Nanopartikel sebagai Pompa Efflux dan Inhibitor Biofilm untuk Meremajakan Efek Bakterisida Antibiotik Konvensional
Abstrak
Masalah universal resistensi bakteri terhadap antibiotik mencerminkan ancaman serius bagi dokter untuk mengendalikan infeksi. Evolusi pada bakteri menghasilkan pengembangan berbagai mekanisme resistensi yang kompleks untuk menetralkan efek bakterisida antibiotik, seperti perbaikan obat, modifikasi target, pengurangan permeabilitas membran, dan ekstrusi obat melalui pompa penghabisan. Pompa penghabisan memperoleh berbagai spesifisitas substrat dan juga kemanjuran yang luar biasa untuk ekstrusi molekul obat di luar sel bakteri. Hambatan dalam fungsi pompa penghabisan dapat meremajakan efek bakterisida dari antibiotik konvensional. Pompa penghabisan juga memainkan peran penting dalam pengecualian atau penyertaan biomolekul penginderaan kuorum yang bertanggung jawab untuk pembentukan biofilm dalam sel bakteri. Pergerakan transit biomolekul penginderaan kuorum di dalam atau di luar sel bakteri dapat terganggu dengan menghambat fungsi pompa penghabisan. Nanopartikel logam merupakan kandidat potensial untuk memblokir pompa penghabisan sel bakteri. Penerapan nanopartikel sebagai penghambat pompa penghabisan tidak hanya akan membantu menghidupkan kembali efek bakterisida dari antibiotik konvensional tetapi juga akan membantu mengurangi kapasitas mikroba dalam membentuk biofilm. Ulasan ini berfokus pada aplikasi baru dan menarik dari nanopartikel logam yang bersinergi dengan antibiotik konvensional untuk penghambatan pompa penghabisan.
Ulasan
Infeksi kronis yang diidentifikasi dengan biofilm sulit untuk diberantas karena mampu melawan antibiotik maupun sistem kekebalan inang [1]. Penghalang biofilm adalah salah satu alasan utama untuk konversi infeksi akut ke kronis [2]. Seperti yang ditunjukkan oleh laporan lembaga kesehatan dan pusat pengendalian penyakit nasional, sekitar 65–80% penyakit disebabkan oleh bakteri penginduksi biofilm, terutama melalui bakteri Gram-negatif Pseudomonas aeruginosa dan Escherichia coli dan bakteri Gram-positif Staphylococcus aureus [3]. Antibiotik tampaknya tidak efektif dalam mengobati infeksi yang memiliki biofilm, karena kapasitasnya yang terbatas untuk melintasi benteng biofilm dan untuk memusnahkan sel bakteri yang ditargetkan [4]. Selain itu, bakteri telah mengembangkan sistem penghabisan yang unik untuk mengalirkan zat beracun dan produk limbah di luar sel bakteri [5]. Pompa penghabisan adalah protein transporter terikat membran yang memiliki spektrum spesifisitas substrat yang luas dan kapasitas eksklusi obat yang sangat besar [6].
Semua penyakit yang terkait dengan masalah biofilm dan pompa penghabisan ini menyebabkan munculnya bakteri resisten multidrug (MDR) atau bakteri resisten obat ekstensif (EDR); karena ini, nanopartikel dalam hubungannya dengan antibiotik konvensional telah diusulkan sebagai pendekatan alternatif untuk membasmi atau merusak biofilm serta untuk mengobati infeksi MDR atau EDR.
