ООО "ПРОПИОНИКС"
пн-пт с 09:00 до 18:00 | +7 (966) 348-80-35 |
На рисунке: B1) биопленки микробиоты человека, выращенные на устройстве Calgary Biofilm Device™ и наблюдаемые под сканирующей электронной микроскопией. Слизистое экзополисахаридное покрытие биопленки скрывает основную бактериальную морфологию в здоровых условиях (1), и этот экзополисахарид может быть потерян при воздействии энтеропатогена, такого ка Giardia sp. (B2) → адаптировано из Journal of Biomedical Science
Примечание редактора. На рисунке выше изображена микрофотография биопленки, которая повергается воздействию патогена и, тем самым, в итоге нарушается (теряет защитный ЭПС-слой. Однако в данной статье речь пойдет о борьбе в вредными биопленками, провоцирующими канцерогенез в толстой кишке. Дело в том, что среди обычных читателей мало кто знает, что основной формой сосуществования кишечных бактерий являются именно биопленки, которые могут быть как моно-, так и полимикробнми по своему составу. Однако особую проблему досталяют именно биопленки, сформированные патогенными микроорганизмами. Именно о борьбе с данными структурами в рамках профилактики и лечения колоректльног рака и пойдет речь в настоящей статье.
О микробных биопленках см. отдельно:
Биоплёнки как форма существования микроорганизмов
Колоректальный рак (CRC) - это глобальная проблема общественного здравоохранения, которая ложится серьезным гуманистическим и экономическим бременем на пациентов, системы здравоохранения и общество. В последние годы было высказано предположение, что дисбиоз кишечника участвует в патогенезе CRC, при этом было обнаружено, что определенные патогены, проявляющие онкогенный потенциал, такие как Fusobacterium nucleatum, Escherichia coli и энтеротоксигенные Bacteroides fragilis, способствуют развитию CRC. Совсем недавно было показано, что для инициации развития CRC этими микроорганизмами необходимо образование биопленок. Кишечная микробная биопленка образуется во внутреннем слое слизи толстой кишки и состоит из полимикробных сообществ. Биопленка приводит к перераспределению Е-кадгерина эпителиальных клеток толстой кишки, увеличивает проницаемость кишечника и вызывает потерю функции кишечного барьера, что усиливает дисбактериоз кишечника. Этот обзор литературы направлен на компиляцию различных стратегий, направленных на эти патогенные биопленки и потенциально могущих сыграть роль в профилактике CRC. Мы исследуем потенциальное использование натуральных продуктов, наночастиц серебра, наночастиц с повышенным преобразованием, тиосалицилатных комплексов, противоревматических агентов (ауранофин), пробиотиков и ингибиторов кворума в качестве стратегий, препятствующих канцерогенезу толстой кишки за счет нацеливания на биопленки, связанные с толстой кишкой.
Колоректальный рак (CRC) - глобальная проблема общественного здравоохранения. Согласно базе данных Глобальной онкологической обсерватории (GLOBOCAN), CRC является вторым наиболее диагностируемым раком среди женщин и третьим среди мужчин [1]. Текущие статистические данные показывают, что в 2018 году во всем мире было диагностировано около 1,8 миллиона новых случаев CRC, при этом 861 000 смертей, которые часто связаны с заболеванием, диагностируются только на поздних клинических стадиях [2]. Эти цифры делают CRC третьим наиболее диагностируемым злокачественным заболеванием и второй ведущей причиной смерти от рака во всем мире [1]. В Соединенных Штатах, по оценкам Американского онкологического общества, в 2020 году будет около 147 950 новых случаев CRC и 53 200 случаев смерти [3]. Хотя общая зарегистрированная заболеваемость CRC с годами снижается, цифры остаются высокими, и CRC ложится серьезным гуманистическим и экономическим бременем на пациентов, системы здравоохранения и общество. Тревожным открытием является значительный всплеск заболеваемости CRC среди лиц моложе 50 лет в Соединенных Штатах [4], с той же тенденцией, наблюдаемой в Дании, Новой Зеландии, Австралии, Канаде и Соединенном Королевстве [5].
Стоимость лечения CRC во всем мире также растет. Поэтому было приложено много усилий для поиска более экономичных методов профилактики. Существуют различные хорошо установленные факторы риска развития CRC, включая семейный анамнез, возраст, пол, личный анамнез, курение, диету (красное мясо), ожирение, злоупотребление алкоголем и воспалительные заболевания кишечника. Однако недавние исследования также показали новый фактор риска - образование бактериальной биопленки, который, как было показано, связан с прогрессированием CRC [6,7,8,9,10]. Образование биопленки необходимо для прилипания и роста бактерий; это происходит с образованием внеклеточного полимера и адгезионного матрикса, что вызывает изменение роста бактерий и экспрессии генов. Эти полимикробные биопленки действуют как пусковой механизм для проканцерогенных воспалительных реакций, которые в конечном итоге приводят к развитию CRC [11]. Образование биопленок также снижает чувствительность бактерий к радиации и антибактериальным агентам [12,13,14].
Обычные методы лечения CRC включают химиотерапию и хирургическое вмешательство, оба из которых связаны со значительными осложнениями. Хирургия инвазивна и связана с высокой летальностью. Химиотерапевтические препараты вызывают повреждение ДНК и инициируют различные сигнальные пути, ведущие к гибели раковых клеток, такие как остановка клеточного цикла, ингибирование репарации ДНК и глобальная трансляция [15]. Однако существует множество проблем с химиотерапией, включая устойчивость к лекарствам, эффекты цитотоксичности и другие побочные реакции. Результат лечения также варьируется в зависимости от подтипа рака [16]. Учитывая высокую частоту осложнений и непредсказуемую реакцию на лечение, существует потребность в постоянной разработке более эффективных стратегий профилактики и лечения CRC; нацеливание на микробную биопленку может быть полезной адъювантной стратегией, поддерживающей существующие схемы химиотерапии для CRC путем ограничения их побочных эффектов или повышения их эффективности. В этом обзоре мы обсудим и суммируем значение микробных биопленок кишечника и их роль в канцерогенезе толстой кишки, а также исследуем различные стратегии, которые могут препятствовать образованию биопленок и потенциально предотвратить CRC, такие как использование натуральных экстрактов, пробиотиков, ингибиторов кворума, противоревматических агентов (ауранофин), наночастиц серебра, повышающих конверсию наночастиц и тиосалицилатных комплексов.
Методы исследования были сосредоточены на поиске первичных исследовательских работ, которые исследовали потенциальную связь между биопленками толстой кишки и канцерогенезом толстой кишки, а также различные стратегии антибиотикопленки, которые могут быть нацелены на кишечные микробные биопленки B. fragilis, E. coli и F. nucleatum. Был проведен систематический поиск с использованием Google Scholar, Ovid Medline и Pubmed для выявления опубликованных статей по вышеуказанным темам. Ключевые слова «колоректальный рак», «биопленка» и «антибиотикопленка» были ключевыми словами, которые использовались для поиска соответствующих статей. Другие дополнительные ключевые слова, включая «механизм действия», «Bacteroides fragilis», «Escherichia coli» и «Fusobacterium nucleatum», были объединены с «антибиотикопленкой» с использованием булевых операторов.
