Streszczenie

Biosurfaktanty, związki amfifilowe, syntetyzowane przez mikroorganizmy, oprócz właściwości powierzchniowo czynnych, często wykazują aktywność przeciwdrobnoustrojową i przeciwno­wotworową. Związki te zapobiegają adhezji mikroorganizmów do różnych podłoży, dzięki cze­mu nie tworzą się biofilmy bakteryjne czy grzybowe. Od wielu lat biosurfaktanty są stosowane jako antybiotyki, gdyż zabijają wiele różnych drobnoustrojów. Znane też są właściwości prze­ciwwirusowe biosurfaktantów. Coraz więcej doniesień literaturowych informuje o wywoływa­niu apoptozy przez mikrobiologiczne surfaktanty. W pracy omówiono aktualny stan wiedzy do­tyczący biomedycznej aktywności biosurfaktantów.

Słowa kluczowe:biosurfaktanty • aktywność przeciwnowotworowa • aktywność przeciwdrobno-ustrojowa

Summary

Biosurfactants, amphiphilic compounds, synthesized by microorganisms have surface, antimi­crobial and antitumor properties. Biosurfactants prevent adhesion and biofilms formation by bac­teria and fungi on various surfaces. For many years microbial surfactants are used as antibiotics with board spectrum of activity against microorganisms. Biosurfactants act as antiviral compo­unds and their antitumor activities are mediated through induction of apoptosis. This work pre­sents the current state of knowledge related to biomedical activity of biosurfactants.

Key words:biosurfactants • antitumor activity • antimicrobial activity

Wykaz skrótów:

CLP – cykliczne lipopeptydy; ERK – kinaza zależna od sygnału zewnątrzkomórkowego (extracellular signal-regulated protein kinase); HSV – wirus z rodziny herpeswirusów; JNK – kinaza aktywowana przez wolne rodniki (c-Jun amino-terminal kinase); LDH – dehydrogenaza mleczanowa; PARP – poly(ADP-ribozo)polimeraza; ROS – reaktywne formy tlenu (reactive oxygen species); SFV – otoczkowy wirus z rodziny toga wirusów.

Wstęp

Surfaktanty (surface active agents), inaczej substancje po­wierzchniowo czynne, to związki chemiczne, które mają zdolność do obniżania napięcia powierzchniowego cieczy, ułatwiając tym samym zwilżanie powierzchni ciał stałych przez te ciecze, a także umożliwiając zmieszanie dwóch płynów, które naturalnie tworzą dwie nieulegające zmie­szaniu fazy (np. woda i olej).

Surfaktanty są związkami chemicznymi o własnościach amfifilowych. Są to związki mające właściwości zarówno hydrofilowe, jak i hydrofobowe.

Mikroorganizmy syntetyzują różnorodne biosurfaktanty, które można podzielić m.in. pod względem masy cząsteczkowej. Do niskocząsteczkowych należą glikolipidy (zwłaszcza trehalozolipidy, soforolipidy, ramnolipidy) oraz lipopeptydy, takie jak: cykliczne lipopeptydy, np. surfaktyna oraz polimyksyna. Jeszcze inną grupą biosurfaktantów są cykliczne peptydy, będące często antybiotykami, takimi jak między innymi gramicydyna. Do wysokocząsteczkowych biosurfaktantów należą lipopolisacharydy, biopolimerowe kompleksy i lipoproteiny, takie jak alasan, liposan oraz kompleksy złożone z tych biopolimerów [16].

Bakterie i drożdże wytwarzają biosurfaktanty, wykorzy­stując jako źródło węgla różne, niemieszające się wzajem­nie substraty węglowe (hydrofilowe i hydrofobowe): cukry i tłuszcze roślinne, tłuszcze zwierzęce i ich estry, kwasy tłuszczowe i alkohole. Wytwarzanie biosurfaktantów wy­stępuje w fazie stacjonarnej wzrostu, co sugeruje akumu­lację tych związków jako wtórnych, dodatkowych metabo­litów. Na wytwarzanie biosurfaktantów ma wpływ wiele czynników, takich jak: źródło węgla, pH, temperatura czy biodostępność substratów [17].

