Майкъл Г. Потроз

1 Училище за материалознание и инженерство, Технологичен университет Nanyang, 50 Nanyang Avenue, Сингапур 639798, Сингапур; Имейл: gs.ude.utn.e@200gleahcim

2 Център за биомиметични сензорни науки, 50 Nanyang Drive, Сингапур 637553, Сингапур

Нам-Джун Чо

1 Училище за материалознание и инженерство, Технологичен университет Nanyang, 50 Nanyang Avenue, Сингапур 639798, Сингапур; Имейл: gs.ude.utn.e@200gleahcim

2 Център за биомиметични сензорни науки, 50 Nanyang Drive, Сингапур 637553, Сингапур

Резюме

1. Въведение

1.1. Пренебрегвани тропически болести

1.2. Трахома и Chlamydia trachomatis

Трахомата е бактериална инфекция, причинена от Грам-отрицателната бактерия Chlamydia trachomatis на бактериалната Phylum Chlamydiae. Среща се предимно в Субсахарска Африка, Близкия изток и Северна Африка [3], както и в по-малка степен в Азия, Централна и Южна Америка и Австралия. Симптомите са вътрешно белези на клепачите, последвани от клепачи, обърнати навътре, и ако не се лекува това състояние води до образуване на необратими помътняване на роговицата и слепота [6]. Като очна инфекция трахомата е едно от най-ранните регистрирани очни заболявания, идентифицирано до 27 век пр. Н. Е. [6,7]. Според СЗО, въпреки че е предотвратима, в момента тя е водещата причина за очни заболявания в света, причинявайки слепота на приблизително 6 милиона и засягаща здравето на над 400 милиона по целия свят [7,8].

1.2.1. Хламидиален цикъл на развитие

естествени

1.2.2. Конвенционално лечение с хламидии

При конвенционалните антибиотични лечения има трудности при постигането на пълното изкореняване на хроничните хламидиални инфекции, възможността за развитие на лекарствена резистентност и неволното създаване на други устойчиви на антибиотици патогени. Ключов въпрос е, че повечето антибиотици са насочени към метаболитно активните хламидиални ретикулатни тела (RBs) чрез инхибиране на синтеза на протеин или нуклеинова киселина и нямат ефект върху метаболитно неактивните хламидиални EB [4,18]. Поради тази причина е важно да се обмислят нови съединения, проявяващи различни средства за антимикробна активност и намирането на нови нетоксични съединения за лечение на хламидиални инфекции остава важна цел.

1.3. Резистентност към лекарства и биофармацевтици

2. Етноботаническата и традиционната медицина като водещи лекарства

Световната здравна организация посочва, че приблизително 80% от населението на света все още разчита основно на растителни традиционни лекарства за своите първични здравни нужди [27]. Изчислено е също така, че 74% от фармацевтично активните растителни съединения са открити след проучвания, основани на етноботанични традиции [27], а растителните материали сега присъстват или са предоставили модели за приблизително 50% от всички съвременни фармацевтични продукти [27]. Както трахомата, така и хламидиалните инфекции са били нещо обичайно през цялата история и са открити в много части на света. В отговор на това са разработени широка гама от ботанически лечения за лечение на тези състояния. Чрез изследване на традиционните терапии могат да се идентифицират източници на потенциално активни съединения от съставките, а в някои случаи може да се получи представа за основния химичен състав чрез разглеждане на традиционните екстракционни средства и начините на доставка.

2.1. народна медицина

Традициите на етноботаническата и билковата медицина дават отправна точка за идентифициране на нови антихламидиални природни съединения и формулировки. Трябва обаче да се отбележи, че различни ресурси, като тези, разгледани в следващия раздел, често не предоставят никакви конкретни данни относно ефикасността на тези лечения и предоставят само информация за видовете, които могат да представляват интерес за по-нататъшни изследвания.

В проучване от 2011 г. са интервюирани 34 традиционни лечители от Bapedi от провинция Лимпопо в Южна Африка относно лечение на полово предавани болести, а хламидията е една от четирите често срещани болести. По отношение на хламидията са идентифицирани осем растителни вида, използвани за лечение: Aloe marlothii subsp. marlothii, Eucomis pallidiflora subsp. pole-evansii, Gethyllis namaquensis (Schonland) Oberm., Hypoxis obtusa Burch. ex Ker Gawl., Kleinia longiflora DC., Protea caffra subsp. caffra, Tribulus terrestris L. и Ziziphus mucronata Willd. [28]. Най-често материалът от корен, при екстракции на водна основа, с орално доставяне, са най-често срещаните, а препаратите обикновено включват повече от едно растение [28].