За последние 20 лет обширные исследования микробиома человека показали, что здоровье человека, хотя и во многом связано с нашим собственным геномом, в значительной степени связано с микробами, которые живут в нашем теле и на нем [17,18,19,20,21]. Термин микробиота относится к коллекции микроорганизмов, присутствующих в определенной среде, включая грибы, вирусы и бактерии. Это было определено Ледербергом и МакКреем [22], которые подчеркивали важность микроорганизмов, колонизирующих человеческий организм, в последствиях для здоровья и болезней. Микробиом обычно относится ко всей среде обитания, которая включает микроорганизмы, их геномы и гены, а также условия окружающей среды [23]. В организме человека желудочно-кишечный тракт является местом, наиболее плотно заселенным микроорганизмами, в котором находится около 40 триллионов микробов, представляющих более 1000 видов, большинство из которых обитают в толстой кишке [24]. Учитывая, что они представляют собой самую большую площадь поверхности для взаимодействия между иммунной системой хозяина и микробиотой толстой кишки, ожидается, что эти микроорганизмы будут оказывать глубокое влияние на физиологию и метаболизм человека. Таким образом, неудивительно, что смещение комменсальной микробиоты кишечника в сторону условно-патогенных микроорганизмов отрицательно повлияет на физиологические функции и послужит основным фактором воспаления кишечника, которое увеличивает риск CRC [25,26].
В последние годы многочисленные исследования показали, что существуют определенные микроорганизмы, которые связаны с развитием CRC, и эти микроорганизмы играют роль в индукции опухолевого процесса в генетически восприимчивых моделях заболевания на мышах [27,28,29].
Эти результаты далее привели к идентификации микроорганизмов, которые несут проонкогенные гены, связанные с CRC, в том числе бактерия Fusobacterium nucleatum за счет экспрессии адгезинов, таких как FadA и Fap2 (прим. ред.: Fap2 - это фузобактериальный GalNAc-связывающий лектин. Он опосредует связывание F. nucleatum с Gal-GalNAc, сверхэкспрессированным в CRC – см. рис.1.) [30], Escherichia coli за счет факторов вирулентности, что позволяет ей содержать геномные островки pks [30, 31] и энтеротоксигенный Bacteroides fragilis за счет экспрессии токсина B. fragilis (BFT) [32] (прим. ред.: Токсин Bacteroides fragilis (BFT) является единственным известным фактором вирулентности энтеротоксигенного B. fragilis. Ранее было показано, что BFT действует через расщепление белка межклеточной адгезии Е-кадгерина).
При разработке CRC было высказано предположение, что ключевые патогены, такие как B. fragilis, действуют как основные движущие силы в инициации CRC через их прямые генотоксические эффекты, приводящие к воспалительной реакции Т-хелперов 17-го типа (Th17) в толстой кишке [32]. Привлечение иммунных клеток высвобождает генотоксические кислородные радикалы, которые могут вызывать множественные двухцепочечные разрывы ДНК, что приводит к канцерогенезу, вызванному воспалением [33,34,35]. Это также может привести к повышенной пролиферации кишечного эпителия из-за активации протоонкогенов и мутаций генов-супрессоров опухолей. В результате кумулятивные эффекты устойчивого воспаления и гиперплазии эпителия вместе с генетическими факторами хозяина, связанными с восприимчивостью к CRC, дополнительно стимулируют инициацию CRC [36]. Более того, Th17-зависимое воспаление, индуцированное патогенами-драйверами, может изменять микросреду опухоли и создавать новые экологические ниши для условно-патогенных микроорганизмов (патогенов-пассажиров), которые в конечном итоге вытесняют бактерии-драйверы во время прогрессирования CRC. В 2012 г. Гарольд Тьяльсма с соавт. [37] описали этот процесс как «бактериальную модель водителя и пассажира», таким образом, патогены-пассажиры, такие как Fusobacterium spp. или Streptococcus spp. постепенно колонизируют слизистую оболочку толстой кишки, что приводит к микробному дисбиозу кишечника и вызывает прогрессирование CRC (рис. 1A). Хотя текущие данные показали, что F. nucleatum, по-видимому, активно участвует в более поздних стадиях прогрессирования CRC [6,30], определенная роль F. nucleatum как пассажира или водителя все еще неуловима. Ранее Kostic et al. [38] показали, что F. nucleatum играет жизненно важную роль в качестве драйвера, способного стимулировать прогрессирование CRC, где мутировавший ген аденоматозного полипоза coli (APC) необходим F. nucleatum для индукции прогрессирования CRC на модели мышей.
Рисунок 1. Роль микробиоты толстой кишки и биопленки в канцерогенезе колоректального рака (CRC). (A) Модель «водителя-пассажира» для канцерогенеза CRC [39]. (B) Канцерогенез CRC, управляемый биопленкой. Биопленка приводит к потере Е-кадгерина эпителиальных клеток толстой кишки (что соответствует нарушению барьерной функции кишечника), увеличению экспрессии IL-6 и активации STAT3. Эти микробные биопленки способствуют проонкогенному и провоспалительному состоянию в сочетании с повышенным метаболизмом полиаминов в тканях толстой кишки, что приводит к дисбактериозу и онкотрансформации, а также к прогрессированию опухоли [11]. (C) Эксперимент по реассоциации, показавший, что сообщества микробиоты из биопленочно-позитивной слизистой оболочки человека (здоровые или пациенты с CRC) привели к развитию CRC в новой когорте мышей, указывает на то, что эти сообщества биопленочно-позитивной микробиоты сохранили свою канцерогенную способность [6]. В дополнительной информации см. также дополнительный рисунок S1 к пояснению модели "бактериальный водитель-пассажир".
Ободочная кишка человека полностью окружена защитным слизистым барьером, состоящим в основном из муцинов, в частности муцина 2 (MUC2), которые предотвращают прямой контакт эпителия толстой кишки хозяина с микробиотой. Слизистый барьер состоит из двух слоев. Внутренний, многослойный слой слизи прочно прилегает к эпителиальным клеткам. Он плотный и не допускает проникновения бактерий. Таким образом, он служит для отделения комменсальных бактерий от эпителия хозяина, в то время как внешний, неприсоединенный слой действует как естественная среда обитания для комменсальных бактерий. Этот слизистый барьер позволяет нормальной кишечной микробиоте заселять слизь толстой кишки, не активируя воспалительную реакцию [39]. Когда происходит нарушение защитного слизистого барьера, это позволяет микробиоте вступать в контакт с эпителием толстой кишки, и это считается важным шагом, который инициирует модификации эпителиальных клеток, вызывающие воспаление кишечника [40]. Увеличенный доступ к эпителию толстой кишки вызывает модификацию взаимоотношений микробного сообщества, тем самым изменяя микробный состав и активность, что часто приводит к образованию биопленки [39,41]. Биопленки относятся к полимикробным сообществам, заключенным в матрицу, которая образуется на абиотических и биотических поверхностях. Они начинаются с прикрепления микроколоний (небольших скоплений бактериальных клеток) к поверхностям, и эти прилипшие микроколонии затем образуют зрелые биопленки, когда они инкапсулируются в матрицу, состоящую из самосекретируемых полисахаридов [42]. Обладая способностью образовывать биопленки, эти полимикробные сообщества повышают толерантность к антибактериальным препаратам и иммунный клиренс [43]. Питательные вещества и вода также удерживаются встроенными бактериальными сообществами в матриксе биопленки [44]. Следовательно, биопленки способствуют выживанию и устойчивости полимикробных сообществ.
