Коллектив ученых Томского политехнического университета и Китая предложил использовать производные кумарина для подавления роста бактерий и биопленок, которые они снижают эффективность антибиотиков. Исследования показали, что синтезированные вещества обладают антибактериальным действием, для подавления роста вредных бактерий необходима концентрация всего в 20-80 микрограммов на миллилитр. Разработка может лечь в основу новых антимикробных покрытий медицинских устройств и средств против устойчивых штаммов бактерий.
Образование биопленок и устойчивость бактерий к лекарствам — одни из проблем современной медицины, поскольку, образуясь на медицинских имплантатах, они могут снижать эффективность антимикробной защиты и действия антибиотиков в целом. Кумарин принято считать перспективной основой для новых антибактериальных средств. Это органическое соединение, встречающееся в природе в различных растениях, например, в бобах тонка. Однако до сих пор не до конца изучено, как именно изменения в структуре молекулы кумарина влияют на ее антибактериальную активность.
Ученые Томского политеха совместно с коллегами из Китая изучили, как модификация структуры кумарина влияет на его способность подавлять рост бактерий и образование биопленок. Для этого они синтезировали два нитропроизводных 7-гидрокси-4-метилкумарина: 6-нитро-7-гидрокси-4-метилкумарин и 8-нитро-7-гидрокси-4-метилкумарин. Эффективность их действия политехники проверяли на двух опасных бактериях — золотистом стафилококке и синегнойной палочке. Они анализировали изменения зоны подавления роста бактерий, определяли минимальные концентрации для подавления биопленок и их разрушения. Результаты работ ученых опубликованы в журнале Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects (Q2, IF: 5,4).
«Мы впервые системно подошли к исследованиям влияния положения нитрогруппы в структуре производных кумарина на биологическую активность, изучали, как вещество подавляет образование биопленок и разрушает уже сформированные биопленки. Серия тестов показала, что нитрогруппа в структуре 7-гидрокси-4-метилкумарина может усиливать антибактериальный эффект соединения, связанный с разрушением биопленок. Это объясняется тем, что нитрогруппа изменяет распределение электронной плотности в молекуле и облегчает образование активных форм кислорода при взаимодействии с бактериальными клетками. Такие активные формы кислорода повреждают бактерии и помогают разрушать уже сформированные биопленки», — отмечает один из авторов исследования, научный сотрудник лаборатории плазменных гибридных систем ТПУ Глеб Дубиненко.
Результаты исследования показали, что комбинация гидроксильной группы в седьмом положении и нитрогруппы в шестом и восьмом положении в производных кумарина значительно усиливают антибактериальное действие. Для подавления роста биопленок хватит концентрации 20-80 микрограммов на миллилитр. При этом, самый лучший результат показало соединение с нитрогруппой в восьмом положении: минимальные концентрации, необходимые для предотвращения образования биопленки и разрушения уже сформированной биопленки, составляют 50-60 микрограммов на миллилитр.
По словам ученых, соединение кумарина без нитрогруппы показывает сильную антибактериальную активность: минимальная ингибирующая концентрация вещества составила около 20 микрограммов на миллилитр против обеих бактерий. Соединения с нитрогруппой в шестом и восьмом положении имеют умеренную антибактериальную активность против планктонных бактерий и повышенную способность к предотвращению роста и разрушению сформированных биопленок.
В будущих исследованиях ученые подробно изучат, как вещество действует на уровне бактериальных ферментов и клеточных структур, оценят токсичность и биосовместимость, а также проверят можно ли комбинировать соединения кумарина с другими антимикробными агентами для усиления защитного эффекта.
В исследовании приняли участие ученые лаборатории плазменных гибридных систем Научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга Инженерной школы ядерных технологий Томского политеха и Харбинского политехнического университета (Китай).