Antimikroba baru ini, nanopartikel logam, tidak hanya meningkatkan aktivitas antimikroba dari antibiotik yang ada tetapi juga menghidupkan kembali aktivitas bakterisidanya. Aplikasi sinergis antibiotik dan nanopartikel logam menunjukkan lebih banyak efek antimikroba potensial daripada aplikasi individu mereka [7, 8]. Pemanfaatan nanopartikel dengan antibiotik sebagai anti-biofilm atau eflux pump inhibitor telah diteliti dan dieksplorasi dengan baik [1, 9,10,11]. Nanopartikel logam telah banyak digunakan untuk mengobati infeksi pada garis sel manusia karena sitotoksisitasnya yang rendah (tergantung konsentrasi), luas permukaan yang tinggi, dan aktivitas antibakteri spektrum luas [12,13,14]. Selain itu, aplikasi gabungan nanopartikel logam dengan antibiotik mengurangi konsentrasinya sebagai dosis obat dan karenanya mengurangi toksisitas kedua agen terhadap lini sel manusia [15]. Tinjauan ini menekankan aplikasi sinergis nanopartikel dengan antibiotik sebagai anti-biofilm dan penghambat pompa penghabisan di mana penelitian ekstensif telah dilakukan untuk memerangi infeksi yang disebabkan oleh patogen MDR atau EDR.
Nanopartikel sebagai Penghambat Pompa Efflux
Berbagai penelitian telah dilakukan untuk menentukan cara kerja nanopartikel sebagai agen bakterisida. Namun, beberapa poin tentang mekanisme aksi penghambatan nanopartikel pada mikroorganisme masih harus diselesaikan. Salah satu mekanisme yang mungkin untuk aktivitas bakterisida nanopartikel dikaitkan dengan penghambatan pompa penghabisan. Banoe dkk. pada tahun 2010 mengemukakan peran penghambatan pompa penghabisan baru dari nanopartikel seng oksida pada pompa penghabisan NorA dari S. aureus . Mereka telah menemukan peningkatan 27 dan 22% di zona penghambatan untuk ciprofloxacin dengan adanya nanopartikel seng oksida di S. aureus dan E. koli , masing-masing [16]. Setelah itu, Padwal et al. pada tahun 2014 mengajukan konsep sinergis penggunaan nanopartikel besi oksida (magnetit) berlapis asam poliakrilat (PAA-MNP) dengan rifampisin terhadap Mycobacterium smegmatis dengan penekanan pada peran penghambatan penghabisan PAA-MNP. Mereka telah menggunakan perpaduan PAA-MNP dan rifampisin di M. smegmatis yang menghasilkan penghambatan pertumbuhan empat kali lipat lebih tinggi dibandingkan dengan rifampisin saja. Ini dapat dijelaskan melalui tiga kali lipat peningkatan akumulasi antibiotik di dalam sel bakteri sebagaimana dibuktikan dengan studi transportasi real-time pada substrat pompa penghabisan umum, etidium bromida [17].
Ada dua kemungkinan mekanisme yang tersedia di mana nanopartikel logam dapat menghambat kerja pompa penghabisan. Salah satu mekanisme yang mungkin adalah pengikatan langsung nanopartikel logam ke situs aktif pompa penghabisan, menghalangi ekstrusi antibiotik di luar sel. Nanopartikel logam di sini dapat bertindak sebagai inhibitor kompetitif antibiotik untuk situs pengikatan pompa penghabisan [18]. Mekanisme lain yang mungkin adalah melalui gangguan kinetika penghabisan. Pengaruh nanopartikel perak untuk gangguan kinetika penghabisan pompa penghabisan MDR, MexAM-OPrM, telah diperiksa di P. aeruginosa [19]. Mungkin disarankan bahwa nanopartikel logam dapat menyebabkan penghentian gradien proton diikuti oleh gangguan potensial membran atau hilangnya kekuatan motif proton (PMF), yang mengakibatkan penurunan kekuatan pendorong yang penting untuk aktivitas pompa penghabisan [18, 20, 21]. Namun, kendala utama dalam pengikatan langsung nanopartikel dengan pompa penghabisan adalah ukuran dan reaktivitasnya yang kecil. Selain itu, nanopartikel juga dapat berikatan dengan protein membran lain daripada berinteraksi hanya dengan pompa penghabisan, dan karena itu, kemungkinan nanopartikel berasosiasi terutama dengan pengangkut penghabisan setiap kali selama paparan dibatasi.
