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Studio di modellizzazione molecolare di micro e nanocurcumina con validazione antibatterica in vitro e in vivo

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Studio di modellizzazione molecolare di micro e nanocurcumina con validazione antibatterica in vitro e in vivo

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 12224 (2023) Cita questo articolo 660 Accessi 1 Dettagli metriche altmetriche Riutilizzo di composti naturali come bersagli inibitori per combattere la virulenza batterica

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12224 (2023) Citare questo articolo

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Riutilizzare i composti naturali come bersagli inibitori per combattere la virulenza batterica è un'importante strategia potenziale per superare la resistenza agli antibiotici tradizionali. Nel presente studio, l'attività antibatterica della microcurcumina e della curcumina nanometrica è stata studiata contro quattro agenti patogeni batterici predominanti, vale a dire Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus e Bacillus subtilis. La sensibilità battericida della curcumina potrebbe essere riassunta nell’ordine P. aeruginosa > B. subtilis > S. aureus > E. coli. È stata condotta un'analisi di docking molecolare per confermare l'impatto della curcumina sulle proteine ​​di segnalazione della via di rilevamento del quorum più vitali e identificate positivamente SecA-SecY, LsrR, PqsR (MvfR), AgrA che agiscono come attori chiave nei sistemi di comunicazione batterica. Le proprietà fisico-chimiche in silico hanno rivelato che la curcumina come nutraceutico può essere classificata come un composto simile a un farmaco. Un modello di ferita infetta in vivo è stato impiegato in quattro gruppi di ratti albini. L’applicazione topica della lozione di nano-curcumina ha mostrato una marcata riduzione dell’area della ferita (98,8%) nonché una riduzione di quasi il 100% della conta batterica vitale totale rispetto al gruppo di controllo, il quindicesimo giorno successivo al trattamento successivo alla lesione. I dati ottenuti suggeriscono che le nanoparticelle di curcumina hanno mostrato un’attività antibatterica superiore e possono possedere un’utilità clinica come nuovo agente antimicrobico topico e di guarigione delle ferite.

La recente diffusione di infezioni microbiche e l’emergere di nuovi agenti patogeni, comprese le specie multiresistenti, sono considerate sfide per l’umanità che comportano la necessità di terapie alternative1. L'interesse del pubblico per le erbe tradizionali si è sviluppato grazie alle loro proprietà mediche confermate e agli effetti collaterali limitati o assenti2. La Curcuma longa (nome comune: Curcuma) è una pianta erbacea perenne rizomatosa della famiglia dello zenzero (Zingiberaceae), viene tipicamente utilizzata per le spezie e come colorante3. I curcuminoidi sono i componenti polifenolici fitochimici non tossici e presenti in natura della curcuma, contiene tre diverse strutture: (a) diferuloilmetano o curcumina (curcumina I, 75%), (b) dimetossi curcumina (curcumina II, 20%) e (c ) bisdemetossicurcumina (curcumina III, 5%)4. Dal punto di vista farmacologico la curcumina ha mostrato una vasta gamma di promettenti azioni biologiche e terapeutiche come l’attività antibatterica contro un’ampia gamma di batteri agendo sulla membrana cellulare batterica, la parete cellulare, le proteine, il DNA e altre strutture cellulari, o inibendo la crescita batterica attraverso sono state dimostrate le azioni antinfiammatoria6, antitumorale7 e antidiabetica8 del sistema/percorso quorum sensing (QS)5.

Dal punto di vista farmacocinetico la curcumina non è solubile in acqua, è instabile nelle soluzioni e mostra una bassa biodisponibilità, scarso assorbimento e rapida eliminazione dall'organismo9. Questi inconvenienti ne ostacolano l'uso in vivo come agente terapeutico. Per superare questi problemi, è necessario progettare un sistema avanzato di somministrazione dei farmaci in grado di migliorare la traduzione terapeutica della curcumina10. Diversi studi hanno concluso che il nanodimensionamento delle particelle di curcumina può avere una migliore idrofilia, stabilità chimica, rilascio prolungato e adeguata disperdibilità della curcumina rispetto alla sua forma libera11.

