비결핵 항산균(NTM) 폐질환.. 천연물 항생제(한약탐구) -- 시작!!

[문형철]

Open AccessReview

Efficacy and Mechanisms of Flavonoids against the Emerging Opportunistic Nontuberculous Mycobacteria

by 

Suresh Mickymaray

 1,*,

Faiz Abdulaziz Alfaiz

 1 and

Anand Paramasivam

 2

1

Department of Biology, College of Science, Al-Zulfi, Majmaah University, Majmaah 11952, Riyadh Region, Saudi Arabia

2

Department of Basic Medical Sciences, College of Dentistry, Al-Zulfi, Majmaah University, Majmaah 11952, Riyadh Region, Saudi Arabia

*

Author to whom correspondence should be addressed.

Antibiotics 2020, 9(8), 450; https://doi.org/10.3390/antibiotics9080450

Submission received: 4 June 2020 / Revised: 20 July 2020 / Accepted: 21 July 2020 / Published: 27 July 2020

(This article belongs to the Special Issue Natural Compounds as Antimicrobial Agents, 2nd Edition)

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Abstract

Nontuberculous mycobacteria (NTM) are the causative agent of severe chronic pulmonary diseases and is accountable for post-traumatic wound infections, lymphadenitis, endometritis, cutaneous, eye infections and disseminated diseases. These infections are extremely challenging to treat due to multidrug resistance, which encompasses the classical and existing antituberculosis agents. Hence, current studies are aimed to appraise the antimycobacterial activity of flavonoids against NTM, their capacity to synergize with pharmacological agents and their ability to block virulence. Flavonoids have potential antimycobacterial effects at minor quantities by themselves or in synergistic combinations. A cocktail of flavonoids used with existing antimycobacterial agents is a strategy to lessen side effects. The present review focuses on recent studies on naturally occurring flavonoids and their antimycobacterial effects, underlying mechanisms and synergistic effects in a cocktail with traditional agents.

초록

비결핵성 마이코박테리아(NTM)는

중증 만성 폐질환의 원인균이며

외상 후 상처 감염, 림프절염, 자궁내막염, 피부 감염, 안구 감염 및 전신성 질환을 유발합니다.

이러한 감염은

기존 및 기존 결핵 치료제를 포함한 다제내성으로 인해 치료가 매우 어렵습니다.

따라서 현재 연구는

NTM에 대한 플라보노이드의 항마이코박테리아 활성,

약리학적 제제와의 시너지 효과,

병원성 차단 능력을 평가하는 데 목적을 두고 있습니다.

플라보노이드는

단독 또는 시너지 조합으로 소량에서도 잠재적 항결핵 효과를 나타낸다.

기존 항결핵제와 병용하는 플라보노이드 복합체는

부작용을 줄이는 전략이다.

본 리뷰는

천연 플라보노이드의 항결핵 효과, 기전, 기존 약제와의 복합체 시너지 효과에 관한

최근 연구를 중점적으로 다룬다.

Keywords: 

nontuberculous mycobacteria; flavonoids; synergistic action; underlying mechanisms

1. Introduction

Mycobacteria belong to Mycobacteriaceae and genus Actinobacteria, are slow-growing, immobile, Gram-neutral or weakly Gram-positive thin rod-shaped to filamentous bacteria and can be categorized into three key groups for the determination of diagnosis and therapy. (a) The complex of Mycobacterium tuberculosis is the primary causative pathogens of tuberculosis (TB) that consists of a group of organisms’ viz., M. tuberculosis, M. caprae, M. bovis, M. africanum, M. pinnipedii, M. microti, M. mungi, M. orygis, M.pinnipedii and M. surricatae and M. canetti. (b) M. leprae and M. lepromatosis are the causative pathogens of leprosy. (c) Nontuberculous mycobacteria (NTM) are the additional opportunistic pathogenic mycobacterial complex groups that consists of M. avium, M. marinum, M. hemophilum, M. kansasii, M. scrofulaceum, M. gordonae, M. abscessus, M. fortuitum and M. chelonae. They do not cause TB; however, they can produce pulmonary infections, lymphadenitis, skin disease, endometritis and disseminated disease. Thus, NTM are denoted by other names such as environmental mycobacteria or mycobacteria other than tuberculosis (MOTT) and atypical mycobacteria (ATM) [1,2,3,4].

