Ферменты в составе комбинированных антимикробных средств как улучшители их действия

Накапливающаяся информация о росте числа микроорганизмов, обладающих резистентностью по отношению к применяемым антимикробным препаратам, с одной стороны, и появление информации о наличии лабораторий, в которых ведутся закрытые работы с микробными патогенами, негативные свойства которых могут быть искусственно усилены, свидетельствуют о том, что необходима разработка новых эффективных антимикробных средств с максимально широким спектром действия.

Цель работы – провести анализ современных тенденций в развитии антимикробных препаратов, комбинирующих применение известных и широко используемых антибиотиков, а также веществ с антимикробными свойствами, включая металлические наночастицы, антимикробные пептиды, с различными ферментами, которые позволяют сохранить и усилить противомикробный эффект по отношению к клеткам различных микроорганизмов.

Источниковая база исследования – преимущественно англоязычная научная литература, доступная через глобальную сеть Интернет, а также собственные опубликованные экспериментальные исследования авторов.

Метод исследования – аналитический.

Результаты. В работе рассмотрены ферменты, которые, в отличие от классических антимикробных агентов, чаще вступающих в реакции ингибирования ключевых биохимических реакций, являются катализаторами процессов, направленных на окисление и гидролиз молекул, метаболически и структурно важных для микроорганизмов. Таким образом, ферменты многократно вступают в реакции, позволяющие существенно снизить концентрации веществ, важных для жизнедеятельности микробных клеток, что приводит к их ослаблению и более эффективному действию антимикробных агентов. Чаще всего при этом сами ферменты выступают в роли носителей для молекул с антимикробным действием, что позволяет избежать неспецифического их взаимодействия с другими, прежде всего, белками, выводящими, таким образом, часть, например, антибиотиков, из активного воздействия на клетки патогенов.

Выводы. Продемонстрировано, что ферментативное усиление бактерицидного действия антимикробных агентов может быть по отношению к разным клеткам, в том числе образуемым ими сложным по составу биосистемам (биопленкам), как в несколько раз, так и на несколько порядков. Такие комбинированные с ферментами антимикробные средства могут представлять интерес для проведения санитарных обработок разных поверхностей, емкостей, помещений, в том числе биолабораторий, для введения в состав защитных и перевязочных материалов.

1. Denning DW. Global incidence and mortality of severe fungal disease. Lancet Infect Dis. 2024;24:E428–38. https://doi.org/10.1016/S1473-3099(23)00692-8

2. Fisher MC, Denning DW. The WHO fungal priority pathogens list as a game-changer. Nat Rev Microbiol. 2023;21:211–2. https://doi.org/10.1038/s41579-023-00861-x

3. Rather MA, Gupta K, Bardhan P, Rather, Borah M, Sarkar, A. et al. Microbial biofilm: a matter of grave concern for human health and food industry. J Basic Microbiol. 2021;61(5):380–95. https://doi.org/10.1002/jobm.202000678

4. Kochina TA, Kondratenko YA, Shilova OA, Vlasov DY. Biocorrosion, biofouling, and advanced methods of controlling them. Prot Met Phys Chem Surf. 2022;58(1):129–50. https://doi.org/10.1134/S2070205122010129

5. Liu X, Koestler RJ, Warscheid T, Katayama Y, Gu JD. Microbial deterioration and sustainable conservation of stone monuments and buildings. Nat Sustain. 2020;3(12):991–1004. https://doi.org/10.1038/s41893-020-00602-5

6. Авдеева МГ, Зотов СВ, Кулбужева МИ, Мошкова ДЮ, Журавлева ЕВ. Грибковые осложнения при новой коронавирусной инфекции COVID-19. Эпидемиология и инфекционные болезни. 2021;26(6):252–69. https://doi.org/10.17816/EID108872

7. Филонов ВВ, Щеренко ВВ, Попов ЮЕ, Терещатов ВЭ. Биологические лаборатории в Кавказском регионе как источники угроз национальной безопасности России. Вестник войск РХБ защиты. 2022;6(3):258–70. https://doi.org/10.35825/2587-5728-2022-6-3-258-270

8. Супотницкий МВ. Биологические свойства бактериальных токсинов. Вестник войск РХБ защиты. 2024;8(1):34–64. EDN:jtrfxo https://doi.org/10.35825/2587-5728-2024-8-1-34-64

9. Kulshrestha A, Gupta P. Combating polymicrobial biofilm: Recent approaches. Folia Microbiol. 2023;68(4):495–505. https://doi.org/10.1007/s12223-023-01070-y

10. Sharma S, Mohler J, Mahajan SD, Schwartz SA, Bruggemann L, Aalinkeel R. Microbial biofilm: a review on formation, infection, antibiotic resistance, control measures, and innovative treatment. Microorganisms. 2023;11(6):1614. https://doi.org/10.3390/microorganisms11061614

