Антиоксидантная активность пробиотического препарата на основе Bacillus subtilis

Центр биомедицинских технологий Южного федерального университета, г. Ростов-на-Дону

Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону

Введение. Известно, что стрессы, неблагоприятная экологическая обстановка, неправильное питание оказывают негативное воздействие на желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) человека, способствуя развитию ряда заболеваний [1]. Большая часть таких заболеваний сопровождается дисбактериозом кишечника [2]. В настоящее время одной из наиболее эффективных и безопасных технологий, применяемых при лечении и профилактике заболеваний желудочно-кишечного тракта, является применение пробиотических препаратов. Они используются также для нормализации микрофлоры после приема антибиотиков и иммуномодуляции [3-6]. Многочисленные исследования подтвердили эффективность использования пробиотиков в акушерстве, гинекологии, стоматологии, дерматологии, ревматологии, при заболеваниях опорно-двигательного аппарата, туберкулезе, сахарном диабете и т.д. [2]. Пробиотические и синбиотические препараты широко используются для профилактики и лечения аллергических заболеваний, обладают противовоспалительной активностью [7].

Столь широкий спектр терапевтической активности пробиотических препаратов можно объяснить содержанием в них веществ, способных противостоять окислительному стрессу – механизму, за счет которого реализуется множество патогенных эффектов на клеточном и организменном уровнях. Окислительный стресс развивается и при воспалении, сопровождающем заболевания ЖКТ.

Существуют данные о наличии у пробиотических препаратов (в частности, на основе лактобактерий, бифидобактерий и спорообразующих бацилл) антигенотоксической и антимутагенной активности. Показана способность пробиотических микроорганизмов снижать активность генотоксинов химической природы, таких, как N-метил-N-нитро-нитрозогуанидин, полиароматические углеводороды, афлатоксины и др. [8-10]. Известны данные и о способности данных препаратов снижать генотоксический эффект физических агентов [5]. Экспериментально показана способность пробиотических бактерий «перехватывать» активные формы кислорода (АФК) [11, 12]. Таким образом, представляется разумным строить стратегию лечения с помощью пробиотических препаратов, учитывая их антиоксидантные свойства.

В лаборатории ООО "Центр биомедтехнологий ЮФУ" был разработан пробиотический препарат Б-92 на основе штамма Bacillus subtilis В-1895.

Целью данной работы являлось исследование антиоксидантных свойств данного препарата при помощи биолюминесцентных биосенсоров.

Методика исследования. Bacillus subtilis В-1895 выращивали на поверхности соевых бобов в течение 2 суток при 420С (твердофазная ферментация). Затем бобы, покрытые биопленкой бактерий, измельчали и высушивали при комнатной температуре. Измельченный до порошкообразного состояния препарат, экстрагировали дистиллированной водой в течение 60 мин, затем аликвоты суспензии по 2 мл центрифугировали при 2000 об/с в течение 45 секунд. Надосадочную жидкость использовали для определения антиоксидантной активности.

В качестве индукторов окислительного стресса использовали перекись водорода («Ferrain»), метилвиологен (паракват) («Sigma») – внутриклеточный генератор супероксид-аниона и гидроксиметилхиноксалиндиоксид (диоксидин) («Sigma») – внутриклеточный генератор перекиси водорода и супероксид-аниона.

B качестве тест-объектов применяли биосенсоры на основе штаммов Eschеrichiа coli МGl655, содержащие плазмиды pKatG-lux и pSоxS-lux, несущие оперон Photorhabdus luminеsсens, отвечающий за люминесценцию и поставленный под контроль соответствующих промоторов katG и soxS [13].

Культуры выращивали в среде Луриа-Бертани (LB) [14] при 37⁰С. Ночную культуру разбавляли свежей средой до плотности 1 единица Мак-Фарланда (концентрация 3·108 клеток/мл), измерения проводились при помощи денситометра DEN-1B («Biosan»). Затем разбавляли суспензию еще в 10 раз и подращивали в течение 2 ч.

При исследовании антиоксидантных свойств водного экстракта препарата, аликвоты культуры по 160 мкл переносили в лунки планшета, часть из них служила контролем (в них добавляли 20 мкл деионизированной воды и 20 мкл водного экстракта сои; 20 мкл деионизированной воды и 20 мкл водного экстракта пробиотика). Часть лунок служило позитивным контролем (в них добавляли 20 мкл перекиси водорода (и диокисидина/параквата) и 20 мкл экстракта сои) в другие лунки вносили по 20 мкл экстракта препарата Б-92 и 20 мкл перекиси водорода (и диокисидина/параквата).

