Перспективы использования фитохимических веществ в животноводстве

МИРОШНИКОВА Е.П.
АРИНЖАНОВ А.Е.
КИЛЯКОВА Ю.В.
Оренбургский государственный университет

МИРОШНИКОВА М.С.
Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук

Введение.

На сегодняшний день во всем мире остро встает вопрос развития антибиотикорезистентности патогенной микрофлоры, сопряженной с совокупным экономическим ущербом более 100 триллионов долларов США и гибелью до 10 млн. человек к 2050 году

(World Health Organization, 2018) связано с широким использованием антибиотиков в животноводстве.

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) определила устойчивость к антибиотикам как одну из глобальных угроз общественному здоровью (Raport of IACG).

По оценкам специалистов к 2050 году 10 миллионов человек будут ежегодно умирать от микробных инфекций с множественной лекарственной резистентностью. Наибольший риск представляет устойчивость к препаратам резерва, которые являются последней линией защиты от наиболее тяжелых инфекционных болезней.

В этой связи одним из путей преодоления последствий антибиотикорезистентности является запрещение использование антибиотиков в животноводстве в общем, и в аквакультуре, в частности.

В России отказ от антибиотиков в животноводстве продекларирован Правительством РФ «Стратегией предупреждения распространения антимикробной резистентности в Российской Федерации на период до 2030 года» (распоряжение № 2045-р от 25.09.2017 г.). В связи с чем актуальным представляется поиск альтернативных решений по замене антибиотиков в животноводстве.

Одним из перспективных решений в этой области является использование специфических малых молекул - ингибиторов системы чувствительности кворума (QS) фитопатогенных и зоопатогенных бактерий.

Актуальность исследований ингибиторов «кворум сенсинга», как альтернативы антибиотикам, обоснована в 2016 году на международном симпозиуме «Альтернатива Антибиотикам: проблемы и решения в области животноводства» (штаб-квартира Всемирной организации по охране здоровья животных (OIE), Париж, Франция)

Открытие QS позволило по-новому взглянуть на характер функциональной и морфологической дифференциации бактерий, включая синтез антибиотиков и формирование биопленок. QS играет важную роль для выживания бактерий, их вирулентности и патогенности.

Создание препаратов, предотвращающих или контролирующих патогенез бактерий, путем ингибирования кворум сенсинга, имеет большое значение.

Ингибиторы кворума (QSI) - одна из групп препаратов для альтернативной противомикробной терапии, которая, вероятно, будет использоваться для преодоления проблемы толерантности к антибиотикам бактериальных патогенов [9].

Установлено, что химические и соединения природного происхождения способны нарушать QS поведение бактерий. Ингибиторами кворума являются висмутовые комплексы порфиринов [7], фураноны и родственные им структурные аналоги [20], гликозилированные флавоноиды [6], гликомонотерпенолы [18], ультрадисперсные частицы металлов, растения, фрукты, овощи [1, 8].

QQ приводит к подавлению нужных генов, в результате чего идет борьба с образованием биопленок без влияния на рост микроорганизмов и их частичного, полного разрушения.

В настоящее время определены несколько механизмов гашения QS, в частности:

• ингибирование синтеза ацилгомосеринлактонов (АГЛ) за счет блокироки синтазных белков типа LuxI;

• ферментативное расщепление молекул АГЛ АГЛ-ацилазой и АГЛ-лактоназой, что в итоге предотвратит их накопление;

• блокировка образования комплекса AГЛ / LuxR или вмешательство в сигнальные белки.

Перспективными источниками QSI являются химические синтезированные соединения, под действием которых происходит ослабление экспрессии генов вирулентности, ответственных за патогенез, и установление инфекций путем вмешательства в системы бактериальной связи. Кроме того, они не оказывают селективного давления для развития резистентных бактерий в отличие от традиционных противомикробных средств.

Исследования на эукариотах выявили несколько групп веществ (иберин, аджоен, катехин), ингибирующих QS в репортерных штаммах [14].