В последнее время биопленки ассоциируются с началом и прогрессированием CRC, что особенно заметно в проксимальном отделе толстой кишки вплоть до печеночного изгиба (правосторонний CRC). Возникновение биопленок чаще наблюдается в образцах ткани толстой кишки от пациентов с CRC по сравнению со здоровыми людьми [41]. Существует теория, что биопленки содержат разные виды бактерий, а не один единственный вариант вторгающегося микроорганизма, и, возможно, вызывают усиление воспалительных реакций и выработку генотоксических соединений бактериального происхождения. Исследования Drewes et al. [45] и Dejea et al. [41] показали, что у большинства пациентов со спорадическим CRC с опухолями толстой кишки проксимальнее изгиба печени имелись биопленки слизистой оболочки, в то время как только небольшая часть пациентов с CRC с опухолями дистальнее изгиба печени имела биопленки. Эти наблюдения могут объяснить худший прогноз правостороннего CRC [46], поскольку биопленочный CRC может иметь дополнительное серьезное повреждение эпителиальной ткани и воспаление кишечника [11]. Несмотря на это, биопленки слизистой оболочки также были обнаружены примерно у 13% здоровых людей, которые прошли обычную скрининговую колоноскопию. Однако эти исследования не изучали причинно-следственную связь между биопленками, ассоциированными с раком, и канцерогенезом CRC, а просто продемонстрировали новую и убедительную перспективу в иллюстрации участия микробных биопленок как целостного объекта, не доказывающую причинно-следственную связь конкретного микробного патогена [47].
Было предложено множество механизмов, чтобы проиллюстрировать роль биопленок слизистой оболочки в процессе канцерогенеза CRC (Рис. 1B). У здоровых людей или пациентов с CRC сообщества микробной биопленки кишечника соответствуют проонкогенным биологическим изменениям: наблюдается повышенная пролиферация эпителия толстой кишки, повышенная активация IL-6, STAT3, повышенный синтез полиамина и уменьшение E-кадгерина [9,41]. Было высказано предположение, что повышенные уровни метаболитов полиаминов действуют синергетически, способствуя образованию биопленок и клеточной пролиферации, создавая условия, способствующие онкогенной трансформации в клетках толстой кишки [9]. Более того, изменения проницаемости толстокишечного барьера и метаболизма клеток вызывают изменение микросреды опухоли таким образом, что эти исходные возбудители патогенных бактерий постепенно заменяются патогенами оппортунистических бактерий, собирающих опухоль, с конкурентным преимуществом в опухолевой нише [37].
С другой стороны, биопленки также были обнаружены у пациентов с семейным аденоматозным полипозом, которые унаследовали мутацию в гене APC и очень склонны к CRC из-за развития полипов и формирования аденомы на ранней стадии «последовательности аденома-карцинома» [8]. Модель «последовательность аденома-карцинома» была разработана Фироном и Фогельштейном [48] и представляет собой многоэтапный процесс, который иллюстрирует накопление генетических и эпигенетических мутаций как движущих сил возникновения и прогрессирования CRC. Вкратце, последовательность обычно начинается с мутации гена APC и заканчивается мутацией P53, после чего она прогрессирует в карциному. Son, et al. [49] наблюдали, что микробный состав кишечника изменен у мышей ApcMin до очевидного разрастания кишечных полипов. ApcMin/+ мышей часто используют для изучения канцерогенеза толстой кишки у человека, так как мыши несут усеченный ген APC и у них развивается множественная кишечная неоплазия (Min) [50] (Прим. ред.: неоплазии кишечника – группа доброкачественных или злокачественных новообразований, которые могут располагаться в разных отделах толстой кишки. Чаще всего развиваются они из слизистой оболочки кишечника...). Поэтому Ли и др. [11] предположили, что микробная биопленка может рассматриваться как драйвер в последовательности аденома-карцинома на ранней стадии прогрессирования CRC.
Более того, исследования показывают, что в биопленках кишечника обнаруживаются комменсальные (Parvimonas, Peptostreptococcus, Prevotella) и патогенные (F. nucleatum, P. gingivalis) пародонтальные бактерии, способные образовывать биопленки [45,51]. Таким образом, была предложена интересная гипотеза, чтобы проиллюстрировать потенциальное участие микробиоты полости рта в развитии CRC, в результате чего оральные пародонтопатические бактерии могли перемещаться в толстую кишку, способствуя дисбактериозу кишечника. Это представляет собой новый взгляд на патогенез CRC, который определяется биопленкой толстой кишки, полученной перорально [52].
Интересно, что недавнее исследование на мышах, проведенное Tomkovich и соавт. [6], предназначенная для определения причинно-следственной связи микробных биопленок в CRC, успешно продемонстрировала канцерогенность полимикробных биопленок в доклиническом эксперименте in vivo с использованием трех генетических моделей канцерогенеза CRC на мышах (стерильные ApcMinΔ850 / +; Il10−/− или ApcMinΔ850 / + и мыши ApcMinΔ716 / +, свободные от конкретных патогенов).
Исследование показало, что через 12 недель после инокуляции инокулят, приготовленный из слизистой оболочки толстой кишки человека, покрытой биопленкой, вызывал образование опухолей толстой кишки, в первую очередь в дистальном отделе толстой кишки; в то время как инокулят, приготовленный из биопленко-отрицательной слизистой оболочки толстой кишки, не индуцировал опухоли толстой кишки. Кроме того, в течение первой недели после инокуляции биопленочные гомогенаты опухолей человека, которые не были обнаружены в биоптатах здоровых людей, показали последовательную инвазию слизистого слоя и образование биопленки в толстой кишке мышей. Замечательным открытием этого исследования было то, что сообщества биопленок из биопсий толстой кишки здоровых людей были так же эффективны, как сообщества биопленок от хозяев CRC, в индукции развития опухолей. Это открытие уместно, поскольку присутствие полимикробных биопленок, содержащих потенциальные патогены, представляет повышенный риск развития CRC и рассматривается как переломный момент между здоровой и больной слизистой оболочкой кишечника [42]. Кроме того, последнее открытие также показало, что сходные уровни воспаления наблюдались как у мышей, инокулированных биопленочно-положительными, так и биопленочно-отрицательными контрольными гомогенатами, но более низкая степень иммуносупрессивной рекрутации миелоидных клеток и продукции IL-17 была вызвана биопленочно-отрицательными контрольными гомогенатами по сравнению с биопленочно-положительными гомогенатами у мышей [6]. Часто инфильтрация иммунными клетками связана с неблагоприятными клиническими исходами CRC [53]. Это показывает, что биопленки толстой кишки взаимодействуют и изменяют иммунные ответы слизистых оболочек, возможно, через пути Th17, тем самым способствуя канцерогенезу CRC [6].
