actabiomedicaActa Biomedica ScientificaActa Biomedica Scientifica2541-94202587-9596Scientific Centre for Family Health and Human Reproduction Problems10.29413/ABS.2019-4.5.8actabiomedica-2169Research ArticleМИКРОБИОЛОГИЯ И ВИРУСОЛОГИЯMICROBIOLOGY AND VIRUSOLOGYИзменение скорости бактерицидного эффекта стрептомицина при действии на зрелые биоплёнки Еscherichia coli в присутствии экстрактов лекарственных растенийModulation of Streptomycin Killing Rate against Mature Escherichia Coli Biofilms in the Presence of Medicinal Plant Extractshttps://orcid.org/0000-0002-8637-6484СамойловаЗ. Ю.SamoilovaZ. Y.

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории физиологии и генетики микроорганизмов

614081, г. Пермь, ул. Голева, 13, Россия

Cand. Sc. (Biol.), Senior Research Officer, Laboratory of Physiology and Genetics of Microorganisms

Goleva str. 13, 614081 Perm, Russian Federation

 

samoilova@iegm.ruСмирноваГ. В.SmirnovaG. V.

доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории физиологии и генетики микроорганизмов

614081, г. Пермь, ул. Голева, 13, Россия

Dr. Sc. (Biol.), Leading Research Officer, Laboratory of Physiology and Genetics of Microorganisms

Goleva str. 13, 614081 Perm, Russian Federation

smirnova@iegm.ruОктябрьскийО. Н.OktyabrskyO. N.

профессор, доктор биологических наук, заведующий лабораторией физиологии и генетики микроорганизмов

https://orcid.org/0000-0002-9864-2094

614081, г. Пермь, ул. Голева, 13, Россия

Professor, Dr. Sc. (Biol.), Head of the Laboratory of Physiology and Genetics of Microorganisms

https://orcid.org/0000-0002-9864-2094

Goleva str. 13, 614081 Perm, Russian Federation

oktyabr@iegm.ruИнститут экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН, ФГБУН «Пермский федеральный исследовательский центр» УрО РАНInstitute of Ecology and Genetics of Microorganisms, Perm Federal Research Center, Ural Branch of Russian Academy of Science201912112019455054Copyright © Самойлова З.Ю., Смирнова Г.В., Октябрьский О.Н., 20192019Самойлова З.Ю., Смирнова Г.В., Октябрьский О.Н.Samoilova Z.Y., Smirnova G.V., Oktyabrsky O.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.actabiomedica.ru/jour/article/view/2169

Обоснование. Экстракты лекарственных растений, обладающие про- и антиоксидантным действием, могут оказывать двойственное модулирующее влияние на бактерицидные эффекты антибиотиков.Цель исследования: изучить модулирующие эффекты водных экстрактов лекарственных растений на скорость бактерицидного эффекта стрептомицина при действии на зрелые биопленки Escherichia coli.Методы. Измеряли скорость бактерицидного эффекта и валовое биоплёнкообразование в присутствии различных доз экстрактов и стрептомицина.Результаты. Выявлен синергизм между 100 мкг/мл стрептомицина и низкими дозами (0,83 мг сухого вещества/мл) зелёного, чёрного чая, Arctostaphylos uva-ursi, Betula pendula и Laminaria japonica. В то же время, высокие дозы (6,64 мг сухого вещества/мл) зелёного, чёрного чая и Vaccinium vitis-ideae оказывали антагонистические эффекты, подавляя скорость бактерицидного эффекта и стимулируя биоплёнкообразование. В последнем случае, вероятно, подавлялось проникновение стрептомицина в матрикс биоплёнки, что и способствовало снижению скорости бактерицидного эффекта.Заключение. Широко применяемые человеком в пищу зелёный, чёрный чай и V. vitis-ideae снижали бактерицидный эффект стрептомицина. Эти экстракты также стимулировали биоплёнкообразование, что может положительно сказываться на жизнедеятельности нормальной микрофлоры человека, однако может привести к стимулированию толерантности болезнетворных микробов. Выявленные ситуации подавления скорости бактерицидного эффекта в присутствии испытуемых экстрактов указывают на необходимость корректировки схем лечения, включающих совместный прием антибиотиков и фитопрепаратов. Полученные данные представляют практический интерес и нуждаются в дальнейшем изучении. Исследование выполнено в рамках государственного задания № госрегистрации темы 01201353246, а также при поддержке грантами Президента МК-3376.2018.4 и Программы УрО РАН АААА-А18-118041890005-1.