Diversi studi hanno indicato che la terapia con curcumina, soprattutto se somministrata localmente, promuove la guarigione delle ferite riducendo i tempi di guarigione, migliorando la deposizione di collagene e aumentando i fibroblasti cutanei e la densità vascolare, essendo un agente proangiogenico per la guarigione delle ferite sia nelle ferite sane che in quelle infette12. Poiché la curcumina è un farmaco ben noto, il docking molecolare in quel contesto può essere eseguito per studiare le capacità di legame della curcumina con nuove molecole mirate o per analoghi della curcumina. Il sistema di comunicazione microbica Quorum Sensing (QS) viene utilizzato da una varietà di macchie batteriche13 e si basa sulla generazione e sul rilevamento di molecole di segnalazione (autoinduttori) per monitorare la densità di popolazione14. La maggior parte dei batteri Gram-negativi utilizza i lattoni N-acilhomoserina come principali molecole segnale QS, mentre i batteri Gram-positivi utilizzano peptidi segnale per regolare le funzioni fisiologiche, come la formazione di biofilm, la biosintesi di antibiotici, la bioluminescenza, il rilascio di fattori di virulenza, sideroforo, proteasi extracellulari e motilità cellulare15. La curcumina svolge un importante ruolo inibitorio attraverso il sistema QS batterico poiché interagisce con numerosi bersagli molecolari e vie di trasduzione attraverso una strategia anti-infezione multi-meccanismo16. Esistono molteplici proteine ​​coinvolte nel percorso di rilevamento del quorum, le proteine ​​SecA-SecY, LsrR, PqsR (MvfR) e AgrA correlate rispettivamente a Bacillus subtilis, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa e Staphylococcus aureus sono risultate essere i regolatori QS più vitali e identificati positivamente , sono parti integranti della rete QS e agiscono come attori chiave nei sistemi di comunicazione batterica, proteina canale SecA-SecY, consente il trasporto di un'ampia gamma di proteine ​​batteriche attraverso la membrana del reticolo endoplasmatico eucariotico o attraverso la membrana plasmatica procariotica17, LsrR La proteina regola centinaia di geni che partecipano a una miriade di processi biologici, tra cui mobilità, formazione di biofilm e sensibilità agli antibiotici, nonché resistenza batterica a vari composti18, PqsR (MvfR) è un regolatore trascrizionale critico che può aumentare l'efficacia degli antibiotici ed eventualmente prevenire le proteine ​​di resistenza dalla formazione19, inoltre, la proteina del fattore di trascrizione AgrA è coinvolta nella regolazione della risposta quorum-sensing attraverso la generazione di emolisina e altri fattori di virulenza20. Infine la curcumina è stata identificata come un potente inibitore del QS dei patogeni umani che non indurrebbe resistenza batterica poiché questa strategia di blocco è stata considerata sostitutiva degli antibiotici tradizionali15.