Канцерогенность биопленко-положительной опухолевой микробиоты человека была дополнительно усилена с помощью эксперимента по реассоциации, показавшего развитие опухолей толстой кишки в новой когорте мышей после инокуляции гомогенизированных проксимальных или дистальных тканей толстой кишки от инфицированных биопленкой мышей (рис. 1С). Это открытие показывает, что сообщества микробиоты слизистой оболочки человека с положительной биопленкой, собранные в первой группе свободных от микробов мышей, сохраняют свою канцерогенную способность даже после перехода в новую группу мышей, свободных от микробов [6]. Метатранскриптомный анализ выявил дифференциальную активацию микробных генов, которые участвуют в бактериальной инвазии эпителиальных клеток и биосинтезе пептидогликана в слизистой оболочке мышей, связанных с биопленко-положительной опухолью, по сравнению с биопленко-отрицательной биопсией [6]. Взятые вместе, все эти открытия еще больше подтверждают мнение о том, что образование биопленки микробными патогенами, по-видимому, играет жизненно важную роль в индукции и прогрессировании CRC.
Случайный рисунок: Сканирующая электронная микрофотография биопленки E. coli, сформированной на приборе MBEC - minimal biofilm eradication concentration).
Поскольку микробные биопленки кишечника играют такую важную роль в канцерогенезе толстой кишки, профилактические подходы, направленные на обнаружение и уничтожение бактериальных биопленок, могут быть полезны для людей с риском CRC. Образование биопленки приводит к повышению устойчивости бактерий к антибиотикам и антимикробным средствам. На сегодняшний день не существует антибиотиков, которые доказали свою эффективность в лечении инфекций, связанных с биопленками, из-за их более высоких значений минимальной ингибирующей концентрации (MIC) и минимальной бактерицидной концентрации, которые могут вызывать токсичность in vivo. Исследования антибиотиков, таких как колистин и имипенем, среди других, показали, что они не могут полностью удалить биопленку, просто уменьшая ее [54,55,56,57]. Недавние исследования также показали, что использование антибиотиков широкого спектра действия не способно привести к благоприятным клиническим исходам у пациентов с различными типами рака, включая CRC [58]. Биопленки приводят к ослабленной активации фагоцитов и системы комплемента, таким образом защищая патогенные бактерии от иммунной системы хозяина и способствуя повышению примерно в 1000 раз устойчивости к обычным антибиотикам [54,59]. Структура и природа биопленки, доступность кислорода и питательных веществ бактериальным клеткам, а также приобретенная и внутренняя бактериальная резистентность являются другими факторами, способствующими повышению толерантности к противомикробным воздействиям [43]. Это было дополнительно усилено исследованием P. aeruginosa, в котором мукоидная природа биопленки придает устойчивость к тобрамицину [60]. Метаболическое состояние бактерий в биопленке и ограниченная подача кислорода также являются возможными факторами, способствующими ее устойчивости к антимикробным агентам [61]. Jeyaraj, et al. [62] обнаружили, что, когда антибиотики вводятся в сублетальной концентрации, клетки биопленки мутируют с большей скоростью, чем их планктонные аналоги, тем самым увеличивая шансы передачи гена устойчивости к антибиотикам через плазмиды. Поэтому мы изучаем различные стратегии создания антибиотиков, которые потенциально могут стать новыми химиопрофилактическими агентами и адъювантами против CRC, воздействуя на микробные биопленки кишечника. Эти стратегии кратко изложены в таблице 1.
Таблица 1. Стратегии нацеливания на микробную биопленку кишечника
Стратегии против биопленки
|
Антибиопленочные агенты
|
Выводы
|
Ref.
|
|
Натуральные
продукты
|
(Зерумбон)
|
Антимикробная активность против
B. fragilis;
Подавляет образование B. fragilis;
Полная ликвидация
B. fragilis;
Уменьшает экспрессию bmeB12.
|
MIC: 32 мкг/мл
|
[63]
|
(Альфа-гумулен)
|
Антимикробная активность против
B. fragilis;
Ингибирование образования и эрадикация;
Полная ликвидация биопленок B. fragilis;
|
MIC: 29 мкг/мл
|
[64]
|
|
Высокая антибактериальная активность в отношении биопленок
E. coli;
Содержит 89,73% терпенов (показано, что они обладают антимикробной активностью). |
MIC: 1,6 мкг/мл
|
[65]
|
||
Экстракт граната
|
Антимикробная активность против кишечной палочки;
Ингибирование образования биопленок кишечной палочки; Полное уничтожение биопленок кишечной палочки. |
MIC: 250 мкг/мл
|
[66]
|
|
Наночастицы
серебра
(AgNPs)
|
Противоопухолевый потенциал путем ингибирования миграции базофильных лейкозных клеток крыс;
Антимикробная активность против E. coli;
Снижает образование биопленки E. coli |
MIC: 4 мкг/мл
~87% уменьшение биомассы биопленки при 2 мкг/мл |
[67]
|
|
Наночастицы серебра (AgNPs) из водного экстракта листьев
|
Антибиотикопленочная активность против E. coli
|
Уменьшение толщины биопленки ~44%
|
[68]
|
|
Преобразование наночастиц (UCNPs)
|
Обнаружение специфических патогенов, связанных с
активностью CRC; Антибиопленочное действие, путем образования АФК и высвобождения d-аминокислот
|
na.
|
[69,
70,
71]
|
|
Тиосалицилатные
комплексы Zn (II)
и Hg (II)
|
Полное подавление биопленок E. coli;
Антимикробная активность против кишечной палочки;
Противоопухолевое действие против линии клеток рака толстой кишки HCT 116.
|
MIC: 0,227 мкг/мл
|
[72]
|
|
Противо-ревматическое средство
|
(Ауранофин)
|
Антимикробная активность против
B. fragilis;
Полная ликвидация
B. fragilis;
Подавляет образование B. fragilis;
Уменьшение ompA и bmeB3
|
MIC: 0,25 мкг/мл
|
[73]
|
Пробиотики
|
Супернатант
Clostridium butyricum NCTC 7423
|
Ингибируют биопленки B. fragilis;
Искореняют биопленки
B. fragilis; Снижают метаболическую активность;
Снижают ompA и bmeB3; Подавляют внеклеточные нуклеиновые кислоты и белки
|
na.
|
[74]
|
Bifidobacterium и
Lactobacillus
|
Антибактериальная активность против всех кишечных палочек;
Снижает образование биопленки из двух мультирезистентных к лекарственным препаратам кишечных палочек. |
na.
|
[75]
|
|
Ингибиторы
кворума
|
Ингибиторы
кворума
|
Подавляет образование биопленок:
Подавление синтеза сигнальных молекул,
скремблирование сигнала (деградация или секвестрация),
помехи при приеме сигнала
|
na.
|
[76,
77,
78]
|
MIC - минимальная ингибирующая концентрация; na. - нет в наличии
Природные продукты уже давно являются «золотой жилой» для терапевтических объектов, которые проявляют мириады биологических активностей [79,80,81]; при этом многие природные продукты, как было показано, обладают многообещающей антимикробной и антибиопленочной активностью [82,83]. Учитывая огромное разнообразие химических структур и их известную биологическую активность, природные продукты, полученные из растений, стали привлекательными кандидатами для разработки лекарств для подавления образования биопленок, а также для уничтожения биопленок, образованных патогенами [84,85].
