bacteria cells was used to prove the effect of BDC-DX on the permeability of the cytoplasmic membrane in bacterial cells. The plasma coagulase activity of Staphylococcus aureus was tested under the action of dihydroxanthone to determine the effect of dihydroxanthone on the process of protein synthesis. Plasmid DNA digestion method was used to study the effect of the compound on bacterial DNA. The acute toxicity of BDC-DX was determined by the express method of V.B. Prozorovsky.
Results and discussion. BDC-DX increased the permeability of the cytoplasmic membrane of S. aureus. Dihydroxanthone did not directly affect the plasma coagulase activity of Staphylococcus and showed a weak damaging effect on bacterial DNA. The compound induced breaks in plasmid DNA at a very high concentration — 1 mM or 384 pg/ml and higher. BDC-DX is a low-toxic compound (the average lethal dose for oral administration of the compound is 1710 ± 170 mg/kg, the average lethal dose for intraperitoneal administration of the compound is 116.9 ± 13.3 mg/kg).
Conclusion. For the first time, in-depth study of the possible mechanism of action of a new synthetic biologically active compound from the group of 4,4a- dihydroxanthones, BDC-DX, was conducted. A likely target of 5-bromo-4,4-dimethyl-7-chloro-4,4a-dihydroxanthone in S. aureus cells is the cytoplasmic membrane. BDC-DX did not affect the process of protein synthesis, namely the activity of the plasma coagulase enzyme. The compound had no pronounced damaging effect on bacterial DNA. It was found that 4,4a-dihydroxanthone refers to low-toxic compounds.
References
1. Pinto M.M.M., Sousa M.E., Nascimento M.S.J. Xanthone derivatives: new insights in biological activities. Curr. Med. Chem. 2005; 12(21): 2517-38. https://doi.org/10.2174/092986705774370691
2. Masters K. S., Brase S. Xanthones from fungi, lichens, and bacteria: the natural products and their synthesis. Chem. Rev. 2012; 112(7): 3717-76. https://doi.org/10.1021/cr100446h
3. Chernov N.M., Shutov R.V., Sharoyko V.V., Kuz'mich N.N., Belyakov A.V., Yakovlev I.P. Synthetic route to 4,4a- and 3,4-dihydroxanthonesthrough [4+2] cycloaddition and base-assisted sigmatropic rearrangement. Eur. J. Org. Chem. 2017; (19): 2836-41. https://doi.org/10.1002/ejoc.201700310
4. Frolova V.V., Gurina S.V., Chernov N.M., Yakovlev I.P. Perspektivy sozdaniya novykh proizvodnykh ksantona v kachestve protivomikrobnykh sredstv. V kn.: Sbornik materialov VI Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem «Innovatsii v zdorov'e natsii». SPb.; 2018: 420-3.
5. Frolova V.V., Gurina S.V., Chernov N.M., Yakovlev I.P. Vzaimosvyaz' mezhdu stroeniem novykh proizvodnykh digidroksantona i ikh protivomikrobnoi aktivnost'yu. V kn.: Shchastnoi A.T., red. Materialy Mezhdunarodnoi konferentsii, posvyashchennoi 60-letiyu farmatsevticheskogo fakul'teta uchrezhdeniya obrazovaniya «Vitebskii gosudarstvennyi ordena Druzhby narodov meditsinskii universitet». Vitebsk; 2019: 30-3.
6. Frolova V.V., Gurina S.V., Chernov N.M., Yakovlev I.P. 4,4a-Digidroksantony kak perspektivnye soedineniya dlya sozdaniya novykh antimikrobnykh preparatov. Antibiotiki i khimioterapiya. 2019; 64(11-12): 3-7. https://doi.org/10.1016/0235-2990-2019-64-11-12-3-7
7. Maillard J.Y. Bacterial target sites for biocide action. J. Appl. Microbiol. 2002; 92(Suppl.): 16-27. https://doi.org/10.1046/j.1365-2672.92.5s1.3.x
8. Li N., Tan S., Cui J., Guo N., Wang W., Zu Y.G., et al. PA-1, a novel synthesized pyrrolizidine alkaloid, inhibits the growth of Escherichia coli and Staphylococcus aureus by damaging the cell membrane. J. Antibiot. (Tokyo). 2014; 67(10): 689-96. https://doi.org/10.1038/ja.2014.49
9. Ko S.J., Kim M.K., Bang J.K., Seo C.H., Luchian T., Park Y. Macropis fulvipes venom component macropin exerts its antibacterial and anti-bioflm properties by damaging the plasma membranes of drug resistant bacteria. Sci. Rep. 2017; 7(1): 16580. https://doi.org/10.1038/s41598-017-16784-6
10. Halder S., Yadav K. K., Sarkar R., Mukherjee S., Saha P., Haldar S., et al. Alteration of Zeta potential and membrane permeability in bacteria: a study with cationic agents. SpringerPlus. 2015; 4: 672. https://doi.org/10.1186/s40064-015-1476-7
