Morphostructural damage to bacterial cells exposed to chlorine-containing derivatives of 5-,6-,7-aminoindoles assessed by scanning electron microscope

封面

如何引用文章

全文:

详细

The cell wall and membranes of Gram-positive and Gram-negative bacteria provide a physical, osmotic, and metabolic barrier between the internal contents of the bacterial cell and the external environment. Observation of changes in the integrity of the bacterial structure using a scanning electron microscope (SEM) can help elucidate the detailed mechanisms of cell death. The aim of the study was to analyze the morphological changes in microbial cells exposed to new compounds with antimicrobial activity — chlorine-containing derivatives of 5-,6-,7-aminoindoles using SEM. Methods. The present study was carried out using strains of Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, and Escherichia coli obtained from patients with nonspecific diseases of the respiratory, urinary tract, and intestines with different sensitivities to traditionally used antimicrobial drugs. Results. As a result, the studied chloromethyl-containing compounds of the indole series showed own biological activity, namely antimicrobial. Control cells were morphologically correct and typical. Statistical analysis of cell surface morphometry in control and experimental samples did not reveal significant changes in size after exposure to compounds with laboratory codes T1, T4, T7 and T12. At the same time, compared with control untreated cells of P. aeruginosa, S. aureus and E. coli, treatment with chlorine-substituted derivatives of 5-,6-,7-aminoindoles caused obvious morphological changes, which indicates a deteriorated state of the cell wall. Filamentous cells were observed in P. aeruginosa exposure to T7 and T12. The appearance of long filaments may be associated with the stress experienced by the cell after exposure to the compounds under study. It is believed that the formation of such filaments in bacteria under stress conditions results from defects in cell division, especially in the separation of daughter cells. There are data according to which, when DNA synthesis is suppressed, a bacterium changes its morphology, becomes longer, without reaching cell division. Treatment with T1, T7 and T12 resulted in degradation of the P. aeruginosa cell wall, while treatment with T4 caused the formation of pores on the cell surface. In this study, microscopy showed marked morphological changes in the cell walls of S. aureus, which led to deformation of the cell wall under the influence of T1, T4, T7 and T12. Treatment of E. coli T1, T4, T7 and T12 cells at a concentration of 500 μg/ml caused cell lysis, although normal cells were also found. The appearance of cellular debris around whole E. coli cells indicates membrane damage, which probably leads to a change in osmotic pressure. Conclusion. The results using SEM confirmed the data on the antimicrobial activity of chlorine-substituted derivatives of 5-,6-,7-aminoindoles.

作者简介

Alena Maseykina

National Research Mordovia State University

编辑信件的主要联系方式.
Email: minibat@mail.ru

PhD Student, Department of Immunology, Microbiology and Virology, Medical Institute

俄罗斯联邦, Saransk

Irina Stepanenko

Volgograd State Medical University

Email: minibat@mail.ru

DSc (Medicine), Associate Professor, Head of the Department of Immunology, Microbiology and Virology

俄罗斯联邦, Volgograd

Tatyana Platkova

National Research Mordovia State University

Email: minibat@mail.ru

PhD Student, Department of Immunology, Microbiology and Virology, Medical Institute

俄罗斯联邦, Saransk

Anastasiya Kiryutina

National Research Mordovia State University

Email: minibat@mail.ru

PhD Student, Department of Immunology, Microbiology and Virology, Medical Institute