Предполагается, что энтеротоксигенный B. fragilis является ключевым патогеном в инициации канцерогенеза толстой кишки [86]. Другие бактерии, связанные с прогрессированием CRC, включают F. nucleatum и E. coli [11]. Есть несколько исследований натуральных экстрактов, которые показали антибиопленочный эффект по отношению к биопленкам, содержащим такие патогены, и потенциально могут быть дополнительно изучены в дополнительных клинических испытаниях в качестве альтернативы профилактике CRC [87].
Одна из стратегий - использование зерумбона (сесквитерпенового фитохимиката), извлеченного из «Zingiber Zerumbet Smith», являющегося разновидностью съедобного имбиря. В последние несколько лет исследования показали, что зерумбон обладает множеством биологических активностей, которые способствуют антимутагенной, антибактериальной, противораковой и противовоспалительной активности [88,89,90]. Недавно Ким и др. [63] продемонстрировали, что зерумбон проявляет активность антибиотикопленки против различных штаммов B. fragilis, включая энтеротоксигенный B. fragilis дикого типа (WT-ETBF). Было показано, что Zerumbone ингибирует образование биопленки, а также уничтожает предварительно сформированную биопленку. Интересно, что исследование продемонстрировало, что зерумбон более эффективно ингибирует образование биопленок штаммов B. fragilis, содержащих токсичный ген bft-2, чем неэнтеротоксигенный штамм. Кроме того, исследование показало, что антибиотикопленочная активность зерумбона может быть опосредована подавлением гена, связанного с эффлюксной помпой (bmeB12), который связан с образованием биопленок [63]. Альфа-гумулен - еще один природный продукт, обладающий способностью подавлять образование биопленок энтеротоксигенными B. fragilis [64]. Альфа-гумулен представляет собой сесквитерпен, содержащийся в эфирных маслах ароматических растений, включая Mentha spicata, Salvia officinalis и семейство имбиря (Zingiberaceae) [91,92,93]. Альфа-гумулен известен своим противовоспалительным действием, и несколько исследований показали, что эфирные масла с альфа-гумуленом обладают антибактериальным действием [94,95]. Подобно зерумбону, α-гумулен также проявляет антибиотикопленочную активность, вызывая подавление экспрессии генов (bmeB1 и bmeB3) эффлюксного насоса RND-типа, что приводит к разрушению клеточных мембран и подавлению образования биопленок энтеротоксигенного B. fragilis [64] (прим. ред.: Семейство эффлюксных насосов RND-типа включает несколько членов, имеющих отношение к устойчивости к антибиотикам у грамотрицательных бактерий).
Эффекты антибиотикопленки по отношению к биопленкам, продуцируемым E. coli, были замечены в исследовании экстрактов листьев Sauropus androgynus (звездчатый крыжовник или катук), при котором были продемонстрированы как антибиопленочная, так и антимикробная активность. С помощью анализа газовой хроматографии-масс-спектрометрии (ГХ-МС) было обнаружено, что эти экстракты листьев содержат фитохимические вещества, такие как стероиды, фенолы, алкалоиды, дубильные вещества и флавоноиды, которые обладают антимикробными, противовоспалительными, противораковыми и иммуномодулирующими свойствами [96,97,98].
Базаргани и Рохлофф [65] предложили эфирное масло кориандра в качестве нового антибиотикопленочного агента. Они изучили антибиотикопленочную активность эфирных масел и растительных экстрактов аниса, кориандра и мяты перечной в отношении кишечной палочки. Их исследование показало, что эфирное масло кориандра обладает наивысшей антибиотической активностью против биопленок, продуцируемых кишечной палочкой.
Предыдущие исследования показали, что терпены обладают антимикробной активностью из-за их способности изменять проницаемость клеток за счет проникновения мембранных липидных бислоев через жирные ацильные цепи, нарушения упаковки липидов и изменения текучести клеточной мембраны [65,99,100]. Присутствие терпенов, таких как п-цимен, октанол, геранилацетат, α-пинен, γ-терпинен и линалоол, также может быть причиной того, что эфирные масла кориандра обладают сильным ингибирующим действием на образование биопленок E. coli [65].
В азиатских странах гранат уже много лет используется в традиционной медицине для лечения диареи и дизентерии. Было множество сообщений о биоактивном потенциале граната как антибактериального, антиоксидантного и противоракового средства [101,102,103]. Одно из исследований показало, что экстракт граната и эллаговая кислота, являющаяся его основным компонентом, проявляют антибиопленочную активность против E. coli [66].
Ауранофин - это соль золота, одобренная Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) в качестве лекарства для лечения ревматоидного артрита. Было предложено использовать его в качестве антибактериального и антибиотикопленочного агента против кишечных бактерий, таких как энтеротоксигенный B. fragilis, и, возможно, в качестве противоракового препарата. Повторное использование ауранофина будет экономически эффективным с точки зрения затрат и времени, поскольку это сэкономит время и средства, необходимые для разработки и тестирования нового препарата; учитывая, что он уже одобрен и используется в течение нескольких лет, его безопасность уже широко изучена [73]. Исследование, проведенное в 2014 году, показало, что ауранофин проявляет противоопухолевую активность в отношении линии клеток SKOV3 карциномы яичников, не содержащей р53 [104]. Другие исследования показали его антибактериальное и действие против метициллин-резистентного золотистого стафилококка (MRSA) и ванкомицин-резистентных энтерококков (VRE) [105,106]. Это вызвало интерес у Jang и Eom [73] к исследованию антибактериального и антибиотикопленочного действия ауранофина против энтеротоксигенных B. fragilis. Их исследование продемонстрировало многообещающие результаты применения ауранофина против энтеротоксигенных B. fragilis с относительно низкими концентрациями, необходимыми для подавления и уничтожения как биопленок, так и бактерий. Было показано, что лечение ауранофином вызывает значительное снижение экспрессии гена белка внешней мембраны (ompA) и гена bmeB3 [73]; ген ompA был связан с регуляцией образования биопленок [107]. Дальнейшие исследования должны быть проведены для определения эффективности ауранофина в подавлении энтеротоксигенных B. fragilis на моделях in vivo.
Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций и Всемирная организация здравоохранения (ФАО / ВОЗ) определили пробиотики как «живые микроорганизмы, которые при введении в адекватных количествах приносят пользу здоровью хозяина» [108]. Пробиотики считаются непатогенными и безопасными и обычно используются в качестве живых добавок из-за их оздоровительного эффекта за счет поддержания баланса кишечных микробов [109]. Штаммы пробиотиков использовались для лечения микробных инфекций, улучшения здоровья человека и показали многообещающее применение для профилактики диареи, связанной с антибиотиками, некротического энтероколита у недоношенных детей, а также для лечения детских колик, заболеваний пародонта и для индукции или поддержания ремиссии язвенного колита [110,111,112,113,114].