В преглед от 2002 г. на растителни лекарства за полово предавани болести, естественото съединение берберин е идентифицирано като полезно при лечението на очни C. trachomatis с потенциал за лечение на вагинални инфекции с C. trachomatis [29]. Берберинът е кватернерна амониева сол от протобербериновата група изохинолинови алкалоиди и има дълга история на употреба в Китай [30]. Той се среща в различни растения [30] и е посочено, че тинктури, прахообразен изсушен корен или течни и твърди екстракти от Berberis aquifolium, Berberis vulgaris и Hydrastis canadensis могат да се използват през устата за лечение [29]. Също така беше посочено, че вагиналните хламидиални инфекции могат да бъдат лекувани чрез локално приложение на спринцовки и вагинални опаковки, съдържащи берберин [29], което предполага, че това съединение може да бъде ефективно и когато се прилага в локални формулировки.

2.2. Съвременни билкови формулировки

Съществуват два ясни примера със свързани изследвания, представляващи прилагането на етноботаническите традиции при разработването на стандартизирани билкови формулировки. И двамата са показали ефикасност срещу урогенитални хламидиални инфекции. Това предполага, че активните природни съединения в тези формулировки могат да се окажат ефективни срещу редица хламидиални инфекции като трахома. Тези формули осигуряват потенциални потенциални клиенти за идентифициране и изолиране на специфични активни съединения, което може да доведе до разработването на стандартизирани съвременни фармацевтични продукти.

2.2.1. Praneem Polyherbal широкоспектърна антимикробна формулировка

2.2.2. BASANT полихербален широкоспектърен антимикробен препарат

Обсъдените по-горе етноботанични проучвания и традиционно вдъхновени препарати осигуряват потенциални природни източници за идентифициране и изолиране на специфични нови съединения, както и синергични комбинации от съединения, проявяващи различни форми на антихламидиална активност. От тази гледна точка е важно да се разгледат видовете съединения, присъстващи в естествените материали, за които е известно, че осигуряват различни биомедицински ефекти и да започнем да разбираме от какви механизми се постигат антимикробните ефекти.

3. Биомедицински фитохимични групи и антиинфекциозно действие

Съществуват разнообразни биохимични съединения, които присъстват в естествените материали и за които е доказано, че имат приложение в традиционната и съвременната медицина. Въпреки това, много от лекарствените ефекти на растенията, които често се обсъждат по отношение на растителна биомедицина, се получават от вторични растителни метаболити. Те могат да бъдат категоризирани в основните фитохимични групи хинони, флавоноиди, полифеноли и танини, кумарини, терпеноиди и етерични масла, алкалоиди, лектини и полипептиди, гликозиди и сапонини [27]. Всяка група се дефинира от подобна химическа структура и проявява подобни механизми на типична антиинфекциозна активност [27]. Важно е да се отбележи, че тези разнообразни вторични метаболити и други биоактивни съединения проявяват широк спектър от механизми за инхибиране на микробния растеж и че в сложни естествени материали има множество съединения, които могат да работят синергично заедно. Именно тези видове многокомпонентни формулировки със синергични съединения с единични съединения имат потенциал за мощна антимикробна активност и намаляване на развитието на микробна резистентност.

По отношение на вторичните метаболитни съединения на растителна основа с антихламидни ефекти единствените налични проучвания изследват активността и свойствата на фенолите и флавоноидите. От различните други биоактивни съединения, за които е известно, че проявяват антимикробни свойства, липидите и пептидите също са изследвани по отношение на антихламидиалната активност.

3.1. Феноли/флавоноиди

Има няколко проучвания, изследващи антибактериалната активност на специфични фенолни и флавоноидни съединения по отношение на хламидии като C. trachomatis и C. pneumoniae. През 2003 г. Yamazaki et al. изследва in vitro инхибиращите ефекти на полифенолите на чая върху пролиферацията на C. trachomatis и C. pneumoniae [15]. През 2005 г. Törmäkangas et al. изследва in vivo лечението на остра инфекция с C. pneumoniae с флавоноиди кверцетин и лутеолин и алкил галат, октил галат, в модел на мишка [44], въз основа на резултатите от предварителни проучвания на природни продукти в процеса на намиране на ново лекарство кандидати от Vuorela et al. през 2004 г. [18]. През 2006 г. Alvesalo et al. изследва инхибиторния ефект на диетичните фенолни съединения върху C. pneumoniae в клетъчни култури [4]. През 2009 г. Hao et al. изследва потенциала на флавоноида байкалин за потискане на експресията на хламидиен протеазоподобен активен фактор в Hep-2 клетки, заразени с C. trachomatis [8].

