“Quorum sensing-estäjillä bakteerit kuriin

Otsikon nimi kuulostaa aluksi oudolta. Se voidaan suomentaa esimerkiksi joukko- tai laumatunnoksi (1). Se tarkoittaa mekanismia, jolla bakteeripopulaatio säätelee toimintaansa, kuten bakteerien tuottamia aineita. Pienet määrät bakteereita limakalvolla tai suolistossamme eivät vielä käynnistä haitallisten tekijöiden tuotantoa, mutta kun populaatio kasvaa ja bakteerien tuottamien välittäjäaineiden määrä ylittää tietyn rajan, syntyy kollektiivinen hyökkäyskäsky ja virulenssitekijöiden tuotanto alkaa. Quorum-sensing toimii pääasiassa gram-negatiivisilla bakteereilla. Ne käyttävät keskinäiseen kommunikointiin pieniä molekyylejä, jotka ovat kemialliselta rakenteeltaan N-asyyli-homoseriini-laktoneita (AHL). Näiden välittäjäaineiden salpaaminen tekee bakteereista lähes harmittomia ja helppoja kohteita kehon immuunipuolustukselle. AHL-salpaajien hallittu käyttö voi olla ratkaisu antibioottiresistenssille, jolloin infektioita voitaisiin hoitaa tehokkaasti. Kyseisiä signaalin salpaajia on jo nyt käytetty onnistuneesti in vitro erilaisten bakteerien patogeenisuuden hillitsemisessä, josta syystä ne ovat erittäin potentiaalisia antimikrobilääkkeitä tulevaisuudessa (2).

Yksi keskeinen tekijä quorum-sensing-ilmiössä on bakteerien muodostama biofilmi, jonka on arvioitu aiheuttavan 70% bakteeri-infektioista länsimaissa. Biofilmi-muodostusta alettiin tutkimaan vasta 1990-luvulla. Monille ihmisille on tuttu kokemus järvien tai purojen rannassa olevat liukkaat kivet. Liukkaus johtuu biofilmikerroksesta, joka muodostuu bakteereista, sienistä ja levistä. Biofilmi, joka sisältää polysakkaridirakenteita, suojaa tiheää bakteerikasvustoa, jolloin se on 10-1000 kertaa suojatumpi antimikrobisilta aineilta, kuin jos bakteerit kasvaisivat planktonikasvustona. Suurin osa kliinisistä bakteeriviljelyistä laboratorioissa tehdään optimaalisissa kasvuolosuhteissa maljaviljelmissä, jolloin ne eivät muodosta biofilmejä. Suurinta osaa (99%) mikrobilajeista ei edes voida viljellä maljalla (3).

Bakteerien biofilmi suojaa mikrobeja paitsi antibioottisilta aineita myös vasta-aineiden ja valkosolujen hyökkäyksiltä. Bakteerien biofilmit aiheuttavat arviolta kaksi kolmasosaa kaikista potilaiden saamista infektioista, kuten esimerkiksi kystistä fibroosia sairastavien Pseudomonas infektiot, tuberkuloosin, Legionella-infektiot, ientulehdukset ja keskikorvatulehdukset (4). Myös monien potentiaalisten patogeenibakteerien aiheuttama dysbioosi suolistossa voidaan selittää ”quorum sensing” mekanismilla ja/tai biofilmin muodostuksella.

Biofilmiä kehittävillä bakteereilla on ilmiömäinen kyky selvitä antimikrobilääkkeistä, myös sellaisista, joita ne eivät ole koskaan kohdanneet luonnossa. Tämä vastustuskyky perustuu niiden sisältämään multilääkeresistenssi-pumpun (Multidrug Resistance Pump, MDR) toimintaan, joka pumppaa pois bakteerin sisältä antimikrobiset lääkkeet (5). Eräät kasvit ovat kehittäneet evoluution myötä erikoisen kyvyn selvitä multiresistenteistä bakteereista. Ne kehittävät sekä antibioottisia molekyylejä että MDR-pumpun toimintaa estäviä aineita. Kumpikaan ei yksin riitä tuhoamaan haitallisia bakteereja, mutta yhdessä ”synergistisesti” ne ovat erittäin tehokkaita. Esimerkiksi happomarja-lajin kasvit muodostavat suhteellisen heikkoa antibioottisesti vaikuttavaa berberiiniä. Tämän lisäksi nämä kasvit valmistavat 5-MHC-molekyyliä, joka on MDR-pumpun toimintaa estävä aine (6). Pelkästään 5-MHC:llä on vain heikko bakteereja tuhoava vaikutus, mutta yhdistettynä berberiinin kanssa 5-MHC:llä on erittäin voimakas antimikrobinen vaikutus. Tämä selittää sen miksi niin usein on epäonnistuttu saamaan antimikrobisesti toimivia aineita, kun kasveista on eristetty yksittäisiä ainesosia. Kasvikunta on joutunut selvittämään multiresistenttibakteeri-ongelman jo kauan ennen ihmistä ja niiden eräs ratkaisu on antibioottisten aineiden kehittäminen yhdessä MDR-inhibiittorien kanssa. Muun muassa valkosipulin on osoitettu häiritsevän quorum sensing-toimintoja opportunistisilla Pseudomonas aeruginosa bakteereilla, jolloin antibiootit on saatu tehoamaan paremmin keuhkojen alueen tulehduksissa (7).

”Quorum sensing” -ilmiön tutkimus on tällä hetkellä yksi lupaavimpia mikrobiologian tutkimusalueita, joka saattaa ratkaista muun muassa antibiooteille resistenttien bakteerien hoidon.

KIRJALLISUUSVIITTEET
1. Viljanen M. Quorum sensing-salpaajat-uusi mikrobilääkeryhmä? Suomen Lääkärilehti; 3:211, 1999.
2. Swem, LR ym. A Quorum-Sensing Antagonist Targets Both Membrane-Bound and Cytoplasmic Receptors and Controls Bacterial Pathogenicity. Molecular Cell; 35:143-153, 2009.
3. Lewis K ja Ausubel FM: Prospects for plant-derived antibacterials.
Nat Biotechnol 24(12):1504-7, 2006.
4. CDC report: Donlan RM. Biofilms: microbial life on surfaces. Emerg Infect Dis. Sep 8, 2002.
5. Lomovskaya O and Lewis K: Emr, an Escherichia coli locus for multidrug resistance, Proc Natl Acad Sci U S A 89(19):8938-8942, 1992.
6. Stermitz FR ym. Two flavonols from Artemisa annua which potentiate the activity of berberine and norfloxacin againsta resistant strain of Staphylococcus aureus, Planta Med. 68(12):1140-1, 2002.
7. Bjarnsholt, T ym. Garlic blocks quorum sensing and promotes clearing of pulmonary Pseudomonas aeruginosa infections. Microbiology; 151: 3873-3880, 2005

Ylös