Ингибирующее действие гемин-полимерной системы в отношении Escherichia coli и Staphylococcus aureus

   Актуальность. Раневые инфекции бактериальной этиологии являются социально-значимой проблемой. Отсутствие рациональной антибиотикотерапии может приводить к учащению случаев появления резистентных штаммов микроорганизмов. В связи с этим, поиск подходов к решению данной задачи представляется актуальным.

   Цель. Изучить ингибирующее действие порфирин-полимерной системы — гемин-поли (3-гидроксибутират) (гемин-ПГБ) в отношении Escherichia coli и Staphylococcus aureus, играющих значительную роль в развитии гнойно-воспалительных процессов.

   Материал и методы. Чистоту гемина подтверждали в сравнении с аналитическим стандартом с помощью электронной абсорбционной спектроскопии. Систему гемин-ПГБ получали методом электроформования. Морфология гемин-полимерной системы была определена методом сканирующей электронной микроскопии. Антибактериальную активность гемин-ПГБ (с содержанием 1, 3 и 5 % гемина) оценивали в отношении тест-культур Escherichia coli (штамм 1257) и Staphylococcus aureus (штамм 209-Р) в разведениях 104–107 КОЕ/мл путём измерения зоны задержки роста бактерий.

   Результаты. Установлено, что введение металлокомплекса гемина в полимерную матрицу приводило к изменению геометрических параметров волокон полигидроксибутирата, что являлось следствием уплотнения и анизотропии нетканого волокнистого материла. Антибактериальная активность гемин-ПГБ находилась в прямой зависимости от процентного содержания гемина в полимере. Существенное ингибирующее действие оказывал ПГБ с 5 % гемина. S. aureus проявил более высокую (в среднем на 10 %) чувствительность к гемину, по сравнению с E. coli.

   Заключение. Варьирование содержания гемина в ПГБ сказывается на его структурных и функциональных свойствах. Волокна ПГБ с содержанием 5 % гемина подавляет рост грамотрицательных и грамположительных бактерии — E. coli и S. aureus. Полученная порфирин-полимерная система может быть рекомендована для использования в качестве антисептического материала при обработке ран.

1. Блатун Л. А. Местное медикаментозное лечение ран. Хирургия. 2011; 4: 51–59.

2. Фоминых С. Г. Раневые инфекции: значение микробиологического мониторинга при составлении больничного формуляра антимикробных препаратов. Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2011; 13 (4): 368–375.

3. Привольнев В. В., Пасхалова Ю. С., Родин А. В., Митиш В. А. Местное лечение ран и раневой инфекции по результатам анонимного анкетирования хирургов России. Раны и раневые инфекции. 2016; 3 (1): 19–24. doi: 10.17650/2408-9613-2016-3-1-19-24.

4. Фролова А. В., Косинец А. Н., Окулич В. К. Раневая инфекция. Состояние проблемы. Вестник ВГМУ. 2014; 13 (2): 62–69.

5. Пахомов Ю. Д., Блинкова Л. П., Абдуллаева А. М., Валитова Р. К. Изучение динамики перехода в некультивируемое состояние антибиотикоустойчивых клеток Escherichia coli. Антибиотики и химиотер. 2022; 67: 9–10: 11–17. doi: 10.37489/0235-2990-2022-67-9-10-11-17.

6. Huang M., Wang Zh., Yao L., Zhang L., Xingchun G., Haizhen M., et al. Ferric chloride induces ferroptosis in Pseudomonas aeruginosa and heals wound infection in a mouse model. Intern J Antimicrob Agents. 2023; 61 (5): 106794. doi: 10.1016/j.ijantimicag.2023.106794.

7. Бегунов Р. С., Егоров Д. О., Четвертакова А. В., Савина Л. И., Зубишина А. А. Антибактериальная активность галоген- и нитропроизводных бензимидазола в отношении Bacillus subtilis. Антибиотики и химиотерапия. 2023; 68: 3–4: 19–24. doi: 10.37489/0235-2990-2023-68-3-4-19-24.