俄罗斯联邦, Saransk

Vlada Malysheva

National Research Mordovia State University

Email: minibat@mail.ru

Student of the Medical Institute

俄罗斯联邦, Saransk

参考

  1. Агарев А.Е. Распространенность ESKAPE-патогенов в отделении реанимации и интенсивной терапии новорожденных // Социально-гигиенический мониторинг здоровья населения: материалы к 24-й Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. Вып. 24. Под ред. В.А. Кирюшина. Рязань, 2020. С. 148–152. [Agarev A.E. Prevalence of ESKAPE-pathogens in neonatal intensive care units // Social and Hygienic Monitoring of Population Health: Proceedings for the 24th All-Russian Scientific and Practical Conference with International Participation. Iss. 24. Ed. by V.A. Kiryushin. Ryazan, 2020, pp. 148–152. (In Russ.)]
  2. Андреевская С.Г., Шевлягина Н.В., Псеунова Д.Р. Изменения морфологии S. aureus в условиях их культивирования в присутствии антибактериальных препаратов // Медицина. 2020. Т. 8, № 2. С. 31–49. [Andreevskaya S.G., Shevlyagina N.V., Pseunova J.R. Morphological сhanges of S. aureus cultivated in the presence of antibacterial drugs. Meditsina = Medicine, 2020, vol. 8, no. 2, pp. 31–49. (In Russ.)] doi: 10.29234/2308-9113-2020-8-2-31-49
  3. Методики клинических лабораторных исследований: справочное пособие. Том 3. Клиническая микробиология: бактериологические исследования; микологические исследования; паразитологические исследования; инфекционная иммунодиагностика; молекулярная диагностика инфекционных заболеваний / Под ред. В.В. Меньшикова. М.: Лабора, 2009. 880 с. [Methods of clinical laboratory tests: a reference manual. Vol. 3. Clinical microbiology: bacteriological studies; mycological studies; parasitological studies; infectious immunodiagnostics; molecular diagnosis of infectious diseases. Ed. by V.V. Menshikov. Moscow: Labora, 2009. 880 p. (In Russ.)]
  4. Мороз А.Ф., Анциферова Н.Г., Баскакова Н.В. Синегнойная инфекция. М.: Медицина, 1988. 256 с. [Moroz A.F., Antsiferova N.G., Baskakova N.V. Pseudomonas infection. Moscow: Meditsina, 1988. 256 p. (In Russ.)]
  5. Об унификации микробиологических (бактериологических) методов исследования, применяемых в клинико-диагностических лабораториях лечебно-профилактических учреждений: приказ МЗ СССР № 535 от 22.04.1985 г. М., 1985. 93 с. [Unification of microbiological (bacteriological) methods of investigation used in clinical diagnostic laboratories of medical and preventive institutions: Order of the Ministry of Health of the USSR No. 535. April 22, 1985. Moscow, 1985. 93 p. (In Russ.)]
  6. Патент № 2724605 Российская Федерация. МПК C07D 209/40 (2006.01), СПК C07D 209/40 (2020.02). Способ получения монохлорацетатов замещенных 5-,6-,7-аминоиндолов, обладающих противомикробным действием; № 2019125333, заявлено 2019.08.09, опубликовано 2020.06.25 / Степаненко И.С., Ямашкин С.А., Батаршева А.А., Сластников Е.Д. Патентообладатель: МГУ им. Н.П. Огарева. 9 с. [Patent No 2724605 Russian Federation, Int.Cl. C07D 209/40 (2006.01), C07D 209/40 (2020.02). Method of producing monochloroacetates of substituted 5-, 6-, 7-aminoindoles, having antimicrobial action; № 2019125333, application 2019.08.09; date of publication 2020.06.25 / Stepanenko I.S., Yamashkin S.А., Batarsheva A.А., Slastnikov E.D. Proprietors National Research Mordovia State University. 9 p.]
  7. Руководство по проведению доклинических исследований лекарственных средств. Часть первая. М.: Гриф и К, 2012. 944 с. [Guidelines for conducting preclinical studies of medicines. Part one. Moscow: Grif i K, 2012. 944 p. (In Russ.)]
  8. Сазыкин Ю.О., Навашин П.С. Антибиотики и оболочка бактериальной клетки. Итоги науки и техники. Сер. Биотехнология. М.: ВИНИТИ, 1991. Т. 31. 182 с. [Sazykin Yu.O., Navashin P.S. Antibiotics and bacterial cell envelope. Science and Technology Outcomes. Biotechnology Series. Mocsow: VINITI, 1991, vol. 31, 182 p. (In Russ.)]