Związki aktywne powierzchniowo otrzymywane w wyni­ku mikrobiologicznej syntezy są zazwyczaj metabolita­mi amfifilowymi, zewnątrzkomórkowymi bądź związany­mi ze ścianą komórkową. Ich część hydrofilową stanowią najczęściej mono-, oligo- lub polisacharydy, aminokwasy, białka itp. W składzie części lipofilowej biosurfaktantów występuje jeden lub więcej długołańcuchowych kwasów tłuszczowych, hydroksykwasy tłuszczowe lub a-alkilo-b-hydroksykwasy tłuszczowe zawierające 30-40 atomów węgla w cząsteczce. Są one zestryfikowane poprzez gru­pę acylową lub wiązanie glikozydowe z częścią hydrofi­lową surfaktantu [17].

Właściwości przeciwnowotworowe biosurfaktantów

Glikolipidy są biosurfaktantami, między innymi o wła­ściwościach przeciwnowotworowych. Ich rola w hamo­waniu rozwoju nowotworów została potwierdzona przez wielu badaczy. Glikolipidy mogą hamować rozwój raka płuc, mózgu czy białaczek [7,21,27]. Mechanizm działa­nia przeciwnowotworowego glikolipidów polega na ha­mowaniu angiogenezy [10] i indukowaniu apoptozy [28]. Apoptoza jest rodzajem śmierci komórki, pozwalającej na endogenne samobójstwo komórki, aktywowane przez ze­wnętrzne lub wewnętrzne bodźce. Jest to bardzo ważny mechanizm, pozwalający utrzymać równowagę między po­wstającymi i umierającymi komórkami oraz homeostazę w populacji komórek. Jest to proces ważny ze względu na niszczenie komórek uszkodzonych, zainfekowanych oraz nowotworowych.

Soforolipidy to grupa biosurfaktantów zaliczana ze wzglę­du na swoją strukturę chemiczną do glikolipidów. Obecnie intensywnie badany jest wpływ soforolipidów na prolife­rację i apoptozę w komórkach linii nowotworowej H7402 raka wątroby. Do hamowania proliferacji ważne są odpo­wiednie stężenie soforolipidów oraz czas inkubacji [17]. Glikolipidy te wywołują apoptozę poprzez blokowanie cy­klu komórkowego w fazie G1 oraz częściowo w fazie S, powodując aktywację kaspazy 12, następnie kaspazy 3, oraz zależnej od Ca/Mg endonukleazy, zwiększając stę­żenie jonów Ca²⁺ w cytoplazmie.

Apoptoza może być wywołana przekazaniem sygnału z re­tikulum endoplazmatycznego. Uwolnienie jonów wapnia z retikulum endoplazmatycznego do cytoplazmy, prowa­dzi do podniesienia stężenia jonów wapnia w cytoplazmie. Opierając się na tych badaniach, można przypuszczać, że apoptoza komórek H7402 wywołana przez soforolipidy może być zależna od szlaku sygnalnego w retikulum [4].

Wykazano, że soforolipidy mogą być wykorzystane także w terapii raka trzustki [5]. Soforolipidy były cytotoksycz­ne względem nowotworu trzustki, wywołując uwalnianie dehydrogenazy mleczanowej (LDH), co z kolei wskazuje na zmiany nekrotyczne w tym procesie.

Inna grupa biosurfaktantów, cyklicznych lipopeptydów (CLP) od kilku lat jest badana pod względem ich przeciwnowotworowych właściwości. Wiadomo, że potraktowanie lipoproteinami mysich komórek czerniakowych B16 wywołuje kondensację chromatyny, fragmentację DNA oraz zatrzymanie wzrostu w fazie sub-G1 [24]. Sudo i wsp. zaobserwowali zahamowanie wzrostu i różnicowanie się komórek promielocytarnej białaczki linii HL60 pod wpływem lipoprotein [19]. Cykliczny lipopopeptyd wydzielany przez szczep Bacillus natto T-2 indukował apoptozę w komórkach białaczki linii K562, następowała aktywacja kaspazy 3 i rozszczepienie poly(ADP-ribozo)polimerazy (PARP) [26]. Dalsze badania nad apoptozą indukowaną przez CLP z Bacillus natto wykazały, że proces ten jest sterowany przez aktywowaną wzrostem stężenia wapnia ERK (extracellular signal-regulated protein kinase) poprzedzoną przez aktywację Bax/Bcl-2 i cytochromu c. Przypuszcza się, że ze względu na swoją różnorodną strukturę i rolę biologiczną cykliczne lipopeptydy mogą się charakteryzować własnym, unikalnym schematem sygnałowego hamowania rozwoju nowotworów [25].

