Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 54228 БИООРГАНИЧЕСКАЯ, БИОФИЗИЧЕСКАЯ И МЕДИЦИНСКАЯ ХИМИЯ BIOORGANIC, BIOPHYSICAL AND MEDICINAL CHEMISTRY БИООРГАНИЧЕСКАЯ, БИОФИЗИЧЕСКАЯ И МЕДИЦИНСКАЯ ХИМИЯ New approaches to study biological activity of drugs with the use of natural and recombinant bioluminescent test-bacteria Новые подходы к изучению биологической активности лекарственных веществ с использованием природных и генно-инженерных биолюминесцентных бактерий Сафронюк С Л Safronyuk S L pharmalab01@mail.ru Кацев А М Katsev A M pharmalab01@mail.ru Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского ru V.I. Vernadsky Crimean Federal University ru Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского ru V.I. Vernadsky Crimean Federal University ru 25 06 2017 25 06 2017 2 1 502 507 20 06 2017 20 06 2017 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/54228/view

В работе изучали биологическую активность лекарственных веществ с использованием биолюминесцентных аналитических технологий (БАТ) на основе природных и генно-инженерных светящихся бактерий. По результатам тестирования природных бактерий на чувствительность к антибиотикам был выбран наиболее перспективный тест-штамм Photobacterium leiognathi Sh1. Показана применимость БАТ для анализа антибактериальных препаратов на примере гентамицина сульфата (ЭК50 и ЭК100 для которые составили 0,2 мг/мл и 0,4 мг/мл соответственно), тетрациклина гидрохлорида (ЭК50 = 0,027 мг/мл и ЭК100 = 0,1 мг/мл) и бензилпенициллина натриевой соли (ЭК50 и ЭК100 равные 0,8 мг/мл и больше чем 1 мг/мл, соответственно). Определено, что наиболее выраженной специфической (антибактериальной) активностью обладает тетрациклина гидрохлорид, производное полифункционального гидронафтаценового соединения. Проведен биолюминесцентный анализ лекарственных веществ других фармакологических групп, который выявил наличие веществ-ингибиторов свечения бактерий, а также группу препаратов, не влияющих на бактериальную люминесценцию. Сравнение структуры этих соединений и их биологической активности выявило наиболее вероятные фармакофоры (фенотиазин, триметиламин, триэтиламин, 1-пропиламин и др.), ответственные за их неспецифическую антибактериальную активность. Показана применимость биотеста на хроническое действие с использованием морских светящихся бактерий, а также рекомбинантных биорепортерных штаммов на основе Escherichia coli (LUX) для более детального анализа биологической активности лекарственных веществ.

The biological activity of druges was studied using bioluminescent analytical technologies (BAT), based on natural and genetically engineered luminescent bacteria. The most promising test-strain Photobacterium leiognathi Sh1 was revealed by means of the estimation of three bacteria species on the sensitivity to antibiotics. The applicability of BAT for the analysis of antibacterial drugs was shown on the base of gentamicin sulfate (EC50 and EC100 for which they were 0.2 mg / ml and 0.4 mg / ml, respectively), tetracycline hydrochloride (EC50 = 0.027 mg / ml and EC100 = 0.1 mg / Ml) and benzylpenicillin sodium salt (EC50 and EC100 equal to 0.8 mg / ml and more than 1 mg / ml, respectively). Specifically, tetracycline hydrochloride, the derivative of the polyfunctional hydronaphthacene compound, was shown to have the most pronounced specific (antibacterial) activity. Bioluminescent analysis of medicinal substances of other pharmacological groups showed both the presence of substances-inhibitors of bacterial luminescence and a group of drugs that do not affect bacterial luminescence. A comparison of the compounds’ structure and their biological activity, defined the most probable pharmacophores (phenothiazine, trimethylamine, triethylamine, 1-propylamine, etc.) responsible for their nonspecific antibacterial activity. The applicability of BAT on the base of marine luminescent bacteria for chronic biological effect study as well as on the recombinant bioreporter strains, based on Escherichia coli (LUX), were shown for further detailed analysis of the biological activity of drugs.