3.1.1. Катехини - нарушаване на мембраната

Катехините са вид флаван-3-ол и са повсеместни съставки на съдовите растения и чести компоненти на традиционните билкови лекарства. Екстрактът от чай полифенол, изследван от Yamazaki et al. включва главно катехини и проявява in vitro инхибиторен ефект както върху C. trachomatis, така и върху C. pneumoniae. Необходимите концентрации на инхибиторите обаче са относително високи в сравнение с MIC на антибиотици като тетрациклини [15]. Беше посочено, че катехините увреждат [47] или нарушават пропускливостта [27] на липидните бислоеве и следователно е вероятно антибактериалните свойства, наблюдавани в това проучване, да се дължат на механизма на цитоплазматично увреждане на мембраната. Този директен антибактериален механизъм поддържа широкоспектърните антимикробни свойства, наблюдавани в други проучвания, при които е доказано, че полифенолите на чая инхибират грипния вирус [48,49], Vibrio cholerae [50], Staphylococcus aureus [51], Campylobacter jejuni, C. coli [52 ] и други [15].

Yamazaki et al. продължи да предполага, че локалното приложение на екстракти от чаени листа на водна основа, получени чрез варене на чаени листа във вода, може да е достатъчно за постигане на полезни антихламидиални свойства. Това наблюдение се основава на наблюдаваните концентрации, необходими за постигане на инхибиторни ефекти. Резултатите от това проучване показват пълно инхибиране на C. trachomatis за концентрации на екстракт от Polyphenon 70S от 0,4 mg/ml и повече. Този екстракт от чай, включваше набор от чайни полифеноли: епигалокатехин, епикатехин, епигалокатехин галат, епикатехин галат и галокатехин галат. Доминиращият компонент е епигалокатехин галат (EGCg), за който се смята, че допринася основно за наблюдаваните антимикробни ефекти [15]. Предполага се, че от прост процес на екстракция би било възможно да се получи концентрация на EGCg от 2,1 до 2,4 mg/ml, която може да е достатъчно висока, за да осигури антихламидиална активност, когато се използва за измиване на заразени региони [15].

3.1.2. Лутеолин - повишена клетъчна апоптоза

3.1.3. Байкалин - подобрено имунно откриване

3.1.4. Полифеноли - антихламидиална активност и структура на полифенола

Средни проценти на инхибиране на естествени или на естествена основа полифеноли и синтетични производни срещу C. pneumoniae при концентрация 50 μM (n = 4 или повече). Категориите на активност са определени: силно активна (черна лента) = 85% –100% инхибиране в сравнение с DMSO-контролите; активен (райета) = 50% –84%; умерено активен (черна пунктирана лента) = 30% –49%; неактивен (бяла лента) = Фигура 4 A – D), която не показва видими промени в EB след 5 минути. След 10 минути обаче лекуваните EB изглеждаха деформирани и частично дезинтегрирани (Фигура 4 D) [11]. Необратимото дезактивиране на Е. C. trachomatis, съчетано с наблюдаваното руптура и дезинтеграция на клетките след 10 минути, предполага, че тези липиди инактивират бактериите, като засягат и нарушават външната мембрана. Това се подкрепя от предишно проучване, показващо, че линолевата киселина е нарушила както вирусната обвивка на вируса на везикуларен стоматит, така и клетъчната мембрана на клетките Vero [64].

В подкрепа на потенциала за производство на специфични антихламидиални формулировки, включващи липидни съединения, вече са разработени няколко фармацевтични формулировки, съдържащи монокаприн, за които е доказано, че са мощни инактиватори на C. trachomatis, HSV-2 и човешки имунодефицитен вирус in vitro [11 ]. Като сравнение на широкомащабната приложимост на такива липидни съединения, детергентът ноноксинол-9 също е широко проучен и приложен към формулировки за профилактика на полово предавани болести, въпреки че е известно, че е токсичен в клетъчните култури и причинява дразнене на лигавичните тъкани с често прилагане [11]. Доказано е обаче, че монокапринът има по-голям инхибиторен ефект срещу хламидии и има ниско ниво на токсичност in vivo при съответните концентрации [11].

3.2.2. Синтетични липиди - нарушаване на мембраната

Различни проучвания на антимикробната активност на липидите предполагат обща тема за широкоспектърните антимикробни свойства [66], както и по-специфична антихламидиална активност на някои съединения [11,17]. Високите нива на антихламидиална активност, съчетани с ниски нива на токсичност на клетките гостоприемници и биологично значими концентрации от двете изследвания на липидите, предполагат, че както естествените, така и синтетичните липидни съединения могат да бъдат подходящи за използване в специфични антихламидиални състави.