Установлены защитные механизмы растений против бактериальных инфекций, ограничивающие способность микроорганизмов вырабатывать факторы, необходимые для вирулентности и успешной колонизации, не являясь бактерицидными и бактериостатическими [21]. Вместо этого эти соединения ослабляют экспрессию генов путем вмешательства в чувствительность QS [23].

Галогенизированные фураноны стали одним из первых описанных соединений растительного происхождения, ингибирующих QS [26]. Структура фуранонов имеет значительное сходство с ГСЛ и объясняет возможность их конкуренции за связывание с соответствующим рецепторным белком. Данные соединения дестабилизируют комплекс «рецепторный белок – лиганд» и приводят к ускорению оборота рецепторного белка LuxR в клетках [25].

Установлено, что фитохимические вещества и растительные экстракты способны вмешиваться в системы кворум сенсинга внутри и между видами [19].

Механизмы действия фитохимикатов и растительных экстрактов связаны с их сходством по химической структуре с сигналами QS, а также с их способностью разрушать рецепторы сигналов (LuxR / LasR) [2]. Важность соединений анти-QS указывают на то, что они не создают давления отбора.

Растительные экстракты или фитобиотики содержат в себе различные инструменты управления микробной модуляцией и бактериальным патогенезом.

Анализ баз данных показал существование более 320 тыс. вторичных и до 1 млн различных метаболитов, производимых в растительном мире [22].

В накоплении вторичных метаболитов и в биосинтезе определяющими факторами являются: экологические, генетические и др. [4]. Большинство растений способны к биосинтезу до 25 тыс. соединений. Вторичные метаболиты растений синтезируются в различных типах растительных клеток и выводятся из азотного обмена за счет ряда модификаций, таких как дезаминирование.

Вторичные метаболиты в отличие от первичных, характеризуются низким содержанием общего углерода, менее 1% [5].

Установлено, что ослабление бактериальной вирулентности коррелирует со снижением экспрессии гена QS, что приводит к предотвращению бактериальных побочных эффектов.

В настоящее время растительные соединения широко используются в медицине. В тестах in vitro установлена антибактериальная активность растительных экстрактов в минимальных дозировках: 100 - 1000 мкг/мл [13].

В составе растений выделены большое количество вторичных метаболитов, и можно выделить несколько категорий антимикробных фитохимических веществ с полезными свойствами: фенолы / полифенолы, терпеноиды /эфирные масла, алкалоиды, лектины / полипептиды [12].

Антимикробная активность фитохимических веществ проявляется через различные механизмы. Например, дубильные вещества действуют путем взаимодействия с ферментами и депривации железа [10], а сапонины образуют комплексы со стеролами, присутствующими в мембране микроорганизмов, вызывая повреждения мембран и, как следствие, разрушение клеток [17].

Общий антимикробный потенциал (снижение кишечного патогенного давления) фитогенных кормовых добавок, подтверждаются исследованиями in vivo [24].

Из чеснока выделено вещество с анти-кворум активностью: аджоен – 2-пропенил-3 [3-(2-про- пенилсульфинил)-1-пропенил] дисульфида [15], которое влияет на кворум-зависимое образование биопленки, в результате бактерии находящиеся в ней становятся более чувствительными к антибиотику тобрамицину. Осложнило практическое применение аджоена воздействие на агрегацию и метаболизм тромбоцитов, а также индукция апоптоза [3, 16].

Одной из главных проблем применения растительных экстрактов - это нестабильный химический состав, который в первую очередь зависит от ареала и условий произрастания. В результате возникает потребность выделения отдельных веществ или компонентов из растений с необходимыми свойствами. Например, экстракт коры дуба содержит семь компонентов с анти-QS активностью: конифериловый спирт, скополетин, антиарол, пирогаллол, пропилрезорцин, ванилин, кумарин [11].

Учение о QS за последние годы прошло большой путь: от идеи до первых фармацевтических препаратов, а одним из препятствий при лечении инфекционных заболеваний является эффективная доставка anti-QS препаратов к биопленкам.