 биотестирование биологическая активность лекарственные препараты светящиеся бактерии Photobacterium leiognathi Sh1 biotesting biological activity drugs luminescent bacteria Photobacterium leiognathi Sh1

Waseem H., Williams M.R., Stedtfeld T., Chai B., Stedtfeld R.D., Cole J.R., Tiedje J.M., Hashsham S.A. Virulence factor activity relationships (VFARs): a bioinformatics perspective. Environ Sci Process Impacts, 2017, vol. 19, no. 3, pp. 247-260. Waseem H., Williams M.R., Stedtfeld T., Chai B., Stedtfeld R.D., Cole J.R., Tiedje J.M., Hashsham S.A. Virulence factor activity relationships (VFARs): a bioinformatics perspective. Environ Sci Process Impacts, 2017, vol. 19, no. 3, pp. 247-260. McBride D., Krekel T., Hsueh K., Durkin M.J. Pharmacokinetic drug evaluation of tedizolid for the treatment of skin infections. Expert Opin Drug Metab Toxicol., 2017, vol. 13, no. 3, pp. 331-337. McBride D., Krekel T., Hsueh K., Durkin M.J. Pharmacokinetic drug evaluation of tedizolid for the treatment of skin infections. Expert Opin Drug Metab Toxicol., 2017, vol. 13, no. 3, pp. 331-337. Григорьев В.Ю., Раздольский А.Н., Загребин А.О., Тонкопий В.Д., Раевский О.А. Классификационные QSAR модели острой токсичности органических соединений по отношению к daphnia magna. Химико- фармацевтический журнал, 2014, № 4, c. 21-24. [Grigoriev V.Yu., Razdolsky A.N., Zagrebin A.O., Tonkopiy V.D., Raevsky O.A. Classification QSAR models of acute toxicity of organic compounds with respect to daphnia magna. The Chemical-Pharmaceutical Journal, 2014, vol. 4, pp. 21-24. (In Russ.)] Grigor'ev V.Yu., Razdol'skiy A.N., Zagrebin A.O., Tonkopiy V.D., Raevskiy O.A. Klassifikacionnye QSAR modeli ostroy toksichnosti organicheskih soedineniy po otnosheniyu k daphnia magna. Himiko- farmacevticheskiy zhurnal, 2014, № 4, c. 21-24. [Grigoriev V.Yu., Razdolsky A.N., Zagrebin A.O., Tonkopiy V.D., Raevsky O.A. Classification QSAR models of acute toxicity of organic compounds with respect to daphnia magna. The Chemical-Pharmaceutical Journal, 2014, vol. 4, pp. 21-24. (In Russ.)] Neale P.A., Leusch F.D.L., Escher B.I. Applying mixture toxicity modelling to predict bacterial bioluminescence inhibition by non-specifically acting pharmaceuticals and specifically acting antibiotics. Chemosphere, 2017, vol. 173, pp. 387-394. Neale P.A., Leusch F.D.L., Escher B.I. Applying mixture toxicity modelling to predict bacterial bioluminescence inhibition by non-specifically acting pharmaceuticals and specifically acting antibiotics. Chemosphere, 2017, vol. 173, pp. 387-394. Кацев А.М., Макемсон Дж. Идентификация светящихся бактерий, выделенных из черного и азовского морей. Ученые записки Таврического национального университета им. В.И. Вернадского Серия «Биология, химия», 2006, т. 19 (58), № 4, c. 111-116. [Katsev A.M., Makamson J. Identification of luminous bacteria isolated from the Black and Azov Seas. Uchenye zapiski Tavricheskogo Natsionalnogo Universiteta im. V.I. Vernadsky. Series "Biology, Chemistry.", 2006, vol. 19 (58), no. 4, pp. 111-116. (In Russ.)] Kacev A.M., Makemson Dzh. Identifikaciya svetyaschihsya bakteriy, vydelennyh iz chernogo i azovskogo morey. Uchenye zapiski Tavricheskogo nacional'nogo universiteta im. V.I. Vernadskogo Seriya «Biologiya, himiya», 2006, t. 19 (58), № 4, c. 111-116. [Katsev A.M., Makamson J. Identification of luminous bacteria isolated from the Black and Azov Seas. Uchenye zapiski Tavricheskogo Natsionalnogo Universiteta im. V.I. Vernadsky. Series "Biology, Chemistry.", 2006, vol. 19 (58), no. 4, pp. 111-116. (In Russ.)] Малыгина В.