  9. Супотницкий М.В. Механизмы развития резистентности к антибиотикам у бактерий // БИОпрепараты. Профилактика, диагностика, лечение. 2011. Т. 42, № 2. С. 4–13. [Supotnitskiy M.V. Mechanisms of antibiotic resistance in bacteria. BIOpreparaty. Profilaktika, diagnostika, lechenie = Biological Products. Prevention, Diagnostics, Treatment, 2011, vol. 42, no. 2, pp. 4–13. (In Russ.)]
  10. Armas F., Pacor S., Ferrari E., Guida F., Pertinhez T.A., Romani A.A., Scocchi M., Benincasa M. Design, antimicrobial activity and mechanism of action of Arg-rich ultra-short cationic lipopeptides. PLoS One, 2019, vol. 14, no. 2: e0212447. doi: 10.1371/journal.pone.0212447
  11. Bajpai V.K., Shukla S., Paek W.K., Lim J., Kumar P., Kumar P., Na M. Efficacy of (+)-Lariciresinol to control bacterial growth of Staphylococcus aureus and Escherichia coli O157:H7. Front. Microbiol., 2017, vol. 8: 804. doi: 10.3389/fmicb.2017.00804
  12. Barreto-Santamaría A., Curtidor H., Arévalo-Pinzón G., Herrera C., Suárez D., Pérez W.H., Patarroyo M.E. A New Synthetic Peptide Having Two Target of Antibacterial Action in E. coli ML35. Front. Microbiol., 2016, vol. 7: 2006. doi: 10.3389/fmicb.2016.02006
  13. Ciofu O., Hansen C.R., Høiby N. Respiratory bacterial infections in cystic fibrosis. Curr. Opin. Pulm. Med., 2013, vol. 19, no. 3, pp. 251–8. doi: 10.1097/MCP.0b013e32835f1afc
  14. Classics in infectious diseases. «On abscesses». Alexander Ogston (1844–1929). Rev. Infect. Dis., 1984, vol. 6, no. 1, pp. 122–128. doi: 10.1093/clinids/6.1.122
  15. Cui H., Zhang X., Zhou H., Zhao C., Lin L. Antimicrobial activity and mechanisms of Salvia sclarea essential oil. Bot. Stud., 2015, vol. 56, no. 1: 16. doi: 10.1186/s40529-015-0096-4
  16. Defez C., Fabbro-Peray P., Bouziges N., Gouby A., Mahamat A., Daurès J.P., Sotto A. Risk factors for multidrug-resistant Pseudomonas aeruginosa nosocomial infection. J. Hosp. Infect., 2004, vol. 57, no. 3, pp. 209–216. doi: 10.1016/j.jhin.2004.03.022
  17. Diggle S.P., Whiteley M. Microbe Profile: Pseudomonas aeruginosa: opportunistic pathogen and lab rat. Microbiology (Reading), 2020, vol. 166, no. 1, pp. 30–33. doi: 10.1099/mic.0.000860
  18. Dosunmu E.F., Chaudhari A.A., Bawage S., Bakeer M.K., Owen D.R., Singh S.R., Dennis V.A., Pillai S.R. Novel cationic peptide TP359 down-regulates the expression of outer membrane biogenesis genes in Pseudomonas aeruginosa: a potential TP359 anti-microbial mechanism. BMC Microbiol., 2016, vol. 16, no. 1: 192. doi: 10.1186/s12866-016-0808-2
  19. Dosunmu E., Chaudhari A.A., Singh S.R., Dennis V.A., Pillai S.R. Silver-coated carbon nanotubes downregulate the expression of Pseudomonas aeruginosa virulence genes: a potential mechanism for their antimicrobial effect. Int. J. Nanomedicine, 2015, vol. 10, pp. 5025–5034. doi: 10.2147/IJN.S85219
  20. Eckert R., Brady K.M., Greenberg E.P., Qi F., Yarbrough D.K., He J., McHardy I., Anderson M.H., Shi W. Enhancement of antimicrobial activity against pseudomonas aeruginosa by coadministration of G10KHc and tobramycin. Antimicrob. Agents Chemother., 2006, vol. 50, no. 11, pp. 3833–3838. doi: 10.1128/AAC.00509-06
  21. Greenwood D., O’Grady F. Scanning electron microscopy of Staphyloccus aureus exposed to some common anti-staphylococcal agents. J. Gen. Microbiol., 1972, vol. 70, no. 2, pp. 263–270. doi: 10.1099/00221287-70-2-263
  22. Hartmann M., Berditsch M., Hawecker J., Ardakani M.F., Gerthsen D., Ulrich A.S. Damage of the bacterial cell envelope by antimicrobial peptides gramicidin S and PGLa as revealed by transmission and scanning electron microscopy. Antimicrob. Agents Chemother., 2010, vol. 54, no. 8, pp. 3132–3142. doi: 10.1128/AAC.00124-10
  23. Jones T.H., Vail K.M., McMullen L.M. Filament formation by foodborne bacteria under sublethal stress. Int. J. Food Microbiol., 2013, vol. 165, no. 2, pp. 97–110. doi: 10.1016/j.ijfoodmicro.2013.05.001