Измерение люминесценции проводилось на микропланшетном люминометре LM–01T (Immunotech, Чехия) согласно инструкции к прибору. Измерение проводилось в течение 2 часов с интервалом между измерениями 10 мин.

Определение антиоксидантной активности.

Фактор индукции SOS ответа (Is) вычисляли по формуле:

Is = Le/Lk ,

где Lk – интенсивность люминесценции контрольной пробы; Le– интенсивность люминесценции опытной пробы.

Показатель протекторной активности (А, %) вычисляли по формуле:

где Ia – фактор индукции биолюминесцентного ответа исследуемым воздействием в присутствии протектора; Ip– фактор индукции исследуемым воздействием.

Все эксперименты проводили в трех независимых повторностях.

Статистическую значимость отличия биолюминесценции в опыте от контрольных значений оценивали по t-критерию [15]. Статистическую обработку полученных результатов проводили по стандартным формулам.

Результаты и их обсуждение. Результаты исследований представлены на рис. 1 – 4 и в табл. 1.

 

Рис. 1. Ответ штамма E.coli MG1655 (pKatG-lux) на действие перекиси водорода в концентрации 1∙10-3Мв присутствии экстракта пробиотика и экстракта сои: 1 - экстракт сои+H₂O₂ 10-3 М; 2 - экстракт препарата +H₂O₂ 10-3М.

Рис. 1. Ответ штамма E.coli MG1655 (pKatG-lux) на действие перекиси водорода в концентрации 1∙10-3Мв присутствии экстракта пробиотика и экстракта сои: 1 - экстракт сои+H₂O₂ 10-3 М; 2 - экстракт препарата +H₂O₂ 10-3М.

Как видно из рис. 1, в присутствии экстракта пробиотика наблюдается снижение фактора индукции, вызванной перекисью водорода, по отношению к контролю (экстракт чистой сои).

 

Рис. 2. Ответ штамма E.coli MG1655 (pKatG-lux) на действие диоксидина в концентрации 2,25∙10-5Мв присутствии экстракта пробиотика и экстракта сои: 1 - Экстракт сои+диоксидин 2,25∙10-5 М; 2 - Экстракт препарата+диоксидин 2,25∙10-5М.

Рис. 2. Ответ штамма E.coli MG1655 (pKatG-lux) на действие диоксидина в концентрации 2,25∙10-5Мв присутствии экстракта пробиотика и экстракта сои: 1 - Экстракт сои+диоксидин 2,25∙10-5 М; 2 - Экстракт препарата+диоксидин 2,25∙10-5М.

Из графика, представленного на рис. 2, видно, что в присутствии экстракта пробиотика снижается уровень индукции, вызванной диоксидином.

 

Рис. 3. Ответ штамма E.coli MG1655 (pSoxS-lux) на действие диоксидина в концентрации 2,25∙10-5Мв присутствии экстракта пробиотика и экстракта сои: 1 - Экстракт сои и диоксидин 2,25∙10-5 М; 2 - Экстракт пробиотика и диоксидин 2,25∙10-5М.

Рис. 3. Ответ штамма E.coli MG1655 (pSoxS-lux) на действие диоксидина в концентрации 2,25∙10-5Мв присутствии экстракта пробиотика и экстракта сои: 1 - Экстракт сои и диоксидин 2,25∙10-5 М; 2 - Экстракт пробиотика и диоксидин 2,25∙10-5М.

 

Рис. 4. Ответ штамма E.coli MG1655 (pSoxS-lux) на действие параквата дихлорида в концентрации 1∙10-3Мв присутствии экстракта пробиотика и экстракта сои: 1 - экстракт сои и паракват 1∙10-3 М; 2 - экстракт пробиотика и паракват 1∙10-3М.

Рис. 4. Ответ штамма E.coli MG1655 (pSoxS-lux) на действие параквата дихлорида в концентрации 1∙10-3Мв присутствии экстракта пробиотика и экстракта сои: 1 - экстракт сои и паракват 1∙10-3 М; 2 - экстракт пробиотика и паракват 1∙10-3М.

Из графиков, представленных на рис. 3 и 4, видно, что в присутствии экстракта пробиотика снижается индукция, вызванная диоксидином и паракватом.