Znany cykliczny lipopeptyd – surfaktyna, wydzielany przez szczepy Bacillus, również hamuje proliferację i wywołu­je apoptozę w komórkach raka piersi. W tym przypadku mechanizm indukcji apoptozy polega na indukcji powsta­wania reaktywnych form tlenu i zaburzeniu homeostazy redox na 13 ROS/JNK – zależnym mitochondrialno/ka­spazowym szlaku [3].

Właściwości przeciwwirusowe biosurfaktantów

Od kilkunastu lat prowadzone są badania nad przeciwwiru­sowymi właściwościami biosurfaktantów. Naruse, Itokawa i wsp. przebadali aktywność surfaktyny i jej analogu pumi­lacydyny na wirusa HIV-1 i opisali jej potencjalne zastoso­wanie jako czynnika przeciwwirusowego [8,12].

Dirk Volleinbroch i wsp. przebadali wpływ surfaktyny na róż­ne wirusy, odkrywając jej działanie przeciw wirusom her­pes, retrowirusom oraz innym otoczkowym wirusom z RNA i DNA [23]. Surfaktyna nie niszczyła wirusa SFV – otoczko­wego wirusa z rodziny togawirusów, używanego jako przykład modelowy wirusa żółtaczki C. Testowany biosurfaktant bez­pośrednio reagował z częścią lipidową otoczki wirusa, powo­dując w większych stężeniach nawet całkowite jej zniszcze­nie. Zauważono także, że surfaktyna dezaktywowała wirusy pod względem ich adsorpcji i przenikania do komórek [23].

Rhamnolipid, należący do grupy glikolipidów, wydziela­ny przez szczep Pseudomonas sp. S-17 wykazywał prze­ciwwirusową aktywność wobec wirusów herpes simplex typu 1 i 2 (HSV1 i 2) [14].

Inny rodzaj glikolipidów – soforolipidy oraz ich struktural­ne analogi zostały zastosowane przez Vishal Shah i wsp. między innymi przeciw wirusowi HIV, przy czym wyka­zywały różny stopień selektywności w swoich bakterio­bójczych, antywirusowych i plemnikobójczych właści­wościach. Na przykład postać laktonowa soforolipidów wykazywała silne właściwości plemnikobójcze, cytotok­syczne oraz prozapalne, ale mniejsze działanie antywi­rusowe. Pierścień soforolipidów warunkował słabszą ak­tywność plemnikobójczą, ale silniejszą antywirusową. Pochodna soforolipidów, ester dioctanu etylu wykazywa­ła najwyższą aktywność plemnikobójczą i anty-HIV spo­śród przebadanych pochodnych. Niestety związki te miały zbyt dużą cytotoksyczność, żeby móc je wykorzystać jako środki lecznicze [18].

Właściwości przeciwbakteryjne i przeciwgrzybicze biosurfaktantów

Niektóre z biosurfaktantów mają właściwości przeciwdrob­noustrojowe, a takie jak polimyksyny czy gramicydyny od dawna mają zastosowanie jako antybiotyki.

Polimyksyny są stosowane w lecznictwie od 1947 roku, ich zakres przeciwbakteryjnego działania obejmuje pra­wie wszystkie bakterie z rodziny Enterobacteriaceae, z wyjątkiem pałeczek rodzaju Proteus i gatunku Serratia marcescens. Dużą wrażliwość wykazują także szczepy pałeczek niefermentujących z rodzajów Pseudomonas i Acinetobacter oraz pałeczki Haemophilus influenzae i Bordetella pertussis. Do opornych na polimyksyny ga­tunków Gram-ujemnych pałeczek należą Burkholderia cepacia i Bacteroides fragilis, a do opornych ziarniaków Gram-ujemnych, bakterie z rodzaju Neisseria. Z kliniczne­go punktu widzenia ważna jest duża aktywność polimyksyn wobec Gram-ujemnych patogenów przewodu pokarmowe­go, patogenów układu moczowego i szczepów powodują­cych zapalenie płuc u chorych z mukowiscydozą. Istotna jest ich aktywność wobec szczepów Pseudomonas aeruginosa.

