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Multidrug-resistant gram-negative pathogens such as Escherichia coli have become increasingly difficult to treat and therefore alternative treatment options are needed. Targeting virulence factors like biofilm formation could be one such option. Inhibition of biofilm-related structures like curli and cellulose formation in E. coli has been shown for different phenolic natural compounds like epigallocatechin gallate. This study demonstrates this effect for other structurally unrelated phenolics, namely octyl gallate, scutellarein and wedelolactone. To verify whether these structurally different compounds influence identical pathways of biofilm formation in E. coli a broad comparative RNA-sequencing approach was chosen with additional RT-qPCR to gain initial insights into the pathways affected at the transcriptomic level. Bioinformatical analysis of the RNA-Seq data was performed using DESeq2, BioCyc and KEGG Mapper. The comparative bioinformatics analysis on the pathways revealed that, irrespective of their structure, all compounds mainly influenced similar biological processes. These pathways included bacterial motility, chemotaxis, biofilm formation as well as metabolic processes like arginine biosynthesis and tricarboxylic acid cycle. Overall, this work provides the first insights into the potential mechanisms of action of novel phenolic biofilm inhibitors and highlights the complex regulatory processes of biofilm formation in E. coli.
Abstract
Aim
To verify synergistic effects, we investigated the antimicrobial activity of seven phenolic phytochemicals (gallic acid; epicatechin; epigallocatechin gallate; daidzein; genistein; myricetin; 3‐hydroxy‐6‐methoxyflavone) in combination with six antibiotics against multidrug‐resistant isolates from the ESKAPE group.
Methods and Results
To investigate single phytochemicals and combinations, initial microdilution and checkerboard assays were used, followed by time‐kill assays to evaluate the obtained results. The research revealed that phenolic compounds on their own resulted in little or no inhibitory effects. During preliminary tests, most of the combinations resulted in indifference (134 [71.3%]). In all, 30 combinations led to antagonism (15.9%); however, 24 showed synergistic effects (12.8%). The main tests resulted in nine synergistic combinations for the treatment of four different bacteria strains, including two substances (3‐hydroxy‐6‐methoxyflavone, genistein) never tested before in such setup. Time‐kill curves for combinations with possible synergistic effects confirmed the results against Acinetobacter baumannii as the one with the greatest need for research.
Conclusions
The results highlight the potential use of antibiotic–phytocompound combinations for combating infections with multi‐resistant pathogens. Synergistic combinations could downregulate the resistance mechanisms of bacteria.
Significance and Impact of the Study
The aim of this study is to demonstrate the potential use of phenolic natural compounds in combination with conventional antibiotics against multidrug‐resistant bacteria of the ESKAPE group. Due to synergistic effects of natural phenolic compounds combined with antibiotics, pathogens that are already resistant to antibiotics could be resensitized as we were able to reduce their MICs back to sensitive. In addition, combination therapies could prevent the development of resistance by reducing the dose of antibiotics. This approach opens up the basis for future development of antimicrobial therapy strategies, which are so urgently needed in the age of multidrug‐resistant pathogens.
Neu isolierte und synthetisierte Wirkstoffe müssen neben ihrer biologischen Wirksamkeit auch auf ihre Unbedenklichkeit für den Menschen hin untersucht werden. Ein Bestandteil der Untersuchungen zur Unbedenklichkeit ist die Prüfung auf mögliche Immuntoxizität. Die Risikobewertung und -klassifizierung von (immun-)toxischen Substanzen erfolgt derzeit in Tierversuchen, die, abgesehen von ethischen Bedenken, zeit- und kostenintensiv sind und deren Übertragbarkeit auf den Menschen nicht vollständig gewährleistet ist.
Im Fokus dieser Arbeit stand die Etablierung und Anwendung eines Methodensets basierend auf funktionalen in vitro Methoden zur Charakterisierung immunologischer Wirkungen ausgewählter Naturstoffe. Dieses sollte der Beurteilung der immuntoxischen Wirkungen der getesteten Naturstoffe und der Entwicklung eines Entscheidungsbaums, der die Vorhersage des immuntoxischen Potentials mithilfe von in vitro Versuchen gestattet, dienen. Dazu wurden zwei humane Immunzelllinien (Jurkat-Zellen als Beispiel für T-Zellen, THP-1-Zellen als Beispiel für Monozyten) und für einige Versuche vergleichsweise primäre Blutzellen eingesetzt. Es wurden Methoden zur Untersuchung folgender Parameter etabliert und angewendet: Vitalität, Zellzyklusverteilung, Induktion von Apoptose, iROS, DNA-Schäden (Genotoxizität), Zytokinfreisetzung und mitochondriale Funktion. Folgende Naturstoffe wurden für die Untersuchungen ausgewählt: Mannitol und Urethan als Negativkontrollen, Cyclosporin A, Deoxynivalenol und Mycophenolsäure als Positivkontrollen, ausgehend von Hinweisen auf Wirkungen im Immunsystem Tulipalin A, Helenalin, Vincristin, Cannabidiol, Agaritin und p-Tolylhydrazin als Testsubstanzen.
Es zeigten sich nur geringfügige Unterschiede der Substanzwirkungen zwischen den Immunzelllinien, welche v.a. auf Zytokinebene nachweisbar waren. Die Substanzen besaßen zeit- und konzentrationsabhängige Effekte. Die Negativkontrolle Mannitol hatte eine geringe Wirkung auf die Immunzelllinien, während Urethan die Zytokinfreisetzung supprimierte/¬stimulierte. Die untersuchten Positivkontrollen zeigten einen Einfluss auf die Zytokinfreisetzung und führten weiterhin zu immuntoxischen Effekten durch eine konzentrationsabhängige Apoptoseinduktion. Die Testsubstanzen Vincristin, Agaritin und p-Tolylhydrazin besaßen nur eine geringe toxische Wirkung auf die Immunzellen. Weitere Substanzen wie Cannabidiol, Helenalin und Tulipalin A wiesen immunspezifisch und - unspezifisch vermittelte Immuntoxizität durch einen Einfluss auf die Zytokinfreisetzung, Apoptose und iROS auf.
Funktionale in vitro Untersuchungen zur Vitalität, Zellzyklusverteilung, Apoptose und Zytokinfreisetzung waren zum Nachweis bzw. Ausschluss von Immuntoxizität geeignet und neben Proteom- und Metabolomanalysen wesentlicher Bestandteil eines Entscheidungsbaums zur Klassifizierung von direkt immuntoxischen Substanzen. Es zeigte sich, dass die Zytokinmessung der wichtigste Parameter zur Klassifizierung von immuntoxischen Substanzen im subtoxischen Bereich ist. Es konnte sowohl Cyclosporin A als Positivkontrolle als auch Mannitol als Negativkontrolle in beiden Zelllinien bestätigt werden. Von den hinreichend untersuchten Testsubstanzen wurde Cannabidiol, Helenalin und Tulipalin A in Jurkat-Zellen sowie Cannabidiol und Tulipalin A in THP-1-Zellen unter Verwendung des Entscheidungsbaums als immuntoxisch klassifiziert.
Darüber hinaus konnte die hautsensibilisierende Wirkung von Farnesol und Tulipalin A durch Anwendung von weiteren in vitro Methoden bestätigt werden.
Eine Validierung der Ergebnisse mit weiteren bekannten immuntoxischen und nicht-immuntoxischen Substanzen würde eine Anwendung als Vorscreening Testung neuer Substanzen ermöglichen und nicht nur zu einer Reduktion von Tierversuchen führen, sondern auch eine Zeit- und Kostenersparnis bedeuten.