11. MZ RF. Gosudarstvennaya farmakopeya Rossiiskoi Federatsii: Tom 1. M.; 2018: 1167-8.
12. Lyapunova A.G., Danilkina N.A., Rumyantsev A.M., Khlebnikov A.F., Chislov M.V., Starova G.L., et al. Relative reactivity of benzothiophene-fused enediynes in the Bergman cyclization. J. Org. Chem. 2018; 83(5): 2788-801. https://doi.org/10.1021/acs.joc.7b03258
13. Prozorovskii V.B., Prozorovskii M.P., Demchenko V.M. Ekspress-metod opredeleniya srednei effektivnoi dozy i ee oshibki. Farmakologiya i toksikologiya. 1978; 41(4): 407-509.
14. Hodge H.C., Sterner J.H. Tabulation of toxicity classes. Am. Ind. Hyg. Assoc. J. 1949; 10(4): 93-6. https://doi.org/10.1080/00968204909344159
15. Sidorov K.K. O klassifikatsii toksichnosti yadov pri parenteral'nykh sposobakh vvedeniya. V kn.: Sanotskii I.V., red. Toksikologiya novykh promyshlennykh khimicheskikh veshchestv: sbornik statei. Vypusk 13. M.: Meditsina; 1973: 47-51.
16. Berezovskaya I.V. Klassifikatsiya khimicheskikh veshchestv po parametram ostroi toksichnosti pri parenteral'nykh sposobakh vvedeniya. Khimiko-farmatsevticheskii zhurnal. 2003; 37(3): 32-4.
17. Koh J.J., Qiu S., Zou H., Lakshminarayanan R., Li J., Zhou X., et al. Rapid bactericidal action of alpha-mangostin against MRSA as an outcome of membrane targeting. Biochim. Biophys. Acta. 2013; 1828(2): 834-44. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2012.09.004
18. Zou H., Koh J.J., Li J., Qiu S., Aung T.T., Lin H., et al. Design and synthesis of amphiphilic xanthone-based, membranetargeting antimicrobials with improved membrane selectivity. J. Med. Chem. 2013; 56(6): 2359-73. https://doi.org/10.1021/jm301683j
19. Koh J.J., Zou H., Mukherjee D., Lin S., Lim F., Tan J.K., et al. Amphiphilic xanthones as a potent chemical entity of anti-mycobacterial agents with membrane-targeting properties. Eur. J. Med. Chem. 2016; 123: 684-703. https://doi.org/10.1016/j.ejmech.2016.07.068
20. Koh J.J., Zou H., Lin S., Lin H., Soh R.T., Lim F.H., et al. Nonpeptidic amphiphilic xanthone derivatives: structure activity relationship and membrane-targeting properties. J. Med. Chem. 2016; 59(1): 171-93. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.5b01500
21. Lin S., Koh J.J., Aung T.T., Lim F., Li J., Zou H., et al. Symmetrically substituted xanthone amphiphiles combat gram-positive bacterial resistance with enhanced membrane selectivity. J. Med. Chem. 2017; 60(4): 1362-78. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.6b01403
22. Zeldi M.I. Kharakteristika novykh chetvertichnykh soedinenii piridinovogo ryada kak perspektivnykh antibakterial'nykh agentov: Avtoref. diss. ... kand. biol. nauk. Kazan'; 2019.
23. Zver'kov A.V., Zuzova A.P. Khlorgeksidin: proshloe, nastoyashchee i budushchee odnogo iz osnovnykh antiseptikov. Klinicheskaya mikrobiologiya i antimikrobnaya khimioterapiya. 2013; 15(4): 279-85.
24. Litusov N.V. Grampolozhitel'nye aerobnye kokki. Illyustrirovannoe uchebnoe posobie. Ekaterinburg; 2016.