На основании имеющихся данных существуют примеры пробиотиков, показывающих многообещающие результаты в борьбе с образованием биопленок патогенами, которые вызывают заболевания, связанные с биопленками, в различных участках организма хозяина, включая ротовую полость [115], раны [116] и желудочно-кишечный тракт [117]. Несколько доклинических экспериментов продемонстрировали, что пробиотики и производные продукты могут быть потенциально разработаны для нацеливания на канцерогенные биопленки. В этих исследованиях антибиотические свойства коктейлей из различных штаммов пробиотиков оценивались в отношении энтеропатогенов, растущих в биопленках, включая энтеротоксигенные штаммы B. fragilis и энтеротоксигенные штаммы E. coli [74,75]. Влияние пробиотического супернатанта Clostridium butyricum NCTC 7423 на экспрессию генов и формирование биопленки энтеротоксигенного B. fragilis недавно изучили Shin и соавт. [74]. Бесклеточные супернатанты (CFS - cell-free supernatants) C. butyricus проявляли антагонистические эффекты против роста энтеротоксигенных B. fragilis в планктонной культуре. CFS из C. butyricus также подавлял развитие биопленок, преобразующихся биопленок, которые были предварительно сформированы, и снижал метаболическую активность клеток в биопленках. Также было показано, что он значительно снижает экспрессию генов, таких как bmeB3 и ompA, связанных с вирулентностью и эффлюксной помпой у энтеротоксигенных B. fragilis. Кроме того, CFS C. butyricus продемонстрировал способность значительно подавлять внеклеточные нуклеиновые кислоты и белки в основных компонентах биопленки [74]. Кроме того, другое исследование продемонстрировало приготовление бесклеточной отработанной среды (CFSM) из шести пробиотиков, которые принадлежат к роду Bifidobacterium и Lactobacillus, проявляли сильную антибактериальную активность против всех изолятов E. coli и были способны подавлять рост устойчивых к лекарствам E. coli. Пробиотические CFSM в этом исследовании также смогли уменьшить образование биопленок двух бактерий E. coli с множественной лекарственной устойчивостью [75].
Было обнаружено, что пробиотики препятствуют образованию биопленок и выживанию патогенов биопленок с помощью различных механизмов. Некоторые из этих механизмов включают (а) продукцию антагонистических соединений, (b) конкуренцию с патогенами и (c) модуляцию иммунных ответов хозяина [118] (рис. 2). Пробиотики могут продуцировать различные антагонистические соединения, включая экзополисахариды [119], бактериоцины [120] и биосурфактанты [121], которые проявляют активность против биопленок. Было показано, что эти антагонистические соединения препятствуют прикреплению и формированию биопленок, а также способствуют истончению зрелых биопленок. Кроме того, пробиотики способны конкурировать с патогенными бактериями за поверхность прикрепления и питательные вещества, изменяя окружающие их значения pH [122, 123]. Помимо прямого взаимодействия между пробиотиками и патогенами, пробиотики оказывают иммуномодулирующее действие через взаимодействие с иммунной системой при введении хозяину. Исследования показывают, что пробиотики и их растворимые факторы могут регулировать и активировать специфические иммунные клетки и высвобождение цитокинов через распознавание толл-подобных рецепторов, вызывая иммуномодулирующие эффекты [124, 125].
Рисунок 2. Возможные механизмы воздействия пробиотиков на микробные биопленки кишечника.
Хотя были продемонстрированы многообещающие доклинические результаты, все еще недостаточно доказательств для рассмотрения пробиотиков в качестве стратегии предотвращения возникновения или прогрессирования CRC посредством ингибирования образования патогенной биопленки или разрушения предварительно сформированных биопленок. Будущие исследования должны выяснить молекулярный механизм действия пробиотиков в кишечнике на хорошо спроектированных моделях животных или клинических исследованиях, связанных с CRC, связанным с биопленкой, чтобы получить более четкую картину того, как пробиотики действуют на бактериальные сообщества в биопленках и способствуют предотвращению начала и прогрессирования CRC. В настоящее время прием пробиотиков показал многообещающие результаты в нескольких клинических испытаниях и был предложен в качестве жизнеспособного химиопрофилактического подхода для борьбы с колоректальным канцерогенезом посредством модуляции микробиоты кишечника [126,127,128]. Основываясь на этих данных, мы можем предположить, что пробиотические вмешательства представляют собой альтернативную стратегию или адъювант в лечении заболеваний, связанных с биопленками.
Определение бактериального кворума (QS) играет важную роль в формировании микробных биопленок. QS - это тип межклеточной коммуникации, зависящей от плотности популяции, при которой он активирует определенные сигналы для координации патогенного поведения и помогает бактериям адаптироваться к нежелательным условиям роста [76]. Он играет важную роль в регуляции экспрессии и передачи бактериальных генов, связанных с вирулентностью [77]. Сигналы QS у бактерий состоят в основном из аутоиндуцирующего пептида, ацил-гомосерин-лактона (AHL) и аутоиндуцирующего пептида-2 [76]. QS регулирует бактериальные активные насосы эффлюкса, которые могут эффективно выводить антибиотики из бактерий, следовательно, играя определенную роль в развитии множественной лекарственной устойчивости. Система QS также играет регулирующую роль в образовании биопленки грамположительных и грамотрицательных бактерий. Нас беспокоят грамотрицательные бактерии. Формирование биопленки грамотрицательных бактерий контролируется системой QS с помощью сигнальной молекулы AHL, которая состоит из сигнальных молекул и соответствующих рецепторов. По мере увеличения плотности бактерий секреция сигнальных молекул также увеличивается, и как только сигнальные молекулы достигают определенного порога, они связываются и активируют соответствующие рецепторы сигнальных молекул. После активации рецепторы запускают соответствующие регуляторы транскрипции, чтобы производить внеклеточные полисахариды, альгинаты и токсиновые факторы, что способствует образованию биопленок [78]. Ингибиторы QS открыли новые возможности для преодоления микробной устойчивости и образования биопленок. Ингибиторы QS могут работать по трем основным направлениям: подавление синтеза сигнальных молекул, деградация сигналов QS или вмешательство в прием сигнала для блокировки QS [76,78]. Было установлено, что ряд малых молекул эффективен в ингибировании системы QS патогенов человека, включая флавоноиды (апигенин, байкалеин, кверцетин) [129], бензиловый эфир N-деканоил-L-гомосерина [130] и мета-бромотиолактон [131]. Например, было продемонстрировано, что флавоноиды являются ингибиторами как QS-рецептора LasR, так и RhlR, что приводит к подавлению образования биопленок у Pseudomonas aeruginosa [129]. Было также показано, что род Pseudomonas является потенциально оппортунистическим патогеном, который может увеличить риск развития колоректальной аденомы [132]. Метилтио-DADMe-иммуциллин-A является еще одним примером ингибитора QS, который был изучен на предмет нарушения QS E. coli, и он делает это путем ингибирования синтеза сигнала, предлагая многообещающую стратегию воздействия на биопленки, связанные с прогрессированием CRC. [133] (Прим. ред.: Метилтио-DADMe-иммуциллин-A представляет собой пирролидиновый аналог переходного состояния с метиленовым мостиком между 9-деазаадениновой группой и пирролидиновым миметиком рибооксакарбения).