Ю., Кацев А.М. Светящиеся бактерии Черного и Азовского морей. Экология моря, 2003, т. 64, c. 18-23. [Malygina V.Yu., Katsev A.M. Glowing bacteria of the Black and Azov Seas. Ecology of the Sea, 2003, vol. 64, pp. 18-23. (In Russ.)] Malygina V.Yu., Kacev A.M. Svetyaschiesya bakterii Chernogo i Azovskogo morey. Ekologiya morya, 2003, t. 64, c. 18-23. [Malygina V.Yu., Katsev A.M. Glowing bacteria of the Black and Azov Seas. Ecology of the Sea, 2003, vol. 64, pp. 18-23. (In Russ.)] Кацев А.М. Некоторые характеристики Черноморских светящихся бактерий и их прикладное значение. Прикладная биохимия и микробиология, 2002, № 2, c. 189-192. [Katsev A.M. Some characteristics of the Black Sea luminous bacteria and their applied value. Applied Biochemistry and Microbiology, 2002, no. 2, pp. 189-192. (In Russ.)] Kacev A.M. Nekotorye harakteristiki Chernomorskih svetyaschihsya bakteriy i ih prikladnoe znachenie. Prikladnaya biohimiya i mikrobiologiya, 2002, № 2, c. 189-192. [Katsev A.M. Some characteristics of the Black Sea luminous bacteria and their applied value. Applied Biochemistry and Microbiology, 2002, no. 2, pp. 189-192. (In Russ.)] Кацев А.М., Сафронюк С.Л., Цокало И.Е., Шереметьева А.В., Стародуб Н.Ф. Оценка применимости биолюминесцентного анализа при определении активности лекарственных препаратов. Ветеринарна біотехнологія, 2013, № 22, с. 188-195. [Katsev A.M., Safronyuk S.L., Tsokalo I.E., Sheremetyev A.V., Starodub N.F. Evaluation of the applicability of bioluminescent analysis in determining the activity of drugs. Veterinary Biotechnology, 2013, vol. 22, pp. 188-195. (In Russ.)] Kacev A.M., Safronyuk S.L., Cokalo I.E., Sheremet'eva A.V., Starodub N.F. Ocenka primenimosti biolyuminescentnogo analiza pri opredelenii aktivnosti lekarstvennyh preparatov. Veterinarna bіotehnologіya, 2013, № 22, s. 188-195. [Katsev A.M., Safronyuk S.L., Tsokalo I.E., Sheremetyev A.V., Starodub N.F. Evaluation of the applicability of bioluminescent analysis in determining the activity of drugs. Veterinary Biotechnology, 2013, vol. 22, pp. 188-195. (In Russ.)] Bolelli L., Ferri E.N., Girotti S. The management and exploitation of naturally light-emitting bacteria as a flexible analytical tool: A tutorial. Anal Chim Acta, 2016, pp. 22-35. Bolelli L., Ferri E.N., Girotti S. The management and exploitation of naturally light-emitting bacteria as a flexible analytical tool: A tutorial. Anal Chim Acta, 2016, pp. 22-35. Дерябин Д.Г. Бактериальная биолюминесценция: фундаментальные и прикладные аспекты. Наука, 2009, 245 c. [Deryabin D.G. Bacterial Bioluminescence: Fundamental and Applied Aspects. Science, 2009, pp. 245. (In Russ.)] Deryabin D.G. Bakterial'naya biolyuminescenciya: fundamental'nye i prikladnye aspekty. Nauka, 2009, 245 c. [Deryabin D.G. Bacterial Bioluminescence: Fundamental and Applied Aspects. Science, 2009, pp. 245. (In Russ.)] Chandra H., Bishnoi P., Yadav A., Patni B., Mishra A.P., Nautiyal A.R. Antimicrobial Resistance and the Alternative Resources with SpЭКial Emphasis on Plant-Based Antimicrobials. Plants (Basel), 2017, vol. 6, no. 2, pii: E16. Chandra H., Bishnoi P., Yadav A., Patni B., Mishra A.P., Nautiyal A.R. Antimicrobial Resistance and the Alternative Resources with SpEKial Emphasis on Plant-Based Antimicrobials. Plants (Basel), 2017, vol. 6, no. 2, pii: E16. Сафронюк С.