Christena dkk. telah menunjukkan sebelumnya dalam studi mereka mengenai peran penghambatan penghabisan nanopartikel tembaga pada pompa penghabisan NorA, sebagian karena generasi ion Cu(II) dari nanopartikel tembaga. Efek parsial langsung dari nanopartikel tembaga ini dapat menyiratkan interaksi langsung nanopartikel dengan pompa efluks, mendukung hipotesis pertama, sementara efek parsial karena pelepasan ion Cu(II) mungkin mengindikasikan gangguan potensial membran dan mengganggu kerja pompa efluks, mendukung hipotesis kedua [9]. Chatterjee dkk. juga mengungkapkan hilangnya potensial membran E. koli sel dari 185 hingga 105 dan 75 mV setelah menumbuhkan sel bakteri di hadapan 3,0 dan 7,5 μg/ml konsentrasi nanopartikel tembaga, masing-masing, selama 1 jam [22]. Mekanisme eksplisit untuk peran penghambatan penghabisan nanopartikel masih tetap membingungkan dan membutuhkan penelitian lebih lanjut.
Nanopartikel sebagai Agen Anti-Biofilm
Biofilm memberikan resistensi terhadap bakteri, tetapi hambatan ini semakin meningkat jika biofilm diproduksi oleh bakteri yang resistan terhadap obat [23]. Sejumlah penelitian telah menunjukkan kemampuan yang luar biasa dari nanopartikel logam untuk menghancurkan penghalang biofilm tebal melalui berbagai mode aksi [24,25,26,27]. Kekuatan penetrasi nanopartikel logam selalu tetap menjadi fitur yang berguna untuk menggunakannya melawan infeksi biofilm [28,29,30]. Penggabungan unik dari dua modalitas yang berbeda, nanopartikel dan antibiotik, membuka cara baru untuk memerangi bakteri MDR atau EDR yang memproduksi biofilm.
Salah satu studi fasih dilakukan oleh Gurunathan et al. untuk menjelaskan efek bakterisida dan anti-biofilm yang ditingkatkan dari antibiotik yang berbeda dengan nanopartikel perak. Penggunaan simbiotik ampisilin dan nanopartikel perak sangat meningkatkan penghambatan biofilm pada bakteri Gram-negatif dan Gram-positif masing-masing sebesar 70 dan 55%, berbeda dengan penghambatan biofilm sekitar 20% setelah diobati dengan nanopartikel perak saja. Demikian pula, penerapan gabungan nanopartikel perak dan vankomisin menghasilkan inhibisi biofilm 55 dan 75% pada bakteri Gram-negatif dan Gram-positif, masing-masing [10]. Hasil ini menyarankan penggunaan alternatif nanopartikel dengan antibiotik untuk menginduksi penghambatan biofilm membuka kemungkinan klinis terapi baru.
Efek serupa juga diamati untuk nanopartikel tembaga dan nanopartikel seng oksida yang digunakan secara sinergis dengan antibiotik. Menurut penelitian ini, penyatuan nanopartikel tembaga dan antibiotik menunjukkan aktivitas anti-biofilm yang lebih efektif dibandingkan dengan nanopartikel seng oksida dan kombinasi antibiotik baik pada bakteri Gram-positif maupun Gram-negatif. Peningkatan penghambatan dengan nanopartikel tembaga ini mungkin karena ekstrusi ion Cu(II) yang dihasilkan dari nanopartikel. Nanopartikel tembaga dan nanopartikel seng oksida yang digabungkan dengan antibiotik spesifik telah menunjukkan peningkatan efek anti-biofilm dengan adanya glukosa 2%, menunjukkan peningkatan interaksi ikatan antara nanopartikel logam dan antibiotik dengan adanya glukosa [9]. Pelapisan nanopartikel logam dengan karbohidrat dapat mengubah interaksi nanopartikel-sel, serapan seluler, dan sitotoksisitas [31].