Wiązanie się polimyksyn z błonami komórek ssaków prowadzi do akumulacji tych antybiotyków w tkankach. Polimyksyny po podaniu pozajelitowym wykazują dużą toksyczność. Antybiotyki te działają nefrotoksycznie, co dotyczy około 20% pacjentów. U około 2% leczonych osób obserwuje się ostrą martwicę kanalikową.

Do początku XXI wieku terapeutyczne użycie polimyksyn było ograniczone. Stosowano je w terapii zakażeń przewo­du pokarmowego wywołanych przez pałeczki Gram-ujemne oraz do selektywnej dekontaminacji przewodu pokarmo­wego u pacjentów oddziałów intensywnej terapii. Służyły także do leczenia zakażeń wywoływanych przez szczepy P. aeruginosa (zakażenia układu moczowego, zapalenie płuc u chorych na mukowiscydozę, zakażenia oczu, uszu, po­wierzchniowe, np. zakażenia skóry, ran oparzeniowych).

Polimyksyny w połączeniu np. z neomycyną i bacytracy­ną, dzięki skojarzonemu działaniu, stanowią bakteriobój­czy preparat stosowany miejscowo. Takie preparaty pod postacią maści mają zastosowanie w pierwotnych i wtór­nych zakażeniach skóry paciorkowcowych i gronkowco­wych, a także, co szczególnie ważne, w zakażeniach pa­łeczkami Gram-ujemnymi w tym z rodzaju Pseudomonas.

Obecnie polimyksyny znajdują zastosowanie w zwalcza­niu chorób wywołanych lekoopornymi szczepami bakte­rii, takimi jak: Pseudomonas aeruginosa, Acinetobacter baumannii, Klebsiella pneumoniae czy Stenotrophomonas maltophilia [6].

Gramicydyny stosowane od 1939 roku, działają na bak­terie Gram-dodatnie. Wrażliwe są także Mycobacterium. Wydzielane są przez szczep Bacillus brevis. Ze względu na dużą toksyczność stosowane są jedynie miejscowo, w le­czeniu infekcji skóry i błon śluzowych. Ich mechanizm działania polega na dobudowywaniu się do błony komór­kowej i tworzeniu w niej kanałów, przez które przepływa­ją kationy w ilości 10⁷ na sekundę [9].

Biosurfaktanty ze względu na swoją zdolność obniżania na­pięcia powierzchniowego na granicy faz, mogą chronić róż­nego rodzaju powierzchnie przed przyleganiem do nich mi­kroorganizmów i dlatego są obiecującymi związkami, które mogą znaleźć zastosowanie w medycynie [1,13,15]. Adhezja mikroorganizmów do np. protez wewnętrznych jest często przyczyną rozwinięcia się w takich miejscach biofilmu, powodującego zakażenia i bardzo trudnego do usunięcia.

Zaobserwowano, że biosurfaktanty wydzielane przez pro­biotyczny szczep Streptococcus thermophilus hamują adhe­zję grzyba Candida albicans do silikonowych powierzch­ni [2], a biosurfaktant wytwarzany przez Lactobacillus acidophilus hamuje adhezję do silikonu nie tylko Candida albicans, ale również bakterii uropatogennych [22].

Ponadto stwierdzono hamowanie formowania biofilmu Salmonella enterica pod wpływem surfaktyny na ściankach płytki mikrotitracyjnej wykonanej z polichlorku winylu oraz na cewnikach urologicznych. Podobne wyniki uzyskano z użyciem innych surfaktantów pochodzenia chemicznego i biologicznego. Surfaktyna (podobnie jak syntetyczny surfaktant Tween 80) ma działanie rozpraszające wstępnie uformowany biofilm bez wpływu na wzrost komórek, dzięki czemu zabezpiecza przed formowaniem się biofilmu na cewnikach urologicznych przez organizmy, takie jak S. enterica, Escherichia coli, Pseudomonas mirabilis [11].