Л., Крамарь Т.В., Назаренко М.В. Оценка влияния заместителей в гетерофункциональных производных 1,2,4-триазинохиназолинтоиуксусной кислоты на биолюминесценцию бактерий. Вестник Томского государственного университета. Химия, 2016, № 4 (6), с. 39-49. [Safronyuk S.L., Kramar T.V., Nazarenko M.V. Bulletin of Tomsk State University. Chemistry, 2016, no. 4 (6), pp. 39-49. (In Russ.)] Safronyuk S.L., Kramar' T.V., Nazarenko M.V. Ocenka vliyaniya zamestiteley v geterofunkcional'nyh proizvodnyh 1,2,4-triazinohinazolintoiuksusnoy kisloty na biolyuminescenciyu bakteriy. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Himiya, 2016, № 4 (6), s. 39-49. [Safronyuk S.L., Kramar T.V., Nazarenko M.V. Bulletin of Tomsk State University. Chemistry, 2016, no. 4 (6), pp. 39-49. (In Russ.)] Саломатин Е.М. Токсическое действие производных фенотиазина и методы их определения в биологических жидкостях. Судебно-медицинская экспертиза, 1966, № 1, с. 18-21. [Salomatin E.M. Toxic effect of phenothiazine derivatives and methods for their determination in biological fluids. Forensic medical examination, 1966, no. 1, pp. 18-21. (In Russ.)] Salomatin E.M. Toksicheskoe deystvie proizvodnyh fenotiazina i metody ih opredeleniya v biologicheskih zhidkostyah. Sudebno-medicinskaya ekspertiza, 1966, № 1, s. 18-21. [Salomatin E.M. Toxic effect of phenothiazine derivatives and methods for their determination in biological fluids. Forensic medical examination, 1966, no. 1, pp. 18-21. (In Russ.)] Ashford R.D. Ashford's Dictionary of Industrial Chemicals. 3rd. 2011, P. 9362. Ashford R.D. Ashford's Dictionary of Industrial Chemicals. 3rd. 2011, P. 9362. Кацев А.М., Шандровская А.С., Абдураманова Э.Р. Оптимизация выбора органических растворителей для проведения скринигового биотестирования лекарственных веществ. Запорожский медицинский журнал, 2011, т. 13, № 1, с. 083-086. [Katsev A.M., Shandrovskaya A.S., Abduramanova E.R. Optimization of the choice of organic solvents for screening biotesting of drugs. Zaporozhye Medical Journal, 2011, vol. 13, no. 1, pp. 083-086. (In Russ.)] Kacev A.M., Shandrovskaya A.S., Abduramanova E.R. Optimizaciya vybora organicheskih rastvoriteley dlya provedeniya skrinigovogo biotestirovaniya lekarstvennyh veschestv. Zaporozhskiy medicinskiy zhurnal, 2011, t. 13, № 1, s. 083-086. [Katsev A.M., Shandrovskaya A.S., Abduramanova E.R. Optimization of the choice of organic solvents for screening biotesting of drugs. Zaporozhye Medical Journal, 2011, vol. 13, no. 1, pp. 083-086. (In Russ.)] Nosulenko I.S., Voskoboynik Y.U., Berest G.G., Safronyuk S.L., Kovalenko S.I., Kamyshnyi O.M., Polishchuk N.M., Sinyak R.S., Katsev A.V. Synthesis and antimicrobial activity of 6-Thioxo-6,7-dihydro-2H- [1,2,4]triazino [2,3-c]- quinazolin-2-one derivatives. Scientia Pharmaceutica, 2014, vol. 82, iss. 3, pp. 483-500. Nosulenko I.S., Voskoboynik Y.U., Berest G.G., Safronyuk S.L., Kovalenko S.I., Kamyshnyi O.M., Polishchuk N.M., Sinyak R.S., Katsev A.V. Synthesis and antimicrobial activity of 6-Thioxo-6,7-dihydro-2H- [1,2,4]triazino [2,3-c]- quinazolin-2-one derivatives. Scientia Pharmaceutica, 2014, vol. 82, iss. 3, pp. 483-500.