 B. subtilis > S. aureus > E. coli, determination of TVC emphasized this trend./p> B. subtilis > S. aureus > E. coli, , these findings are in agreement with earlier reports of Gopal et al.46 and No et al.47 who declared that nanosized particles have better mobilization inside the cells better than their micro sized counterparts, the range of the minimum inhibitory concentration values on using NC suspension (15.65–31.25 µg/mL) was much lower than on using MC suspension (125–250 µg/mL) near results were obtained by Neto et al.48, Notably, there were significant differences in the MICs of curcumin against certain stains reported by different research groups . This may be due to the type of the solvent used by each research group49. Bacterial populations utilize a special chemical language in an autoinducer–receptor manner to regulate their virulence; this language is QS50. QS regulates biofilm formation, bacterial motility, and the production of virulent exocellular enzymes and pigments51, there are three main QS systems, (1) the acylhomoserine lactone (AHL) QS system in Gram-negative bacteria; (2) the autoinducing peptide (AIP) QS system in Gram-positive bacteria, and (3) the autoinducer-2 (AI-2) QS system, which is in both Gram-negative and Gram-positive bacteria52. The current in silico study gave us more detailed exploration about the inhibition activity of nanocurcumin indicated by the in vitro study, curcumin interaction with the selected four QS-encoding genes were evaluated, for P. aeruginosa, docking study of ligand–PqsR (MvfR) interaction was performed, PqsR (MvfR) is a critical transcriptional regulator with important roles in virulence, it can increase antibiotic efficacy and eventually prevent the AMR protein from forming53, for B. subtilis interaction was studied with SecA-SecY channel protein which permits a wide range of proteins to be transported across the eukaryotic endoplasmic reticulum membrane or across the prokaryotic plasma membrane, the SecA transports most secretory proteins post-translationally through the SecY channel in bacteria18. In E. coli ligand-LsrR interaction was performed, LsrR regulates hundreds of genes that participate in myriad biological processes, including mobility, biofilm formation, and antibiotic susceptibility and bacterial resistance to various compounds20, in case of S. aureus interaction was performed with AgrA transcription factor protein, which is involved in the regulation of the quorum-sensing response in the bacteria, as well as the generation of hemolysins and other virulence factors51. Docking scores indicated that the studied ligands were interacted with the protein's active site residues with energy binding affinity that varies from − 4.3 to − 7.8 kcal/mol, the values calculated for P. aeruginosa confirmed the high inhibitory effect of curcumin as it inhibited the active site of the PqsR protein with binding affinity of − 7.8 kcal/mol. The interaction results of SecA-SecY protein (B. subtilis), and AgrA protein (S. aureus) indicated moderate binding affinity − 6.6 and − 6.0 kcal/mol respectively, on the other hand the binding affinity of LsrR protein (5.5 kcal/mol) represent week interaction), the binding energy statistics were found to confirm the docking result. Curcumin has superior binding energies compared to other compounds54. RMSF was a good tool for assessing local alterations throughout the protein chain, while RMSD measures the average change in displacement of a particular frame relative to a reference frame for a sample of atoms, calculated for each frame along the path28. RMSD and RMSF studies were used to further examine the overall stability, where in case of PqsR protein the RMSD and RMSF values represent a stable interaction followed by Seca-Secy, and Agra proteins and finally the lowest values were for LsrR protein. In drug discovery and development, various tests were needed to determine whether the candidate drug is bioavailable and safe for the body or not. During drug-discovery pipeline and drug-development processes, various tests are utilized to determine whether the candidate/potential drug is bioavailable and safe for the body or not. Lipinski’s rule of five and toxicity tests are an example of criteria that need to be considered during this process. Nutraceuticals must meet four requirements (MW < 500, log P < 5, HBD ≤ 5, and HBA ≤ 10) to be classified as drug-like55,56. The resulting scores of curcumin predicted that it has exceptional oral bioavailability, also the physicochemical and structural characteristics of curcumin were inconsistent with most well-known drugs, and it didn’t meet all the toxicity tests. Wound bacterial infections are thought to play a serious role in healing delay by altering the host cell functions57, previous findings reported that the rate of infection is proportionally related to the number of inoculated bacterial colonies. Wound inoculation of 106 cfu/mL resulted to 100% of the wounds without mortality, while increasing colony numbers to 1010 led to animals’ death, otherwise decreasing the number to 104 approximately 50% of the wounds are showed no sign of infection58. Although concerns about using of antimicrobials on open wounds still exist because of their potential cytotoxicity that causes delay in the healing process59. In an application to evaluate the in vivo infected wound healing process, MC and NC lotions were prepared and applied topically on wounded rats once daily along 15 days from the first day of wounding, healing was observed by morphological examination and detected by calculating the healing percentage, it was found that treatment of the wounded animals by MC lotion significantly fastened the healing process compared to the control group, the healing percentage reached 78.6% on the fifteenth day of injury, similarly Dai et al.60 reported that curcumin facilitated complete wound reepithelization by reducing the epithelization period compared with the control group, also many studies have shown that topical application of curcumin to wound sites was more effective in the closure process61, this enhanced capacity of wound healing with the plant was based on its anti-inflammatory and antimicrobial effects that were well documented in the previous literature62, on the other hand, on treating the wound sites with the prepared NC lotion nearly complete wound closure was attained on the fifteenth day of treatment (98.8%). Earlier researchers declared that the in vivo wound treatment capability of curcumin nanoparticles was significantly higher than that of macro and micro curcumin particles, this must be attributed to the fact that its small size increases its interaction with the microbial and host cells63, also estimation of the total viable bacterial count indicated nearly 100% reduction at the end of the treatment interval. The obtained results revealed that the wounded animal group treated with NC lotion showed more well-formed granulation tissue and reepithelization earlier than other groups. Consequently, NC lotion could be an alternative strategy as a wound healing promotor./p>