В этой связи поиск альтернативных противомикробных веществ с профилактическим и росто- стимулирующим действием относится к актуальным направлениям сельскохозяйственной биологии, что согласуется с утвержденной Правительством РФ «Стратегией предупреждения распространения антимикробной резистентности в Российской Федерации на период до 2030 года» (распоряжение № 2045-р от 25.09.2017 г.).

Применение ингибирования QS для профилактики и борьбы с бактериальными инфекциями у сельскохозяйственных животных является малоизученной проблемой. Использование современных технологий для получения и стандартизации этих компонентов, их экспериментальная и производственная апробация позволят широко применять растительные экстракты в качестве биологически активных добавок в кормлении животных.

В условиях интенсивных технологий анти-кворум вещества способны улучшить потребление, перевариваемость и усвояемость кормов, нормализовать кишечную микрофлору и гомеостаз в целом, а также нивелировать снижение иммунного и антиоксидантного статуса животных и тем самым обеспечить повышение всех видов продуктивности животного.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Adonizio A.L. Anti-quorum sensing activity of medicinal plants in southern Florida / A.L. Adonizio // J Ethnopharmacol. – 2006. – Vol. 105 (3). – P. 427-435.

2. Asfour H.Z. Anti-Quorum Sensing Natural Compounds / H. Z. Asfour // J Microsc Ultrastruct. – 2018. – Vol. 6 (1). – P. 1–10.

3. Atkinson S. Quorum sensing and social networking in the microbial world / S. Atkinson, P. Williams // Journal of the Royal Society. Interface. – 2009. – Vol. 6 (40). – P. 959–978

4. Biological effects of essential oils – A review / F. Bakkali et al. // Food and Chemical Toxicology. – 2008. – Vol. 46 (2). – P. 446-475.

5. Bourgaud F. Production of plant secondary metabolites: a historical perspective / F. Bourgaud et al. // Plant Science. – 2001. – Vol. 161 (5). – P. 839-851.

6. Brango-Vanegas J. Glycosylflavonoids from Cecropia pachystachya Trecul are quorum sensing inhibitors / J. Brango-Vanegas // Phytomedicine. – 2014. – Vol. 21 (5). – P. 670-675

7. Characteristics of the Pseudomonas aeruginosa PA01 Intercellular Signaling Pathway (Quorum Sensing) Functioning in Presence of Porphyrins Bismuth Complexe / M. Galkin et al. // Pol J Microbiol. – 2015. – Vol. 64 (2). – P.101-106.

8. Chenia H.Y. Anti-Quorum Sensing Potential of Crude Kigelia africana Fruit Extracts / H.Y. Chenia // Sensors. – 2013. – Vol. 13 – P. 2802-2817.

9. Defoirdt T. Quorum-Sensing Systems as Targets for Antivirulense Therapy / T. Defoirdt // Trends Microbiol. – 2018. – Vol. 26 (4). – P. 313-228.

10. Delimont N.M. The Impact of Tannin Consumption on Iron Bioavailability and Status: A Narrative Review / N. M. Delimont, M. D Haub, B. L. Lindshield // Current Developments in Nutrition. – 2017. – Vol. 1 (2). – P. 1–12.

11. Deryabin D.G. Antibacterial and Anti-Quorum Sensing Molecular Composition Derived from Quercus cortex (Oak bark) Extract / D.G. Deryabin, A.A. Tolmacheva // Molecules. – 2015. - Sep 17. – Vol.20(9). – P.17093-17108.

12. Effects of dietary supplementation of synbiotics and phytobiotics on performance, caecal coliform population and some oxidant/antioxidant parameters of broilers / Z. Erdo an et al. // J Animal Physiology and Animal Nutrition. – 2010. – Vol. 94 (5). - e40-8.