3.3. Пептиди

Една останала група природни съединения, която е изследвана в пряка връзка с антихламидиалните свойства, са пептидите. Пептидите са къси вериги от аминокиселинни мономери, свързани с пептидни (амидни) връзки [67]. Голямо разнообразие от пептиди съществуват както при растения, така и при животни и е известно, че проявяват широкоспектърна антимикробна активност [67]. Основният начин на антимикробно действие на много пептиди е разрушаването на мембраната [67], което е в съответствие с единственото налично проучване за антихламидиален пептид.

Цекропин пептиди - нарушаване на мембраната

По отношение на микробицидните формулировки, in vitro резултатите от това проучване показват, че и двата антимикробни пептида, D2A21 и D4E1, са ефективни микробициди при концентрации, постижими in vivo. Действията на тези пептиди обаче са чувствителни към рН условия, които могат или не могат да бъдат облекчени при включването им в гел формулировка [12]. Допълнително безпокойство е, че гел формулировка, включваща 2% D2A21, демонстрира значителна цитотоксичност към клетките на McCoy по време на in vitro тестове за C. trachomatis [12]. Като цяло обаче е доказано, че цекропините проявяват минимална цитотоксичност срещу клетки на бозайници [68,69] и следователно трябва да се предприемат повече проучвания относно ефикасността и цитотоксичността на тези продукти при хора.

Въпреки че понастоящем е достъпно само едно проучване за антихламидиални пептиди, обширната литература за антимикробната активност на пептидите подкрепя процеса на разрушаване на мембраната [69], наблюдаван за цекропинови пептиди и хламидии, и изглежда вероятно, че други пептиди, които проявяват антихламидиална активност, могат да съществуват в растения, насекоми или животни.

4. Перспективи

Дори като се има предвид относително малкият брой отделни природни съединения, разгледани в тази статия, може да се предположи, че е възможно както директно, така и индиректно да се насочат както към хламидийните инфекциозни елементарни тела (EB), така и към репродуктивните ретикулатни тела (RB). Чрез комбиниране на съединения, които са насочени и разрушават бактериалните клетъчни мембрани, със съединения, които неутрализират механизмите на бактериална вирулентност, като същевременно поддържат имунните реакции на организма на гостоприемника, трябва да бъде възможно напълно да неутрализира инфекциозните бактерии. Този вид многоцелеви подход, който е често срещан и при конвенционалната химиотерапия с много лекарства, трябва да позволява продължителни периоди на лечение, когато е необходимо, като същевременно се избягва способността на специфичен патоген да се адаптира и да развие резистентност към лечението, като по този начин осигурява облекчение от хронични състояния.

По отношение на лечението и профилактиката на трахома е важно да се вземе предвид факторът, че C. trachomatis е често предавани по полов път [9] и често неоткрити патогенни бактерии [12]. Високите нива на инфекция, заедно с високите нива на предаване от майка на бебе [14], очевидно са основен източник на нови очни трахома инфекции при деца. Дори когато болестта не се проявява скоро след раждането, е известно, че C. trachomatis може да остане до голяма степен в латентно състояние и да се проявява бавно в продължение на много години [4], особено когато имунната система на гостоприемника се компрометира от други фактори. Проучването и лечението на очни и вагинални хламидиални инфекции трябва да се разглеждат като обща цел и това още повече повишава значението, както и ползите от ликвидирането на тези заболявания. Разработването на лечения за едното състояние ще допринесе значително за подобряване на лечението на другото. Успешното справяне с трахома, най-честата причина за слепота в света, както и справяне с генитални хламидиални инфекции, най-често срещаният бактериален патоген, предавани по полов път, би било значително постижение в областта както на медицината, така и на човешкото здраве.

Благодарности

Авторите искат да признаят подкрепата на Националната изследователска фондация на Сингапур, Националния съвет за медицински изследвания в Сингапур и Технологичния университет Nanyang. Тази работа е финансирана от гранта на NRF за научни стипендии NRF – NRFF2011-01 (за NJC) и от Националния съвет за медицински изследвания NMRC/CBRG/0005/2012 (за NJC). MGP е получател на стипендия SINGA.

Принос на автора

MGP и NJC инициират и проектират проучването. MGP събра литературата и подготви ръкописа. NJC предостави критични коментари за ревизии на ръкописа. Всички автори прочетоха и одобриха окончателната версия на ръкописа.

Конфликт на интереси

Авторите не декларират конфликт на интереси.