Случайный рисунок: Репрезентативные изображения электронной микроскопии синтезированных Ag-наноструктур, демонстрирующие, что различные размеры и морфология становятся возможными благодаря управлению химией реакции (источник фото: Наночастицы серебра: синтез и применение в Наномедицине).
В последние годы исследования были сосредоточены на изучении наночастиц (NPs) на основе металлов и их использовании для нацеливания и лечения многих заболеваний, включая вторичные инфекции и рак [134]. Наночастицы серебра (AgNPs), в частности, широко исследуются для их использования в различных областях, включая упаковку пищевых продуктов, окружающую среду и здравоохранение [135]. Цитотоксический потенциал AgNPs был продемонстрирован на нескольких линиях раковых клеток, включая рак шейки матки (HeLa), рак толстой кишки (HT29), рак груди (MCF-7) и рак легких (A549) [62,136,137,138]. Кроме того, AgNP также обладают антимикробным потенциалом за счет высвобождения ионов серебра, которые становятся биологически активными при ионизации серебра в водном растворе [139, 140]. С тех пор были проведены различные исследования, направленные на разработку наночастиц серебра, которые могли бы проявлять бактерицидное и антибиотикопленочное действие. В ряде исследований был принят новый подход к зеленому синтезу путем синтеза AgNPs из растений, что обеспечивает недорогую, эффективную и экологически чистую альтернативу традиционному синтезу NPs [67,141]. Одно из этих исследований продемонстрировало, что биосинтезированный AgNP из AgNO3 и экстракта листьев Pandanus odorifer с использованием микроволнового излучения проявляет антимикробную и антибиотикопленочную активность против E. coli. Продукция экзополисахаридов и роевая подвижность, которые являются важными факторами, необходимыми для первоначального прикрепления и созревания биопленки, были значительно снижены при воздействии AgNPs. Другое исследование показало, что AgNP, который был зеленым, синтезированным из водного экстракта листьев Gloriosa superba, проявлял антибактериальную активность против E. coli [68]. Кроме того, исследование in vivo показало, что токсичность биосинтезированных AgNP была умеренной, с незначительными эффектами на функции печени и почек у мышей; тем не менее, необходимо провести дополнительные исследования, чтобы обосновать терапевтическое применение AgNP при лечении CRC, связанного с биопленками [67].
Наночастицы с повышающим преобразованием (UCNPs) представляют собой особый класс фотолюминесцентных материалов, которые могут использовать повышающее преобразование фотонов [142]. UCNPs - это нанокристаллы, легированные лантаноидами, которые активируются светом, которые были предложены для использования для обнаружения и лечения CRC. UCNPs преобразовывают длинноволновый свет возбуждения в ближней инфракрасной области (NIR) в излучение с короткой длиной волны. Это позволяет свету проникать глубже и иметь высокое отношение сигнал / шум. Недавние исследования in vitro и доклинические исследования показывают, что при различных модификациях UCNPs могут улавливать бактериальную инфекцию и воспаление, которые обычно предшествуют CRC. UCNPs способны обнаруживать специфические патогены, ответственные за развитие CRC [69]. Например, UCNPs в сочетании с антителом против Escherichia coli способны обнаруживать E. coli [69,70]. Помимо использования для обнаружения бактерий, UCNPs также могут применяться в качестве противомикробных и антибиотических пленок. Когда UCNPs используются в качестве ядра, покрытого поверхностью оболочки из TiO2, модифицированной d-аминокислотами, ультрафиолетовый свет может стимулировать внешнюю оболочку TiO2 к образованию активных форм кислорода, которые обладают антибактериальным действием и стимулируют высвобождение свободных d-аминокислот, обладающих свойствами антибиотикопленки [69,71].
Предполагается, что тиосалицилатные комплексы Zn(II) и Hg(II) представляют собой новый класс антибиотикопленок, противомикробных соединений с противоопухолевым действием. Было показано, что тиосалицилатные комплексы Zn(II) и Hg(II), обладают сильной антимикробной и антибиотической активностью против E. coli, в результате чего полная деградация биопленок E. coli достигается при относительно малой концентрации 0,227 мкг / мл. Таким образом, исследование показало, что эти комплексы открывают большие перспективы для разработки нового класса антибактериальных и антибиопленочных агентов для борьбы с устойчивыми патогенами [72]. Было показано, что тиосалицилатные комплексы Zn(II) и Hg(II), [Zn (SC6H4CO2)(TMEDA)]2 также оказывают противоопухолевое действие против линии клеток рака толстой кишки HCT116 [72]. Таким образом, стоит изучить клиническое использование тиосалицилатных комплексов в качестве многообещающих средств для предотвращения CRC.
В последнее десятилетие появилось много доказательств того, что микроорганизмы участвуют в прогрессировании CRC. Исследования показывают связь между канцерогенезом толстой кишки и образованием биопленок бактериями, ассоциированными с раком, что открывает беспрецедентные возможности для разработки потенциальных стратегий химиопрофилактики CRC путем воздействия на эти микробные биопленки.
Раннее и точное выявление аденоматозных полипов толстой кишки у пациентов с высоким риском имеет решающее значение для предотвращения прогрессирования CRC и повышения шансов на успешное лечение путем удаления аденоматозных полипов. Было высказано предположение, что наличие бактериальных биопленок, состоящих из E. coli и энтеротоксигенного B. fragilis, на слизистой оболочке толстой кишки пациентов с семейным аденоматозным полипозом (доброкачественными предшественниками) ускоряет канцерогенез толстой кишки [8]. Кроме того, Dejea et al. [41] продемонстрировали, что пациенты с биопленками более склонны к развитию CRC, чем пациенты без биопленок. Таким образом, разработка минимально инвазивного подхода к обнаружению присутствия этих биопленок у пациентов с высоким риском развития CRC может быть полезным инструментом скрининга и профилактики CRC. Из-за недостаточной чувствительности и достаточной инвазивности традиционных методов визуализации, включая эндоскопию, которая имеет высокий уровень пропусков, который колеблется от 6% до 27%, особенно для плоских и депрессивных новообразований [143,144], UCNPs становятся лучшей стратегией биовизуализации с повышенной чувствительностью обнаружения, более глубоким проникновением в ткани и меньшей неспецифической аутофлуоресценции тканей. Кроме того, UCNPs могут быть многообещающей стратегией биовизуализации не только для обнаружения предраковых полипов, но также было показано, что они эффективны при обнаружении наличия биопленок, содержащих энтеротоксигенные патогены, и даже оказывают антимикробное и антибио-пленочное действие в сочетании с противомикробными агентами [69,71]. В совокупности эти исследования подчеркивают потенциальное использование UCNPs в качестве новых стратегий лечения CRC.