Podsumowanie

Mimo że na świecie znanych i stosowanych jest wiele związków, wykazujących aktywności przeciwdrobnoustrojowe i/lub przeciwnowotworowe, wciąż poszukiwane są nowe substancje wytwarzane m.in. przez drobnoustroje. Biosurfaktanty mogą być dobrymi, potencjalnymi związkami, nie tylko dezynfekującymi, ale również – po odpowiednich testach klinicznych – lekami wspomagającymi leczenie nowotworów.

PIŚMIENNICTWO

[1] Banat I.M., Makkar R.S., Cameotra S.S.: Potential commercial applications of microbial surfactants. Appl. Microbiol. Biotechnol., 2000; 53: 495-508
[PubMed]  

[2] Busscher H.J., van Hoogmoed C.G., Geertsema-Doornbusch G.I., van der Kuijl-Booij M., van der Mei H.C.: Streptococcus thermophilus and its biosurfactants inhibit adhesion by Candida spp. on silicone rubber. Appl. Environ. Microbiol., 1997; 63: 3810-3817
[PubMed]  [Full Text PDF]  

[3] Cao X.H., Wang A.H., Wang C.L., Mao D.Z., Lu M.F., Cui Y.Q., Jiao R.Z.: Surfactin induces apoptosis in human breast cancer MCF-7 cells through a ROS/JNK-mediated mitochondrial/caspase pathway. Chem. Biol. Interact., 2010; 183: 357-362
[PubMed]  

[4] Chen J., Song X., Zhang H., Qu Y.B., Miao J.Y.: Sophorolipid produced from the new yeast strain Wickerhamiella domercqiae induces apoptosis in H7402 human liver cancer cells. Appl. Microbiol. Biotechnol., 2006; 72: 52-59
[PubMed]  

[5] Fu S.L., Wallner S.R., Bowne W.B., Hagler M.D., Zenilman M.E., Gross R., Bluth M.H.: Sophorolipids and their derivatives are lethal against human pancreatic cancer cells. J. Surg. Res., 2008; 148: 77-82
[PubMed]  

[6] Giamarellou H., Poulakou G.: Multidrug-resistant Gram-negative infections: what are the treatment options? Drugs, 2009; 69: 1879-1901
[PubMed]  

[7] Isoda H., Shinmoto H., Matsumura M., Nakahara T.: Succinoyl trehalose lipid induced differentiation of human monocytoid leukemic cell line U937 into monocyte-macrophages. Cytotechnology, 1995-1996; 19: 79-88
[PubMed]  

[8] Itokawa H., Miyashita T., Morita H., Takeya K., Hirano T., Homma M., Oka K.: Structural and conformational studies of [Ile7] and [Leu7] surfactins from Bacillus subtilis natto. Chem. Pharm. Bull., 1994; 42: 604-607
[PubMed]  

[9] Khandelia H, Ipsen J.H., Mouritsen O.G.: The impact of peptides on lipid membranes. Biochim. Biophys. Acta, 2008; 1778: 1528-1536
[PubMed]  

[10] Matsubara K., Matsumoto H., Mizushina Y., Mori M., Nakajima N., Fuchigami M., Yoshida H., Hada T.: Inhibitory effect of glycolipids from spinach on in vitro and ex vivo angiogenesis. Oncol. Rep., 2005; 14: 157-160
[PubMed]  

[11] Mireles R.J. 2^nd, Toguchi A., Harshey R.M.: Salmonella enterica serovar typhimurium swarming mutants with altered biofilm-forming abilities: surfactin inhibits biofilm formation. J. Bacteriol., 2001; 183: 5848-5854
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[12] Naruse N., Tenmyo O., Kobaru S., Kamei H., Miyaki T., Konishi M., Oki T.: Pumilacidin, a complex of new antiviral antibiotics. Production, isolation, chemical properties, structure and biological activity. J. Antibiot., 1990; 43: 267-280
[PubMed]  

[13] Neu T.R.: Significance of bacterial surface-active compounds in interaction of bacteria with interfaces. Microbiol. Rev., 1996; 60: 151-166
[PubMed]  [Full Text PDF]  