13. Huyghebaert, G. An update on alternatives to antimicrobial growth promoters for broilers / G. Huyghebaert, R. Ducatelle, F. Vanimmerseel // The Veterinary Journal. – 2011. – Vol. 187 (2). – P.182-188.

14. Identification of catechin as one of the flavonoids from Combretum albiflorum bark extract that reduces the production of quorum-sensing-controlled virulence factors in Pseudomonas aeruginosa PAO1 / O. M. Vandeputte et al. // Appl Environ Microbiol. – 2010. – Vol. 76. – P. 243-253.

15. In vitro регенерация растений чеснока озимого (Allium sativum L.) из воздушных луковичек / А. В. Поляков и др. // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки. – 2018. – (4). – С.115-124.

16. Metabolic dependent and independent pH-drop shuts down VirSR quorum sensing in Clostridium perfringens / K. Adachi et al. // J Biosci Bioeng. – 2018. –Vol. 125 (5). – P. 525-531.

17. Morrissey J. P. Fungal resistance to plant antibiotics as a mechanism of pathogenesis / J. P. Morrissey, A. E. Osbourn // Microbiological and Molecular Biological Reviews. – 1999. – Vol.63. – P. 708–724.

18. Mukherji R. A new class of bacterial quorum sensing antagonists: glycomonoterpenols synthesized using linalool and alpha terpineol / R. Mukherji, A. Prabhune // World J Microbiol Biotechnol. – 2015. – Vol. 31 (6). – P. 841-849.

19. Nazzaro, F. Quorum Sensing and Phytochemicals / F. Nazzaro // Int. J. Mol. Sci. – 2013. – Vol. 14. – P. 12607- 12619.

20. New bicyclic brominated furanones as potent autoinducer-2 quorum-sensing inhibitors against bacterial bio- film formation / J. S. Park et al. // Eur J Med Chem. – 2017. – Vol. 8 (137). – P. 76-87.

21. Plant-derived natural products as sources of anti-quorum sensing compounds / C.L. Koh et al. // Sensors (Basel, Switzerland). – 2013. –Vol. 13 (5). – P.6217–6228.

22. Saito K. Metabolomics for Functional Genomics, Systems Biology, and Biotechnology / K. Saito, F. Matsuda // Annual Review of Plant Biology. – 2010. – Vol. 61. – P. 463-489.

23. Suga H. Molecular mechanisms of bacterial quorum sensing as a new drug target / H. Suga, K.M. Smith // Cur- rent Opinion in Chemical Biology. – 2003. – Vol. 7 (5). – P. 586-591.

24. Use of phytogenic products as feed additives for swine and poultry / W. Windisch et al. // Journal of Animal Science. – 2008. – Vol. 86 (14). – P. E140–E148.

25. Waters C.M. The Vibrio harveyi quorum-sensing system uses shared regulatory components to discriminate between multiple autoinducers / C. M. Waters, B. L. Bassler // Genes and development. – 2006. – Vol. 20 (19). P. 2754–2767.

26. Wolfgang D. Bauer and Max Teplitski Can plants manipulate bacterial quorum sensing? / D. Wolfgang // Australian Journal of Plant Physiology. – 2001. – Vol. 28 (9). – P. 913-921.

Miroshnikova E.P., Arinzhanov A.E., Kilyakova Yu.V.
Orenburg State University

Miroshnikova M.S.
Federal Scientific Center for Biological Systems and Agricultural Technologies of the Russian Academy of Sciences. Russia.

Keywords: quorum sensing, antibiotic resistance, plant extracts, phytobiotics, feeding

The article discusses the prospects for the use of phyto-chemicals in the feeding of farm animals. Today, the question of finding alternative solutions to replace antibiotics in animal husbandry is more relevant than ever.

One of the promising solutions is the use of specific small molecules - inhibitors of the quorum sensitivity system (QS) of phytopathogenic and zoopathogenic bacteria.

Quorum Sense Inhibitors are one of a group of drugs for alternative antimicrobial therapy. Representatives of which can be phytochemicals and plant extracts.