11. Tits J, Cammue BPA, Thevissen K. Combination therapy to treat fungal biofilm-based infections. Int J Mol Sci. 2020;21(22):8873. https://doi.org/10.3390/ijms21228873

12. Lyagin I, Efremenko E. Enzymes for detoxification of various mycotoxins: origins and mechanisms of catalytic action. Molecules. 2019;24(13):2362. https://doi.org/10.3390/molecules24132362

13. Thallinger B, Prasetyo EN, Nyanhongo GS, Guebitz GM. Antimicrobial enzymes: an emerging strategy to fight microbes and microbial biofilms. Biotechnol J. 2013;8(1):97–109. https://doi.org/10.1002/biot.201200313

14. Efremenko E, Senko O, Stepanov N, Aslanli A, Maslova O, Lyagin I. Quorum sensing as a trigger that improves char-acteristics of microbial biocatalysts. Microorganisms. 2023;11(6):1395. https://doi.org/10.3390/microorganisms11061395

15. Gliźniewicz M, Miłek D, Olszewska P, Czajkowski A, Serwin N, Cecerska-Heryć E, et al. Advances in bacteriophage-mediated strategies for combating polymicrobial biofilms. Front Microbiol. 2024;14:1320345. https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1320345

16. Efremenko E, Stepanov N, Aslanli A, Lyagin I, Senko O, Maslova O. Combination of enzymes with materials to give them antimicrobial features: modern trends and perspectives. J Funct Biomater. 2023;14(2):64. https://doi.org/10.3390/jfb14020064

17. Fanaei Pirlar R, Emaneini M, Beigverdi R, Banar M, B van Leeuwen W, Jabalameli F. Combinatorial effects of antibiotics and enzymes against dual-species Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa biofilms in the wound-like medium. PLoS One. 2020;15(6):e0235093. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0235093

18. Iñiguez-Moreno M, Gutiérrez-Lomelí M, Avila-Novoa MG. Removal of mixed-species biofilms developed on food contact surfaces with a mixture of enzymes and chemical agents. Antibiotics. 2021;10(8):931. https://doi.org/10.3390/antibiotics10080931

19. Poilvache H, Ruiz-Sorribas A, Cornu O, Van Bambeke F. In vitro study of the synergistic effect of an enzyme cocktail and antibiotics against biofilms in a prosthetic joint infection model. Antimicrob Agents Chemother. 2021;65(4):e01699-20. https://doi.org/10.1128/aac.01699-20

20. Lyagin I, Stepanov N, Frolov G, Efremenko E. Combined modification of fiber materials by enzymes and metal nanoparticles for chemical and biological protection. Int J Mol Sci. 2022;23(3):1359. https://doi.org/10.3390/ijms23031359

21. Weldrick PJ, Hardman MJ, Paunov VN. Enhanced clearing of wound-related pathogenic bacterial biofilms using protease-functionalized antibiotic nanocarriers. ACS Appl Mater Interfaces. 2019;11(47):43902–19. https://doi.org/10.1021/acsami.9b16119

22. Baidamshina DR, Koroleva VA, Trizna EY, Pankova SM, Agafonova MN, Chirkova MN, et al. Anti-biofilm and wound-healing activity of chitosan-immobilized Ficin. Int J Biol Macromol. 2020;164:4205–17. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.09.030

23. Martins M, Henriques M, Lopez-Ribot JL, Oliveira R. Addition of DNase improves the in vitro activity of antifungal drugs against Candida albicans biofilms. Mycoses. 2012;55(1):80–5. https://doi.org/10.1111/j.1439-0507.2011.02047.x

24. Ruiz-Sorribas A, Poilvache H, Kamarudin NHN, Braem A, Van Bambeke F. Hydrolytic enzymes as potentiators of antimicrobials against an inter-kingdom biofilm model. Microbiol Spectr. 2022;10(1):e02589-21. https://doi.org/10.1128/spectrum.02589-21

25. Rajendran R, Williams C, Lappin DF, Millington O, Martins M. Extracellular DNA release acts as an antifungal resistance mechanism in mature Aspergillus fumigatus biofilms. Eukaryot. Cell. 2013;12(3):420–9. https://doi.org/10.1128/ec.00287-12

26. Torelli R, Cacaci M, Papi M, Sterbini FP, Martini C, Posteraro B, et al. Different effects of matrix degrading enzymes towards biofilms formed by E. faecalis and E. faecium clinical isolates. Colloids Surf B Biointerfaces. 2017;158:349–55. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2017.07.010