Хотя наночастицы (NPs) широко используются в различных областях, таких как биомедицина, сельское хозяйство и промышленность, широкое применение NPs вызывает серьезную озабоченность в отношении их возможного воздействия на здоровье человека и окружающую среду [145]. Есть свидетельства того, что прием NPs изменяет состав кишечной микробиоты в пользу патогенных видов, вызывая пагубное воздействие на полезные бактерии. В случае AgNPs ряд исследований показал, что AgNPs может способствовать неблагоприятным последствиям для микробиоты кишечника человека, свидетельствуя о возмущениях в бактериальном составе и потенциальном изменении иммунных реакций слизистой оболочки, связанных с колитом [146,147,148]. Кроме того, было показано, что длительное пероральное воздействие наночастиц TiO2 (NPs) вызывает и усугубляет воспаление кишечника у мышей [149,150]. Следовательно, долгосрочное воздействие TiO2 NPs на человека требует обширных исследований до клинического применения, и применение TiO2 NPs следует проводить с осторожностью, особенно у пациентов с уже существующими воспалительными состояниями [150]. Учитывая, что большинство исследований токсичности проводилось с высокими дозами, вызывающими острую токсичность, было высказано предположение, что будущие исследования должны проводиться с соответствующими дозами, чтобы дополнительно определить взаимодействия между NPs и дисбактериозом кишечника, а также хронические последствия для здоровья человека. Тем не менее, эти NPs и нанокомпозиты могут действовать не только в смесях, что затрудняет их взаимодействие и эффекты для правильной интерпретации в биологической системе [145].
Природные продукты предлагают большой ресурс с бесспорно разнообразными хемотипами и фармакологической активностью [151,152,153]. Эпидемиологические и экспериментальные исследования указывают на связь между пищевыми компонентами, кишечной микробиотой и колоректальным раком, таким образом, натуральные продукты, присутствующие в нашем рационе, способны обеспечить защиту от колоректального рака через модуляцию кишечной микробиоты [154,155,156]. Как указывалось ранее в этом обзоре, природные диетические растительные метаболиты, такие как зерумбон, α-гумулен, эфирное масло кориандра и экстракты граната, считаются перспективными веществами для профилактики рака толстой кишки, нацеливаясь на продуцирующие биопленку кишечные патогены, связанные с раком. Тем не менее, большинство исследований продемонстрировали эффективность антибиотиков in vitro биоактивных натуральных продуктов против связанных с раком патогенов. Кроме того, важно также изучить влияние этих природных продуктов на сложное смешанное биопленочное сообщество: не только его влияние на конкретный кишечный патоген, но и его потенциальное влияние на сложное комменсальное сообщество. На самом деле, как уже упоминалось, недавние данные показали, что биопленки толстой кишки состоят из полимикробных сообществ и, как было показано, являются канцерогенными [5]. Кроме того, данные исследований in vivo чрезвычайно важны для определения клинической полезности этих натуральных продуктов при лечении CRC. Тем не менее, существует множество доказательств in vitro и in vivo химиотерапевтических и химиопрофилактических эффектов этих натуральных продуктов против различных видов рака, включая CRC [89,157,158]. Таким образом, в будущих исследованиях можно было бы изучить модулирующее действие этих природных продуктов на биопленку сложных микробных сообществ, присутствующих в кишечном тракте, но коррелирующих с его противораковым действием на животных моделях канцерогенеза толстой кишки.
Бесспорно, одной из самых больших проблем для выявления или лечения заболеваний, поражающих толстую кишку, является тот факт, что толстая кишка расположена в дистальной части желудочно-кишечного тракта. Таким образом, разработка специфической для толстой кишки терапии обычно связана с проблемами, связанными с физиологической сложностью в желудочно-кишечном тракте, внутренними свойствами (биодоступностью толстой кишки) и специфическими возможностями таргетинга на сайт вмешательств. Для повышения успешности стратегии таргетирования, специфичной для толстой кишки, на протяжении многих лет были разработаны различные системы доставки лекарственных средств, нацеленных на толстую кишку, главным образом для сохранения препарата во время его прохождения через желудок и тонкую кишку и в конечном итоге достижения целевого места [159,160]. Использование наночастиц с присущей им антимикробной активностью, таких как наночастицы серебра, для обработки биопленок широко изучено [161,162], в то время как изучение наночастиц для доставки малых молекул или ингибиторов кворума в биопленки относительно ограничено. Наночастицы представляют собой идеальный носитель для устойчивого и контролируемого высвобождения антибиотикопленочных агентов, поскольку они способны защищать малые молекулы от ферментативной деградации и предотвращать электростатическое связывание с внеклеточным полимерным веществом, продуцируемым биопленками, обеспечивая тем самым повышенную антибиопленочную эффективность [161,163]. Кроме того, наночастицы хитозана и сополимера молочной и гликолевой кислоты (PLGA) являются примерами других классов наночастиц, достойных упоминания, и заслуживают дальнейших будущих исследований их применимости в качестве многообещающей стратегии адресной доставки лекарств в толстую кишку [163].
Было высказано предположение, что образование биопленок играет определенную роль в инициации канцерогенеза толстой кишки, и поэтому ингибирование или удаление таких биопленок может представлять собой перспективную стратегию профилактики и лечения CRC. Современные исследования, посвященные ингибиторам биопленки и ингибиторам кворума, чувствительным к биопленкам энтеротоксигенного B. fragilis или E. coli, представляют ценность для будущей разработки новых лекарственных средств. Большинство этих исследований дают многообещающие результаты in vitro. На данный момент имеются ограниченные данные in vivo, и необходимы дополнительные исследования in vivo для дальнейшего изучения потенциала природных продуктов, противоревматического агента ауранофина, пробиотиков, ингибиторов кворума, наночастиц серебра, UCNPs и тиосалицилатных комплексов в профилактике и лечении CRC. Также будет целесообразно изучить методы улучшения применения этих стратегий с точки зрения их методов доставки в толстую кишку путем их модификации и использования систем доставки лекарств, нацеленных на толстую кишку, для повышения их способности воздействовать на микробные биопленки кишечника. Также должны быть постоянные усилия по созданию новых технологий рецептур, которые могут улучшить системы доставки лекарств, нацеленных на толстую кишку.
Дополнительный рисунок. 1S. Механизмы, возможно, вовлеченные в развитие микробного колоректального рака и динамическую модель «бактериальный водитель-пассажир». Кишечные микроорганизмы могут способствовать возникновению и прогрессированию колоректального рака с помощью различных процессов, таких как индукция хронического воспалительного состояния, биосинтез генотоксинов, нарушающих регуляцию клеточного цикла или непосредственно повреждающих ДНК, или производство токсичных метаболитов. Согласно модели "бактериальный водитель-пассажир" происходит изменение состава микробиоты кишечника. В начале прогрессирования колоректального рака бактерии-водители способны инициировать развитие заболевания. После инициации опухолевого процесса происходит изменение окружающей среды, приводящее к чрезмерному росту бактерий-пассажиров. АФК, активные формы кислорода; STAT3, преобразователь сигналов и активатор транскрипции 3; H2S, сероводород (адаптировано из материалов: José Luis Olcoz et al. Factors determining colorectal cancer: the role of the intestinal microbiota. Front. Oncol., 12 October 2015).
К разделу: Роль микробиома в развитии и терапии рака
См. также: Микробная биоплёнка. Основные понятия