  24. Kolle W., Hetsch H. Die experimentelle Bakteriologie und die Infektionskrankheiten mit besonderer Berücksichtigung der Immunitätslehre. Ein Lehrbuch für Studierende Ärzte und Medizinalbeamte. Urban & Schwarzenberg, Berlin 1906.
  25. Kong C., Chee C.F., Richter K., Thomas N., Abd Rahman N., Nathan S. Suppression of Staphylococcus aureus biofilm formation and virulence by a benzimidazole derivative, UM-C162. Sci. Rep., 2018, vol. 8, no. 1: 2758. doi: 10.1038/s41598-018-21141-2
  26. Leimbach A., Hacker J., Dobrindt U. E. coli as an all-rounder: the thin line between commensalism and pathogenicity. Curr. Top. Microbiol. Immunol., 2013, vol. 358, pp. 3–32. doi: 10.1007/82_2012_303
  27. Mahgoub S.A., Osman A.O., Sitohy M.Z. Bioactive proteins against pathogenic and spoilage bacteria. Functional Foods in Health and Disease, 2014, vol. 4, no. 10, pp. 451–462. doi: 10.31989/ffhd.v4i10.155
  28. Marcellini L., Giammatteo M., Aimola P., Mangoni M.L. Fluorescence and electron microscopy methods for exploring antimicrobial peptides mode(s) of action. Methods Mol. Biol., 2010, vol. 618, pp. 249–266. doi: 10.1007/978-1-60761-594-1_16
  29. Migula W. System der Bakterien: Handbuch der Morphologie, Entwicklungsgeschichte und Systematik der Bakterien. Fischer, 1900. 410 p.
  30. Mwangi J., Yin Y., Wang G., Yang M., Li Y., Zhang Z., Lai R. The antimicrobial peptide ZY4 combats multidrug-resistant Pseudomonas aeruginosa and Acinetobacter baumannii infection. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2019, vol. 116, no. 52, pp. 26516–26522. doi: 10.1073/pnas.1909585117
  31. Schroeter J. Ueber einige durch Bacterien gebildete Pigmente. Beiträge zur Biologie der Pflanzen, 1872, vol. 1, no. 2, pp. 109–126.
  32. Sun H.Y., Fujitani S., Quintiliani R., Yu V.L. Pneumonia due to Pseudomonas aeruginosa: part II: antimicrobial resistance, pharmacodynamic concepts, and antibiotic therapy. Chest, 2011, vol. 139, no. 5, pp. 1172–1185. doi: 10.1378/chest.10-0167
  33. Rosenbach A.J.F. Mikro-organismen bei den Wund-infections-krankheiten des Menschen. Wiesbaden: JF Bergmann, 1884. 122 p.
  34. Rosenberger C.M., Gallo R.L., Finlay B.B. Interplay between antibacterial effectors: a macrophage antimicrobial peptide impairs intracellular Salmonella replication. Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2004, vol. 101, no. 8, pp. 2422–2427. doi: 10.1073/pnas.0304455101
  35. Shulman S.T., Friedmann H.C., Sims R.H. Theodor Escherich: the first pediatric infectious diseases physician? Clin. Infect. Dis., 2007, vol. 45, no. 8, pp. 1025–1029. doi: 10.1086/521946
  36. Silhavy T.J., Kahne D., Walker S. The bacterial cell envelope. Cold Spring Harb. Perspect Biol., 2010, vol. 2, no. 5: a000414. doi: 10.1101/cshperspect.a000414
  37. Subbalakshmi C., Sitaram N. Mechanism of antimicrobial action of indolicidin. FEMS Microbiol. Lett., 1998, vol. 160, no. 1, pp. 91–96. doi: 10.1111/j.1574-6968.1998.tb12896.x
  38. Wu Y., Liang J., Rensing K., Chou T.M., Libera M. Extracellular matrix reorganization during cryo preparation for scanning electron microscope imaging of Staphylococcus aureus biofilms. Microsc. Microanal., 2014, vol. 20, no. 5, pp. 1348–1355. doi: 10.1017/S143192761401277X
  39. Xu Z.G., Gao Y., He J.G., Xu W.F., Jiang M., Jin H.S. Effects of azithromycin on Pseudomonas aeruginosa isolates from catheter-associated urinary tract infection. Exp. Ther. Med., 2015, vol. 9, no. 2, pp. 569–572. doi: 10.3892/etm.2014.2120
  40. Yamaki S., Kawai Y., Yamazaki K. Long filamentous state of Listeria monocytogenes induced by sublethal sodium chloride stress poses risk of rapid increase in colony-forming units. Food Control, 2021, vol. 124: 107860. doi: 10.1016/j.foodcont.2020.107860