27. Lefebvre E, Vighetto C, Di Martino P, Garde VL, Seyer D. Synergistic antibiofilm efficacy of various commercial antiseptics, enzymes and EDTA: a study of Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus biofilms. Int J Antimicrob Agents. 2016;48(2):181–8. https://doi.org/10.1016/j.ijantimicag.2016.05.008

28. Wang H, Wang H, Xing T, Wu N, Xu X, Zhou G. Removal of Salmonella biofilm formed under meat processing environment by surfactant in combination with bio-enzyme. LWT-Food Sci Technol. 2016;66:298–304. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2015.10.049

29. Hogan S, Zapotoczna M, Stevens NT, Humphreys H, O'Gara JP, O'Neill E. Potential use of targeted enzymatic agents in the treatment of Staphylococcus aureus biofilm-related infections. J Hosp Infect. 2017;96(2):177–82. https://doi.org/10.1016/j.jhin.2017.02.008

30. Srikanth R, Banu SF, Sowndarya J, Parveen JHS, Rubini D, Wilson A, et al. Biosurfactant synergized with marine bacterial DNase disrupts polymicrobial biofilms. Folia Microbiol. 2021;66(5):831–42. https://doi.org/10.1007/s12223-021-00876-y

31. Gatina A, Trizna E, Kolesnikova A, Baidamshina D, Gorshkova A, Drucker V, et al. The bovhyaluronidase azoximer (Longidaza®) disrupts Candida albicans and Candida albicans-bacterial mixed biofilms and increases the efficacy of antifungals. Medicina. 2022;58(12):1710. https://doi.org/10.3390/medicina58121710

32. Ji Y, Han Z, Ding H, Xu X, Wang D, Zhu Y, et al. Enhanced eradication of bacterial/fungi biofilms by glucose oxidase-modified magnetic nanoparticles as a potential treatment for persistent endodontic infections. ACS Appl Mater Interfaces. 2021;13(15):17289–99. https://doi.org/10.1021/acsami.1c01748

33. Schuch R, Pelzek AJ, Nelson DC, Fischetti VA. The PlyB endolysin of bacteriophage vB_BanS_Bcp1 exhibits broad-spectrum bactericidal activity against Bacillus cereus sensu lato isolates. Appl Environ Microbiol. 2019;85(9):e00003-19. https://doi.org/10.1128/AEM.00003-19

34. Cooper RA. Inhibition of biofilms by glucose oxidase, lactoperoxidase and guaiacol: the active antibacterial component in an enzyme alginogel. Internat Wound J. 2013;10(6):630–7. https://doi.org/10.1111/iwj.12083

35. Zanaroli G, Negroni A, Calisti C, Ruzzi M, Fava F. Selection of commercial hydrolytic enzymes with potential antifouling activity in marine environments. Enzyme Microb Technol. 2011;49(6-7):574–9. https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2011.05.008

36. Wang D, Ivanova SA, Hahn R, Gu T. Evaluation of trehalase as an enhancer for a green biocide in the mitigation of Desulfovibrio vulgaris biocorrosion of carbon steel. Bioprocess Biosyst Eng. 2022;45(4):659–67. https://doi.org/10.1007/s00449-021-02684-7

37. Kumari S, Sarkar PK. Optimisation of Bacillus cereus biofilm removal in the dairy industry using an in vitro model of cleaning-in-place incorporating serine protease. Int J Dairy Technol. 2018;71(2):512–8. https://doi.org/10.1111/1471-0307.12454

38. Kamali E, Jamali A, Izanloo A, Ardebili A. In vitro activities of cellulase and ceftazidime, alone and in combination against Pseudomonas aeruginosa biofilms. BMC Microbiol. 2021;21:1–10. https://doi.org/10.1186/s12866-021-02411-y

39. Ren Z, Kim D, Paula AJ, Hwang G, Liu Y, Li J, et al. Dual-targeting approach degrades biofilm matrix and enhances bacterial killing. J Dent Res. 2019;98(3):322–30. https://doi.org/10.1177/002203451881848

40. Gupta PV, Nirwane AM, Belubbi T, Nagarsenker MS. Pulmonary delivery of synergistic combination of fluoroquinolone antibiotic complemented with proteolytic enzyme: A novel antimicrobial and antibiofilm strategy. Nanomed Nanotechnol Biol Med. 2017;13(7):2371–84. https://doi.org/10.1016/j.nano.2017.06.011

41. Tonguc-Altin K, Sandalli N, Duman G, Selvi-Kuvvetli S, Topcuoglu N, Kulekci G. Development of novel formulations containing lysozyme and lactoferrin and evaluation of antibacterial effects on mutans Streptococci and Lactobacilli. Arch Oral Biol. 2015;60(5):706–14. https://doi.org/10.1016/j.archoralbio.2015.02.004