В табл. 1 представлены данные о максимальной антиоксидантной активности пробиотического препарата на основе бактерии Bacillus subtilis.

Таблица 1. Максимальная антиоксидантная активность пробиотического препарата

Таблица 1. Максимальная антиоксидантная активность пробиотического препарата

Примечание: н/о – не определялась.

Таким образом, нами показано, что водный экстракт пробиотического препарата обладает антиоксидантной активностью по отношению как к генератору супероксид-аниона параквату, перекиси водорода и диоксидину – способного стимулировать внутриклеточную генерацию как перекиси водорода, так и супероксид-аниона.

Антиоксиданты (АО) – природные или идентичные природным соединения, препятствующие окислению биомолекул. Введение в организм антиоксидантов снижает риск развития различных заболеваний, в том числе связанных с действием химических, физических, радиационных, бактериологических и других факторов окружающей среды.

По химической природе антиоксиданты представляют собой обширную и химически разнородную группу: к ним относят ферменты, фенолы и полифенолы, флавоноиды, стероидные гормоны и др. [16]. По принципу антиоксидантного действия выделяют АО косвенного и прямого действия [17]. Эффективность отдельных механизмов инактивации АФК не абсолютна, поэтому в ходе эволюции сформировался целый комплекс ферментативных и неферментативных механизмов для преодоления последствий окислительного стресса. Бактерии способны выделять сотни соединений, обладающих антиоксидантной активностью [18].

Из данных, полученных нами, можно видеть, что водный экстракт пробиотического препарата Б-92 обладает антиоксидантными свойствами.

Поскольку относительно высокая протекторная активность была обнаружена в опытах со штаммом – индикатором внутриклеточной генерации перекиси водорода, можно предположить, что значительную роль в реализации этих свойств играют низкомолекулярные антиоксиданты, взаимодействующие с эндогенными АФК.

Существуют данные, свидетельствующие о том, что смеси антиоксидантов могут проявлять более высокую УФ-протекторную активность, чем отдельные антиоксиданты, т.е. для таких смесей наблюдается синергетический эффект [19-21]. Данные об антиоксидантной активности пробиотиков позволяют предположить, что таковые свойства обеспечиваются комплексом как высокомолекулярных, так и низкомолекулярных антиоксидантов [22-26]. Идентификация этих соединений станет задачей наших дальнейших исследований.

Заключение. В результате проведенных исследований показано, что пробиотический препарат обладает антиоксидантными свойствами. Исследованный экстракт способен защитить клетку от прооксидантного действия параквата, снижая уровень генерации супероксид-анион радикала. Экстракт пробиотического препарата снижает уровень генерации супероксид– аниона при действии перекиси водорода и диоксидина.

Полученные результаты позволяют предположить, что пробиотический препарат проявит свой антиоксидантный эффект не только при взаимодействии с бактериальной культурой, но и в экспериментах с эукариотическими организмами.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и образования РФ (ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», Госконтракт № 16.512.11.2017).

Список использованных источников:

  1. Шендеров Б.А. Медицинская микробная экология и функциональное питание. Т. 3: Пробиотики и функциональное питание. - М.: ГРАНТЪ, 2001. - 288 с.
  2. Микроэкологические нарушения при клинической патологии и их коррекция бифидосодержащими пробиотиками/ А.А. Воробьев и др.// Вестник РАМН. 2004. № 2. С.13–17.
  3. Бондаренко В.М. Поликомпонентные пробиотики: механизм действия и терапевтический эффект при дисбиозах кишечника// Фарматека. - 2005. - № 115. - С. 46–54.
  4. Isolauri E., Kirjavainen P.V., Salminen S. Probiotics: a role in the treatment of intestinal infection and inflammation// Gut. 2002. V. 50. P. 54–59.
  5. Matsuu M., Shichijo K., Okaichi K., Wen C.Y., Fukuda E., Nakashima M., Nakayama T., Shirahata S., Tokumaru S., Sekine I. The protective effect of fermented milk kefir on radiation-induced apoptosis in colonic crypt cells of rats// J. Radiat. Res. 2003. V.44. N.2. P.111-115.
  6. Lee E. et. al. Probiotics in the Intensive Care Unit// Nutrition in Clinical Practice. - 2012. V. 27. N 2. - P. 235–241.
  7. Prescott S., Nowak-Węgrzyn A. Strategies to prevent or reduce allergic disease// Ann NutrMetab. - 2011. - V.59. S.1. - P.28-42.
  8. Renner H.W., Münzner R. The possible role of probiotics as dietary antimutagen// Mutat Res. - 1991. - V.262. N.4. - P.239-245.
  9. Lo P.R., Yu R.C., Chou C.C., Huang E.C. Determinations of the antimutagenic activities of several probiotic bifidobacteria under acidic and bile conditions against benzo[a]pyrene by a modified Ames test// Int J Food Microbiol. 2004. V.93. N.2. P.249-257.
  10. Cenci G., Caldini G., Trotta F., Bosi P. In vitro inhibitory activity of probiotic spore-forming bacilli against genotoxins// Lett. Appl. Microbiol. – 2008. - V.46. N.3. - P.331-337.
  11. Gotteland M., Brunser O., Cruchet S. Systematic review: are probiotics useful in controlling gastric colonization by Helicobacter pylori?// Aliment. Pharmacol. Ther. - 2006. - V.23. N.8. - P.1077-1086.
  12. Shen Q., Shang N., Li P. In vitro and in vivo antioxidant activity of Bifidobacteriumanimalis 01 isolated from centenarians// Curr. Microbiol. - 2011. - V.62. N.4. - P.1097-1103.
  13. Zavilgelsky G.B., Kotova V.Y., Manukhov I.V. Action of 1,1-dimethylhydrazine on bacterial cells is determined by hydrogen peroxide// Mutat. Res. - 2007. № 634. - P. 172 – 176.
  14. Maniatis T., Fritsch E.F., Sambrook J. Molecular cloning: a laboratory manual. - N.Y., 1982. 545 p.
  15. Лакин Г.Ф. Биометрия. - М., 1990. - 352 с.
  16. Меньшикова Е.Б., Ланкин В.З., Зенков Н.К., Бондарь И.А., Круговых Н.Ф., Труфакин В.А.Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты.– М.: «Слово», 2006. – 556 с.
  17. Зайцев В. Г., Островский О. В., Закревский В. И. Связь между химическим строением и мишенью действия как основа классификации антиоксидантов прямого действия// Экспериментальная и клиническая фармакология. - 2003. - № 4. - С. 66-70.
  18. Amaretti A., di Nunzio M., Pompei A., Raimondi S., Rossi M., Bordoni A. Antioxidant properties of potentially probiotic bacteria: in vitro and in vivo activities//Appl. Microbiol. Biotechnol. – 2012.
  19. Allemann B.I., Baumann L. Antioxidants used in skin care formulations// Skin Ther. Lett. – 2008. – V.13., N.7. - P. 5-9.
  20. Lin J.Y., Selim M.A., Shea C.R. et al. UV photoprotection by combination topical antioxidants vitamin C and vitamin E// J. Am. Acad. Dermat. - 2003. -V. 48, N.6. – P. 866-74.
  21. Greul A.K., Grundmann J.U., Heinrich F. et al. Photoprotection of UV-irradiated human skin: an antioxidative combination of vitamins E and C, carotenoids, selenium and proanthocyanidins// Skin Pharmac. Appl. Skin Physiol. – 2002. – V.15., N.5. - P. 307-315.
  22. Hathouta A.S., Mohameda S.R., El-Nekeetya A.A., Hassanb.S., Alya S.E., Abdel-Wahhaba M.A. Ability of Lactobacillus casei and Lactobacillus reuteri to protect against oxidative stress in rats fed aflatoxins-contaminated diet// Toxicon.– 2011. – V.58, I.2. - P.179–186.
  23. Kodali V.P., Perali R.S., Sen R. Purification and partial elucidation of the structure of an antioxidant carbohydrate biopolymer from the probiotic bacterium Bacillus coagulans RK-02// J. Nat. Prod. – 2011. – V.74.N8. – P. 1692-7.
  24. Kullisar T., Zilmer M., Mikelsaar M., Vikalemm T., Annuk H., Kairane C., Kilk A. Two antioxidative lactobacilli strains as promising probiotics// Int. J. Food Microbiol.– 2002 -V.72.- P. 215–224/
  25. Lavy A., Neeman Y., Fuhrman B. The antioxidative effect of the bacteria Deinococcus radiophilus against LDL lipid peroxidation// European Journal of Nutrition. - 2005. - № 44. - P. 281-284.
  26. Saide A.O., Gilliland S.E. Antioxidative activity of lactobacilli measured by oxygen radical absorbance capacity// J. Dairy Sci. – 2005. –V. 88. – P.1352–1357.