8. Tovmasyan A., Batinic-Haberle I., Benov L. Antibacterial Activity of Synthetic Cationic Iron Porphyrins. Antioxidants. 2020; 9 (10): 972. doi: 10.3390/antiox9100972.

9. Dharmaratne P., Sapugahawatte D. N., Wang B., Chan Ch.L., Lau K.-M., Lau C.Bs., et al. Contemporary approaches and future perspectives of antibacterial photodynamic therapy (aPDT) against methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) : A systematic review. Eur J Med Chem. 2020; 200: 112341. doi: 10.1016/j.ejmech.2020.112341.

10. Андрейченко С. А., Суконников Т. А., Бычинин М. В., Клыпа Т. В. Трудности диагностики острой порфирии: описание клинического случая. Анестезиология и реаниматология. 2019; 3: 90–96. doi: 10.17116/anaesthesiology201903190.

11. Almahia W. A., Yud K. N., Mohammed F., Konga P., Han W. Hemin enhances radiosensitivity of lung cancer cells through ferroptosis. Exper Cell Res. 2022; 410 (1): 112946. doi: 10.1016/j.yexcr.2021.112946.

12. Bi S., Zhao T., Jia X., He P. Magnetic graphene oxide-supported hemin as peroxidase probe for sensitive detection of thiols in extracts of cancer cells. Biosens Bioelectron. 2014; 57: 110–116. doi: 10.1016/j.bios.2014.01.025.

13. Kim H., Yin K., Falcon D. M., Xue X. The interaction of Hemin and Sestrin2 modulates oxidative stress and colon tumor growth. Toxicol Appl Pharmacol. 2019; 374: 77–85. doi: 10.1016/j.taap.2019.04.025.

14. Ladan H., Nitzan Y., Malik Z. The antibacterial activity of haemin compared with cobalt, zinc and magnesium protoporphyrin and its effect on potassium loss and ultrastructure of Staphylococcus aureus. FEMS Microbiology Letters. 1993; 112: 1173–178.

15. Malik Z., Ladan H., Nitzan Ye., Ehrenberg B. The bactericidal activity of a deuteroporphyrin–hemin mixture on gram-positive bacteria. A microbiological and spectroscopic study. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 1990; 6 (4): 419–430.

16. Sahu A., Min K., Jeon J., Yang H. S., Tae G. Catalytic nanographene oxide with hemin for enhanced photodynamic therapy. J Control Release. 2020; 326: 442–454. doi: 10.1016/j.jconrel.2020.07.023.

17. Li Ch., Luo Z., Yang L., Chen J., Cheng K., Xue Ya. et al. Self-assembled porphyrin polymer nanoparticles with NIR-II emission and highly efficient photothermal performance in cancer therapy. Mater Today Bio. 2022; 13: 100198. doi: 10.1016/j.mtbio.2021.100198.

18. Ji W., Wang T.-X., Ding X., Lei Sh., Han B.-H. Porphyrin- and phthalocyanine-based porous organic polymers: From synthesis to application. Coordination Chemistry Reviews. 2021; 439: 213875. doi: 10.1016/j.ccr.2021.213875.

19. Faustova M. R., Nikolskaya E. D., Mollaev M. D., Sokol M. B., Zabolotsky A. I., Zhunina O. A., et al. Polymer particles containing Fe-based metalloporphyrin as a highly efficient stimulator of reactive oxygen species formation in vitro and in vivo. Russian Chemical Bulletin, International Edition. 2019; 68 (12): 2216–2224. doi: 10.1007/s11172-019-2690-1.

20. Li J., Tian J., Li Ch., Chen L., Zhao Yu. A hydrogel spinal dural patch with potential anti-inflammatory, pain relieving and antibacterial effects. Bioact Mater. 2022; 14: 389–401. doi: 10.1016/j.bioactmat.2022.01.043.