42. Sarıgöl E, Ekizoğlu M, Pehlivan SB. Bodur E, Sağıroğlu M, Çalış S. A thermosensitive gel loaded with an enzyme and an antibiotic drug for the treatment of periprosthetic joint infection. J Drug Deliv Technol. 2018;43:423–29. https://doi.org/10.1016/j.jddst.2017.11.004

43. Wiśniewska K, Śliwińska-Wilczewska S, Savoie M, Lewandowska AU. Quantitative and qualitative variability of airborne cyanobacteria and microalgae and their toxins in the coastal zone of the Baltic Sea. Sci Total Environ. 2022;20(826):154152. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.154152

44. Coradi M, Zanetti M, Valério A, de Oliveira D, da Silva A, Ulson SMDAG, et al. Production of antimicrobial textiles by cotton fabric functionalization and pectinolytic enzyme immobilization. Mater Chem Phys. 2018;208:28–34. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2018.01.019

45. Quartinello F, Tallian C, Auer J, Schön H, Vielnascher R, Weinberger S, et al. Smart textiles in wound care: functionalization of cotton/PET blends with antimicrobial nanocapsules. J Mater Chem B. 2019;7(42):6592–603. https://doi.org/10.1039/c9tb01474h

46. Urbanek O, Wysocka A, Nakielski P, Pierini F, Jagielska E, Sabała I. Staphylococcus aureus specific electrospun wound dressings: influence of immobilization technique on antibacterial efficiency of novel enzybiotic. Pharmaceutics. 2021;13(5):711. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13050711

47. Aslanli A, Lyagin I, Stepanov N, Presnov D, Efremenko E. Bacterial cellulose containing combinations of antimicrobial peptides with various QQ enzymes as a prototype of an “enhanced antibacterial” dressing: in silico and in vitro data. Pharmaceutics. 2020;12(2):1155. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics12121155

48. Ivanova K, Fernandes MM, Francesko A, Mendoza E, Guezguez J, Burnet M, et al. Quorum-Quenching and matrix-degrading enzymes in multilayer coatings synergistically prevent bacterial biofilm formation on urinary catheters. ACS Appl Mater Interfaces. 2015;7(49):27066–77. https://doi.org/10.1021/acsami.5b09489

49. Maslova O, Aslanli A, Stepanov N, Lyagin I, Efremenko E. Catalytic characteristics of new antibacterials based on hexahistidine-containing organophosphorus hydrolase. Catalysts. 2017;7(9):271. https://doi.org/10.3390/catal7090271

50. Aslanli A, Lyagin I, Efremenko E. Novel approach to Quorum Quenching: rational design of antibacterials in combination with hexahistidine-tagged organophosphorus hydrolase. Biol Chem. 2018;399(8):869–79. https://doi.org/10.1515/hsz-2018-0162

51. Aslanli A, Lyagin I, Efremenko E. Charges' interaction in polyelectrolyte (nano)complexing of His6 -OPH with peptides: unpredictable results due to imperfect or useless concept? Int J Biol Macromol. 2019;140:368–76. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.08.137

52. Aslanli A, Domnin M, Stepanov N, Efremenko E. “Universal” antimicrobial combination of bacitracin and His6 -OPH with lactonase activity, acting against various bacterial and yeast cells. Int J Mol Sci. 2022;23(16):9400. https://doi.org/10.3390/ijms23169400

53. Завьялов ВВ, Завьялова НВ, Холстов ВИ, Ковтун ВА, Гореленков ВК, Фролов ГА и др. Совместное действие металлических и ферментных наночастиц, используемых для функционализации защитных самоочищающихся материалов, нейтрализующих фосфорорганические соединения и обладающих бактерицидной активностью. Вестник войск РХБ защиты. 2023;7(2):107–26. EDN: jzeivh https://doi.org/10.35825/2587-5728-2023-7-2-107-126

54. Завьялов ВВ, Завьялова НВ, Холстов ВИ, Ковтун ВА, Гореленков ВК, Фролов ГА. и др. Бактерицидные свойства модульных защитных материалов. Вестник войск РХБ защиты. 2022;6(2):123–36. EDN: ombiwn. https://doi.org/10.35825/2587-5728-2022-6-2-123-136

55. Efremenko E, Lyagin I, Aslanli A, Stepanov N, Maslova O, Senko O. Carrier variety used in immobilization of His6 -OPH extends its application areas. Polymers. 2023;15(3):591. https://doi.org/10.3390/polym15030591

56. Efremenko E, Aslanli A, Domnin M, Stepanov N, Senko O. Enzymes with lactonase activity against fungal quorum molecules as effective antifungals. Biomolecules. 2024;14(3):383. https://doi.org/10.3390/biom14030383