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
2. Figure 1. Morphostructural changes in P. aeruginosa exposed to 2-chloro-N-(2,3-dimethyl-1H-indol-7-yl)acetamide (T-1)Note. A, B, C — intact P. aeruginosa cells without treatment with the test compound; D, E, F — P. aeruginosa cells after exposure to the test compound.

下载 (430KB)
3. Figure 2. Morphostructural changes in S. aureus exposed to 2-chloro-N-(2,3-dimethyl-1H-indol-7-yl)acetamide (T-1)Note. A, B, C — intact S. aureus cells without treatment with the test compound; D, E, F — S. aureus cells after exposure to the test compound.

下载 (485KB)
4. Figure 3. Morphostructural changes in E. coli exposed to 2-chloro-N-(2,3-dimethyl-1H-indol-7-yl)acetamide (T-1)Note. A, B, C — intact E. coli cells without test compound treatment; D, E, F — E. coli cells after exposure to the test compound.

下载 (456KB)
5. Figure 4. Morphostructural changes in P. aeruginosa exposed to 2-chloro-N-(5-methoxy-2,3-dimethyl-1H-indol-6-yl)acetamide (T-4)Note. A, B, C — intact P. aeruginosa cells without treatment with the test compound; D, E, F — P. aeruginosa cells after exposure to the test compound.

下载 (396KB)
6. Figure 5. Morphostructural changes in S. aureus exposed to 2-chloro-N-(5-methoxy-2,3-dimethyl-1H-indol-6-yl)acetamide (T-4)Note. A, B, C — intact S. aureus cells without treatment with the test compound; D, E, F — S. aureus cells after exposure to the test compound.

下载 (474KB)
7. Figure 6. Morphostructural changes in E. coli exposed to 2-chloro-N-(5-methoxy-2,3-dimethyl-1H-indol-6-yl)acetamide (T-4)Note. A, B, C — intact E. coli cells without test compound treatment; D, E, F — E. coli cells after exposure to the test compound.

下载 (458KB)
8. Figure 7. Morphostructural changes in P. aeruginosa exposed to 2-chloro-N-(1,2,3-trimethyl-1H-indol-5-yl)acetamide (T-7)Note. A, B, C — intact P. aeruginosa cells without treatment with the test compound; D, E, F — P. aeruginosa cells after exposure to the test compound.

下载 (414KB)
9. Figure 8. Morphostructural changes in S. aureus exposed to 2-chloro-N-(1,2,3-trimethyl-1H-indol-5-yl)acetamide (T-7)Note. A, B, C — intact S. aureus cells without treatment with the test compound; D, E, F — S. aureus cells after exposure to the test compound.

下载 (469KB)
10. Figure 9. Morphostructural changes in E. coli exposed to 2-chloro-N-(1,2,3-trimethyl-1H-indol-5-yl)acetamide (T-7)Note. A, B, C — intact E. coli cells without test compound treatment; D, E, F — E. coli cells after exposure to the test compound.

下载 (474KB)
11. Figure 10. Morphostructural changes in P. aeruginosa exposed to monochloroacetate-2,3-dimethyl-1H-indole-7-ammonium (T-12)Note. A, B, C — intact P. aeruginosa cells without treatment with the test compound; D, E, F — P. aeruginosa cells after exposure to the test compound.

下载 (411KB)
12. Figure 11. Morphostructural changes in S. aureus exposed to monochloroacetate-2,3-dimethyl-1H-indole-7-ammonium (T-12)Note. A, B, C — intact S. aureus cells without treatment with the test compound; D, E, F — S. aureus cells after exposure to the test compound.

下载 (463KB)
13. Figure 12. Morphostructural changes in E. coli exposed to monochloroacetate-2,3-dimethyl-1H-indole-7-ammonium (T-12)Note. A, B, C — intact E. coli cells without test compound treatment; D, E, F — E. coli cells after exposure to the test compound.

下载 (458KB)
14. Fig.1

下载 (14KB)
15. Fig.2

下载 (17KB)
16. Fig.3

下载 (16KB)
17. Fig.4

下载 (16KB)

版权所有 © Maseykina A.A., Stepanenko I.S., Platkova T.N., Kiryutina A.I., Malysheva V.S., 2023

Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名 4.0国际许可协议的许可

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».