Aliansi Antara Sistem Efflux dan Quorum Sensing
Pompa penghabisan memainkan peran penting dalam pensinyalan sel ke sel biomolekul untuk membantu pembentukan biofilm. Salah satu mekanisme yang mungkin untuk memerangi resistensi obat adalah dengan menggunakan penghambat pompa penghabisan untuk memblokir mekanisme penginderaan kuorum, yang pada akhirnya menghambat pembentukan biofilm. Beberapa penelitian telah dilakukan untuk menunjukkan peran pompa penghabisan dalam penginderaan kuorum [23, 32,33,34,35,36,37,38,39]. Hubungan mekanistik eksplisit antara pompa penghabisan dan pembentukan biofilm masih belum sepenuhnya dipahami. Satu pembenaran yang layak dapat menjadi peran pompa penghabisan untuk mengusir komponen penting yang diperlukan dalam penginderaan kuorum. Aspek fungsional ini telah diusulkan dalam studi sebelumnya [40,41,42,43,44,45,46]. Penurunan dalam ekstrusi molekul pensinyalan melalui penerapan penghambat pompa penghabisan dapat memengaruhi proses penginderaan kuorum atau pensinyalan sel ke sel [47, 48] (Gbr. 1).
Penggunaan nanopartikel logam sebagai penghambat pompa penghabisan untuk menghalangi ekstrusi molekul sinyal penginderaan kuorum (lingkaran berisi merah ) di luar sel bakteri dengan bantuan nanopartikel logam (lingkaran berwarna kuning ) untuk memblokir pompa penghabisan (silinder berisi ) mengakibatkan berkurangnya pengikatan molekul pensinyalan ke reseptornya (silinder kosong ) dan hambatan dalam pembentukan biofilm
Pembenaran lain yang layak adalah peran pompa penghabisan untuk mengekspor produk sampingan beracun dan limbah ke luar sel. Metabolisme sel yang cepat dalam biofilm mungkin bergantung pada sistem konduktif untuk mengeluarkan produk sampingan yang berbahaya dan limbah yang dihasilkan dari berbagai aktivitas biokimia yang terjadi di dalam sel bakteri [49]. Aspek fungsional ini juga telah diusulkan dalam penelitian yang dilakukan oleh Kvist et al. pada tahun 2008 [50]. Penggunaan penghambat pompa penghabisan untuk memblokir sistem konduktif ini dapat mengakibatkan peningkatan produk sampingan toksik yang lebih tinggi di dalam sel bakteri, yang pada akhirnya mengurangi pembentukan biofilm (Gbr. 2).
Penggunaan nanopartikel logam sebagai penghambat pompa penghabisan untuk menghambat ekstrusi produk sampingan beracun dari reaksi biokimia (lingkaran merah ) di luar sel bakteri dengan bantuan nanopartikel logam (lingkaran berwarna kuning ) untuk memblokir pompa penghabisan (silinder berisi ) mengakibatkan hambatan dalam pembentukan biofilm
Beberapa penelitian juga menyarankan kerugian pompa penghabisan untuk mempengaruhi agregasi seluler dengan mengubah sifat membran sel dan akhirnya mempengaruhi pembentukan biofilm [47]. Sejumlah penelitian telah dilakukan untuk menyimpulkan efek nanopartikel dalam kombinasi dengan antibiotik sebagai agen antibakteri dan anti-biofilm yang ditingkatkan. Tabel 1 berisi ringkasan studi ini.
Salah satu penelitian terbaru telah dilakukan oleh Barapatre et al., menyimpulkan peningkatan aktivitas antibakteri dan anti-biofilm sinergis nanopartikel perak dalam kombinasi dengan amikasin, kanamisin, oksitetrasiklin, dan antibiotik streptomisin terhadap bakteri Gram-positif dan Gram-negatif. Memusatkan pada kimia hijau, nanopartikel perak disintesis melalui reduksi enzimatik perak nitrat dengan melibatkan dua jamur pendegradasi lignin, yaitu, Aspergillus flavus dan Emericella nidulans . Disarankan untuk menggunakan nanopartikel sebagai probe dengan antibiotik konvensional untuk meningkatkan aktivitas antibakteri dan anti-biofilm terhadap mikroba patogen [51]. Gangguan fungsi yang bergantung pada ATP seperti penghambatan pompa penghabisan telah dilaporkan sebagai salah satu mekanisme potensial dari efek sinergis antibiotik dan nanopartikel logam [52].