Background. Medicinal plant extracts exhibiting pro- and antioxidant properties may affect antibiotic-induced killing of biofilm-producing bacteria in both synergistic and antagonistic modes. Better understanding of these alternations is required to adjust antibiotic therapy and herbal medicine in order to exclude unwanted losses of antibiotic efficiency.Aim: to study modulation modes of streptomycin killing rate against mature biofilms of Escherichia coli in the presence of different doses of commonly used medicinal plant extracts.Materials and methods. Pharmacodynamic parameter killing rate and mass biofilm formation were determined in the presence of streptomycin and medicinal plant extracts.Results. Synergism was found between 100 mg/ml streptomycin and low doses (0.83 mg of dry herb/ml) of green, black tea, Arctostaphylos uva-ursi, Betula pendula and Laminaria japonica against killing mature biofilms. Alternatively, high doses (6.64 mg of dry herb/ml) of green, black tea and Vaccinium vitis-ideae demonstrated antagonism, decreasing killing rate and enhancing biofilm formation. Presumably, high doses of the extracts were sufficient to enhance biofilm formation blocking penetration of streptomycin through enlarged biofilm matrix and diminishing the killing rate.Conclusions. Widely consumed as soft beverages or for prophylactic purposes green, black tea and V. vitis-ideae could promote strong antagonistic effects with streptomycin. These extracts can stimulate biofilm production, making benefit for commensal microbiota, but have clinical relevance due to a significant reduction in the lethal efficiency of streptomycin in biofilms of pathogenic strains. This highlights the need of careful antibiotic prescription scheme adjustment when choosing appropriate combinations of plant extracts and antibiotics to achieve a synergistic effect.