[14] Remichkova M., Galabova D., Roeva I., Karpenko E., Shulga A., Galabov A.S.: Anti-herpesvirus activities of Pseudomonas sp. S-17 rhamnolipid and its complex with alginate. Z. Naturforsch. C, 2008; 63: 75-81
[PubMed]  

[15] Rodrigues L., Banat I.M., Teixeira J., Oliveira R.: Biosurfactants: potential applications in medicine. J. Antimicrob. Chemother., 2006; 57: 609-618
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[16] Ron E.Z., Rosenberg E.: Natural roles of biosurfactants. Environ. Microbiol., 2001; 3: 229-236
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[17] Rosenberg E., Ron E.Z.: High- and low-molecular-mass microbial surfactants. Appl. Microbiol. Biotechnol., 1999; 52: 154-162
[PubMed]  

[18] Shah V., Doncel G.F., Seyoum T., Eaton K.M., Zalenskaya I., Hagver R., Azim A., Gross R.: Sophorolipids, microbial glycolipids with anti-human immunodeficiency virus and sperm-immobilizing activities. Antimicrob. Agents Chemother., 2005; 49: 4093-4100
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[19] Sudo T., Zhao X., Wakamatsu Y., Shibahara M., Nomura N., Nakahara T., Suzuki A., Kobayashi Y., Jin C., Murata T., Yokoyama K.K.: Induction of the differentiation of human HL-60 promyelocytic leukemia cell line by succinoyl trehalose lipids. Cytotechnology, 2000; 33: 259-264
[PubMed]  

[20] Van Bogaert I.N., Saerens K., De Muynck D., Develter D., Soetaert W., Vandamme E.J.: Microbial production and application of sophorolipids. Appl. Microbiol. Biotechnol., 2007; 76: 23-34
[PubMed]  

[21] Van Brocklyn J.R.: Sphingolipid signaling pathways as potential therapeutic targets in gliomas. Mini Rev. Med. Chem., 2007; 7: 984-990
[PubMed]  

[22] Velraeds M.M., van der Mei H.C., Reid G., Busscher H.J.: Inhibition of initial adhesion of uropathogenic Enterococcus faecalis by biosurfactants from Lactobacillus isolates. Appl. Environ. Microbiol., 1996; 62: 1958-1963
[PubMed]  [Full Text PDF]  

[23] Vollenbroich D., Ozel M., Vater J., Kamp R.M., Pauli G.: Mechanism of inactivation of enveloped viruses by the biosurfactant surfactin from Bacillus subtilis. Biologicals, 1997; 25: 289-297
[PubMed]  

[24] Wakamatsu Y., Zhao X., Jin C., Day N., Shibahara M., Nomura N., Nakahara T., Murata T., Yokoyama K.K.: Mannosylerythritol lipid induces characteristics of neuronal differentiation in PC12 cells through an ERK-related signal cascade. Eur. J. Biochem., 2001; 268: 374-383
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[25] Wang C.L., Ng T.B., Cao X.H., Jiang Y., Liu Z.K., Wen T.Y., Liu F.: CLP induces apoptosis in human leukemia K562 cells through Ca²⁺ regulating extracellular-related protein kinase ERK activation. Cancer Lett., 2009; 276: 221-227
[PubMed]  

[26] Wang C.L., Ng T.B., Yuan F., Liu Z.K., Liu F.: Induction of apoptosis in human leukemia K562 cells by cyclic lipopeptide from Bacillus subtilis natto T-2. Peptides, 2007; 28: 1344-1350
[PubMed]  

[27] Wu P., Qi B., Zhu H., Zheng Y., Li F., Chen J.: Suppression of staurosporine-mediated apoptosis in Hs578T breast cells through inhibition of neutral-sphingomyelinase by caveolin-1. Cancer Lett., 2007; 256: 64-67
[PubMed]  

[28] Zhu X.F., Zhang X.S., Li Z.M., Yao Y.Q., Xie B.F., Liu Z.C., Zeng Y.X.: Apoptosis induced by ceramide in hepatocellular carcinoma Bel7402 cells. Acta Pharmacol. Sin., 2000; 21: 225-228
[PubMed]  [Full Text PDF]  

Autorka deklaruje brak potencjalnych konfliktów interesów

Full text