21. Yakushin S., Polyakova S., Shvarts Yu., Kastanayan A., Krechikova D., Ershova O. et al. Comparison of the efficacy and safety of ketoprofen plaster and diclofenac plaster for osteoarthritis-related knee pain: a multicenter, randomized, active-controlled, open-label, parallel-group, phase I. I. I. clinical trial. Clin Ther. 2021; 43 (10): 1720–1734. doi: 10.1016/j.clinthera.2021.08.002.

22. Tanabe H., Dоi T., Akai M., Fujino K., Arai S., Hayashi K. Effect and usability of anti-inflammatory drug plasters for knee osteoarthritis: A crossover, double-blind, repeated measures, randomized controlled trial. J Orthop Sci. 2021; 26: 421-429. doi: 10.1016/j.jos.2020.04.014.

23. Sebe I., Zsidai L., Zelkó R. Novel modified vertical diffusion cell for testing of in vitro drug release (IVRT) of topical patches. HardwareX. 2022; 11: e00293. doi: 10.1016/j.ohx.2022.e00293.

24. Wei Sh., Li J., He H., Shu Ch., Dardik A., Bai H. A three-layered hydrogel patch with hierarchy releasing of PLGA nanoparticles drugs decrease neointimal hyperplasia. Smart Materials in Medicine. 2022; 3: 139–147. doi: 10.1016/j.smaim.2021.12.005.

25. Saratale G. D., Oh M.-K. Characterization of poly-3-hydroxybutyrate (PHB) produced from Ralstonia eutropha using an alkali-pretreated biomass feedstock. Int J Biol Macromol. 2015; 80: 627–635. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2015.07.034.

26. Kosmachevskaya O. V., Osipov E. V., Van Ch.T. Mai Ph.Th.T., Topunov A. F. Effect of cultivation conditions on poly (3-hydroxybutyrate) synthesis by nodule bacteria rhizobium phaseoli. Applied Biochemistry and Microbiology. 2020; 56: 64–71 doi: 10.1134/S000368382001010X.

27. Tertyshnaya Y. V., Shibryaeva L. S., Levina N. S. Biodestruction of polylactide and poly (3-hydroxybutyrate) non-woven materials by micromycetes. Fibre Chemistry. 2020; 52 (1): 43–47. doi: 10.1007/s10692-020-10148-z.

28. Olkhov A. A., Zykova A. K., Pantyukhov P. V., Karpova S. G., Kosenko R. Y., Markin V. S., et al. Analysis of structure of hyperfine poly (3-hydroxybutyrate) fibers (PHB) for controlled drug delivery. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018; 286. doi: 10.1088/1757-899X/286/1/012033.

29. Карпова С. Г., Ольхов А. А., Бакиров А. В., Чвалун С. Н., Шилкина Н. Г., Попов А. А. Матрицы поли (3-гидроксибутирата), модифицированные комплексом железа (III) с тетрафенилпорфирином. Анализ структурно-динамических параметров. Химическая физика. 2018; 37 (2): 64–77. doi: 10.7868/S0207401X18020097.

30. Karpova S. G., Ol’khov A. A., Lobanov A. V., Popov A. A., Iordanskii A. L. Biodegradable compositions of ultrathin poly-3-hydroxybutyrate fibers with MnCl₂–tetraphenylporphyrin complexes. dynamics, structure, and properties. Nanotechnologies in Russia. 2019; 14 (3–4): 132–143. doi: 10.1134/S1995078019020083.

31. Karpova S. G., Ol'khov A. A., Krivandin A. V., Shatalova O. V., Popov A. A., Lobanov A. V. et al. Effect of zinc–porphyrin complex on the structure and properties of poly (3-hydroxybutyrate) ultrathin fibers. Polymer Science, Series A. 2019; 61 (1): 70–84. doi: 10.1134/S0965545X19010140.