Sejumlah laporan telah berhasil menunjukkan alat nanopartikel melawan dua mekanisme resistensi bakteri yang berbeda, yaitu pompa penghabisan MDR dan pembentukan biofilm, di mana bakteri menghindari aksi antibiotik konvensional. Ulasan ini mewakili pendekatan baru dan menjanjikan untuk menggunakan nanopartikel logam yang bersinergi dengan antibiotik sebagai penghambat pompa penghabisan dan agen anti-biofilm untuk memerangi resistensi antibiotik.
Kesimpulan
Dalam skenario saat ini, ada dorongan untuk pendekatan inovatif untuk mengendalikan infeksi MDR. Pompa penghabisan memainkan peran ganda, satu untuk mengeluarkan antibiotik dan yang lainnya adalah untuk membantu dalam pembentukan biofilm melalui pengeluaran biomolekul penting untuk penginderaan kuorum, yang pada akhirnya berkontribusi pada virulensi bakteri patogen. Penyumbatan pompa penghabisan MDR melalui nanopartikel akan membantu di kedua arah; itu memblokir penghabisan antibiotik di luar sel bakteri dan karenanya meningkatkan efek antibiotik konvensional, dan juga, itu memblokir penghabisan biomolekul penginderaan kuorum dan karenanya mengurangi kapasitas pembentukan biofilm sel bakteri. Pendekatan ini mengurangi kebutuhan untuk melakukan penelitian baru untuk menyelidiki penghambat pompa penghabisan baru atau antibiotik baru tetapi mendorong penggunaan nanopartikel logam (berfungsi sebagai penghambat pompa penghabisan) secara sinergis dengan antibiotik konvensional. Ini juga akan membantu dalam mengurangi biaya, waktu, dan masalah sitotoksisitas nanopartikel dalam garis sel manusia yang dapat bertahan pada konsentrasi nanopartikel logam yang lebih rendah. Ini akan menjadi pendekatan baru untuk menargetkan pompa penghabisan, mengurangi sinyal penginderaan kuorum untuk menekan pembentukan biofilm.
Prospek Masa Depan
Evolusi bakteri telah menghasilkan adopsi berbagai mekanisme untuk mengembalikan efek bakterisida antibiotik dan sistem kekebalan inang. Ini mengarah pada generasi infeksi yang resistan terhadap banyak obat yang mencerminkan kebutuhan mendesak untuk menemukan pendekatan baru untuk melawan infeksi MDR atau XDR. Dengan munculnya resistensi antibiotik, penggunaan simbiosis nanopartikel logam dengan antibiotik konvensional menawarkan alternatif yang lebih baik untuk melawan resistensi antibiotik. Penerapan nanopartikel sebagai penghambat pompa penghabisan dapat menjadi sangat penting dalam dua arah yang beragam tetapi berakhir pada satu hasil tunggal, yaitu untuk melawan infeksi bakteri. Mekanisme yang tepat dari aksi nanopartikel untuk memblokir pompa penghabisan masih perlu diselidiki. Kemungkinan gangguan PMF bisa menjadi mekanisme tidak langsung yang memungkinkan nanopartikel dapat menghambat penghabisan. Salah satu tantangan utama dengan pendekatan ini terkait dengan reaktivitas nanopartikel yang dapat membuat mereka berasosiasi dengan protein membran lain daripada protein pengangkut penghabisan. Hal ini dapat diatasi dengan menyiapkan nanopartikel yang ditargetkan dengan menghubungkannya dengan antibodi monoklonal anti-penghabisan atau lektin. Penghambatan yang tepat ini akan mengkalibrasi mereka untuk fokus pada lokasi tertentu. Tantangan lain yang cukup besar mungkin adalah masalah toksisitas, menggunakan pendekatan ini karena rasio permukaan terhadap volume yang besar dari nanopartikel berukuran kecil yang harus dioptimalkan sebelum validasi akhir.