биоплёнкистрептомицинскорость бактерицидного эффекталекарственные растенияstreptomycinkilling ratebiofilmsmedicinal plant extractsИсследование выполнено в рамках государственного задания № госрегистрации темы 01201353246, а также при поддержке грантами Президента МК-3376.2018.4 и Программы УрО РАН АААА-А18-118041890005-1.This work was supported by the state assignment 01201353246 and was also supported by a Program of Ural branch of Russian Academy of Sciences [Grant number AAAA-A18-118041890005-1] and by a grant from President of Russian Federation for young scientists [Grant number MK 3376.2018.4].ReferencesTB Alliance. Handbook of anti-tuberculosis agents. Streptomycin. Tuberculosis. 2008; 88(2): 162-163. doi: 10.1016/S1472-9792(08)70027-1TB Alliance. Handbook of anti-tuberculosis agents. Streptomycin. Tuberculosis. 2008; 88(2): 162-163. doi: 10.1016/S1472-9792(08)70027-1Schatz A, Bugie E, Waksman S, Hanssen A, Patel R, Osmon D. The classic: streptomycin, a substance exhibiting antibiotic activity against gram-positive and gram-negative bacteria. Clin Orthop Relat Res. 2005; (437): 3-6. doi: 10.1097/01.blo.0000175887.98112.feSchatz A, Bugie E, Waksman S, Hanssen A, Patel R, Osmon D. The classic: streptomycin, a substance exhibiting antibiotic activity against gram-positive and gram-negative bacteria. Clin Orthop Relat Res. 2005; (437): 3-6. doi: 10.1097/01.blo.0000175887.98112.feWojnicz D, Kucharska AZ, Sokół-Łętowska A, Kicia M, Tichaczek-Goska D. Medicinal plant extracts affect virulence factors expression and biofilm formation by the uropathogenic Escherichia coli. Urol Res. 2012; 40(6): 683-697. doi: 10.1007/s00240-012-0499-6Wojnicz D, Kucharska AZ, Sokół-Łętowska A, Kicia M, Tichaczek-Goska D. Medicinal plant extracts affect virulence factors expression and biofilm formation by the uropathogenic Escherichia coli. Urol Res. 2012; 40(6): 683-697. doi: 10.1007/s00240-012-0499-6Akagawa M, Shigemitsu T, Suyama K. Production of hydrogen peroxide by polyphenols and polyphenol-rich beverages under quasi-physiological conditions. Biosci Biotechnol Biochem. 2003; 67(12): 2632-2640. doi: 10.1271/bbb.67.2632Akagawa M, Shigemitsu T, Suyama K. Production of hydrogen peroxide by polyphenols and polyphenol-rich beverages under quasi-physiological conditions. Biosci Biotechnol Biochem. 2003; 67(12): 2632-2640. doi: 10.1271/bbb.67.2632Samoilova Z, Muzyka N, Lepekhina E, Oktyabrsky O, Smirnova G. Medicinal plant extracts can variously modify biofilm formation in Escherichia coli. Antonie Van Leeuwenhoek. 2014; 105(4): 709-722. doi: 10.1007/s10482-014-0126-3Samoilova Z, Muzyka N, Lepekhina E, Oktyabrsky O, Smirnova G. Medicinal plant extracts can variously modify biofilm formation in Escherichia coli. Antonie Van Leeuwenhoek. 2014; 105(4): 709-722. doi: 10.1007/s10482-014-0126-3Kohanski MA, Dwyer DJ, Hayete B, Lawrence CA, Collins JJ. A common mechanism of cellular death induced by bactericidal antibiotics. Cell. 2007; 130(5): 797-810. doi: 10.1016/j.cell.2007.06.049Kohanski MA, Dwyer DJ, Hayete B, Lawrence CA, Collins JJ. A common mechanism of cellular death induced by bactericidal antibiotics. Cell. 2007; 130(5): 797-810. doi: 10.1016/j.cell.2007.06.049Belenky P, Ye JD, Porter CBM, Cohen NR, Lobritz MA, Ferrante T, et al. Bactericidal antibiotics induce toxic metabolic perturbations that lead to cellular damage. Cell Rep. 2015; 13(5): 968-980. doi: 10.1016/j.celrep.2015.09.059Belenky P, Ye JD, Porter CBM, Cohen NR, Lobritz MA, Ferrante T, et al. Bactericidal antibiotics induce toxic metabolic perturbations that lead to cellular damage. Cell Rep. 2015; 13(5): 968-980. doi: 10.1016/j.celrep.2015.09.059Daglia M. Polyphenols as antimicrobial agents. Curr Opin Biotechnol. 2012; 23(2): 174-181. doi: 10.1016/j.copbio.2011.08.007Daglia M. Polyphenols as antimicrobial agents. Curr Opin Biotechnol. 2012; 23(2): 174-181. doi: 10.1016/j.copbio.2011.08.007Monte J, Abreu AC, Borges A, Simões LC, Simões M. Antimicrobial activity of selected phytochemicals against Escherichia coli and Staphylococcus aureus and their biofilms. Pathogens. 2014; 3(2): 473-498. doi: 10.3390/pathogens3020473Monte J, Abreu AC, Borges A, Simões LC, Simões M. Antimicrobial activity of selected phytochemicals against Escherichia coli and Staphylococcus aureus and their biofilms. Pathogens. 2014; 3(2): 473-498. doi: 10.3390/pathogens3020473Goswami M, Magnoli SH, Jawali N. Effects of glutathione and ascorbic acid on streptomycin sensitivity in Escherichia coli. Antimicrob Agents Chemother. 2007; 51(3): 1119-1122. doi: 10.1128/AAC.00779-06Goswami M, Magnoli SH, Jawali N. Effects of glutathione and ascorbic acid on streptomycin sensitivity in Escherichia coli. Antimicrob Agents Chemother. 2007; 51(3): 1119-1122. doi: 10.1128/AAC.00779-06Baba T, Ara T, Hasegawa M, Takai Y, Okumura Y, Baba M, et al. Construction of Escherichia coli K-12 in-frame, single-gene knockout mutants: the Keio collection. Mol Syst Biol. 2006; 2: 2006.0008. doi: 10.1038/msb4100050Baba T, Ara T, Hasegawa M, Takai Y, Okumura Y, Baba M, et al. Construction of Escherichia coli K-12 in-frame, single-gene knockout mutants: the Keio collection. Mol Syst Biol. 2006; 2: 2006.0008. doi: 10.1038/msb4100050Miller JH. Experiments in molecular genetics. Cold Spring Harbor, New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press; 1972.Miller JH. Experiments in molecular genetics. Cold Spring Harbor, New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press; 1972.Regoes RR, Wiuff C, Zappala RM, Garner KN, Baquero F, Levin BR. Pharmacodynamic functions: a multiparameter approach to the design of antibiotic treatment regimens. Antimicrob Agents Chemother. 2004; 48(10): 3670-3676. doi: 10.1128/AAC.48.10.3670-3676.2004Regoes RR, Wiuff C, Zappala RM, Garner KN, Baquero F, Levin BR. Pharmacodynamic functions: a multiparameter approach to the design of antibiotic treatment regimens. Antimicrob Agents Chemother. 2004; 48(10): 3670-3676. doi: 10.1128/AAC.48.10.3670-3676.2004Naves P, del Prado G, Huelves L, Gracia M, Ruiz V, Blanco J, et al. Measurement of biofilm formation by clinical isolates of Escherichia coli is method-dependent. J Appl Microbiol. 2008; 105(2): 585-590. doi: 10.1111/j.1365-2672.2008.03791.xNaves P, del Prado G, Huelves L, Gracia M, Ruiz V, Blanco J, et al. Measurement of biofilm formation by clinical isolates of Escherichia coli is method-dependent. J Appl Microbiol. 2008; 105(2): 585-590. doi: 10.1111/j.1365-2672.2008.03791.xO’Toole GA, Kolter R. Initiation of biofilm formation in Pseudomonas fluorescens WCS365 proceeds via multiple, convergent signaling pathways: a genetic analysis. Mol Microbiol. 1998; 28(3): 449-461. doi: 10.1046/j.1365-2958.1998.00797.xO’Toole GA, Kolter R. Initiation of biofilm formation in Pseudomonas fluorescens WCS365 proceeds via multiple, convergent signaling pathways: a genetic analysis. Mol Microbiol. 1998; 28(3): 449-461. doi: 10.1046/j.1365-2958.1998.00797.xSamoilova Z, Smirnova G, Muzyka N, Oktyabrsky O. Medicinal plant extracts variously modulate susceptibility of Escherichia coli to different antibiotics. Microbiol Res. 2014; 169(4): 307-313. doi: 10.1016/j.micres.2013.06.013Samoilova Z, Smirnova G, Muzyka N, Oktyabrsky O. Medicinal plant extracts variously modulate susceptibility of Escherichia coli to different antibiotics. Microbiol Res. 2014; 169(4): 307-313. doi: 10.1016/j.micres.2013.06.013

The authors declare that there are no conflicts of interest present.