More than 200 different species of NTM have been identified in nature (https://www.bacterio.net/genus/mycobacterium), and among them; about 95% are environmental bacteria with maximum existence as saprophytes, opportunistic pathogens or nonpathogenic to humans and animals [5]. NTM are generally found in the environment, mostly in wet soil, rivers, streams, estuaries, marshland and hospital settings. They are less pathogenic when compared to tuberculous mycobacteria, however they can cause illness to immunocompromised or pulmonary infected individuals [6]. Among NTM pathogens, M. avium complex are the most significant and recurrent pathogenic organisms that causes pulmonary and extrapulmonary infections. In addition, M. xenopi, M. kansasii, M. malmoense are the most causative agents for pulmonary infections. Skin and cutaneous tissue infections are also caused by M. ulcerans and M. marinum [7]. M. abscessus, M. fortuitum, M. chelonae, M. chimaera are the infectious agents accountable for most soft tissue infections [8].

According to the Runyon classification (Figure 1), mycobacteria have broad categories based on phenotypic factors including pigmentation and the frequency of bacterial growth [9]. They are classified as rapidly growing mycobacteria-RGM (visible colonies appear within seven days) and slow-growing mycobacteria-SGM (visible colonies appear after seven days). Most pathogenic mycobacteria are associated with the SGM, due to their virulence and growth rate. The members of the M. chelonae–M. abscessus complex and M. fortuitum complex are classified under the RGM family (Figure 1). The classification of mycobacteria remains greatly active and is continually developing, owing to the available technological progressions including sequencing of bacterial isolates. However, this improvement provides only taxonomy of the evolving novel mycobacteria, and still, their documentation remains uncertain and is obligatory to find the potential phenotypic and genetic polymorphisms of the M. abscessus complex.

1. 서론

마이코박테리아는

마이코박테리아과(Mycobacteriaceae) 및 방선균문(Actinobacteria)에 속하는 느리게 성장하는,

비운동성, 그람중성 또는 약한 그람양성 얇은 막대형에서 필라멘트형 세균으로,

진단 및 치료 결정에 있어 세 가지 주요 그룹으로 분류될 수 있다.

(a) 결핵(TB)의 주요 원인 병원체인 결핵균 복합체는 다음과 같은 균군으로 구성된다:

M. tuberculosis, M. caprae, M. bovis, M. africanum, M. pinnipedii, M. microti, M. mungi, M. origis, M. pinnipedii, M. surricatae 및 M. canetti.

(b) 한센병의 원인균은 한센균(M. leprae)과 한센병균(M. lepromatosis)이다.

(c) 비결핵성 마이코박테리아(NTM)는 추가적인 기회감염성 병원성 마이코박테리아 복합군으로,

조류마이코박테리아(M. avium),

해양마이코박테리아(M. marinum),

혈액마이코박테리아(M. hemophilum),

캔사시마이코박테리아(M. kansasii), M. scrofulaceum, M. gordonae, M. abscessus, M. fortuitum 및 M. chelonae로 구성됩니다.

이들은 결핵을 유발하지 않지만,

폐 감염, 림프절염, 피부 질환, 자궁내막염 및 전신성 질환을 일으킬 수 있습니다.

따라서

NTM은

환경성 마이코박테리아(environmental mycobacteria),

결핵 이외의 마이코박테리아(MOTT),

비정형 마이코박테리아(ATM) 등 다른 명칭으로도 불립니다[1,2,3,4].

자연계에서 200종 이상의 다양한 NTM이 확인되었으며(https://www.bacterio.net/genus/mycobacterium),

이 중 약 95%는 환경성 세균으로,

주로 부생균, 기회감염원 또는 인간과 동물에게 비병원성으로 존재한다 [5].

NTM은

주로 습한 토양, 강, 하천, 하구, 습지 및 병원 환경에서 발견됩니다.

결핵성 마이코박테리아에 비해 병원성은 낮지만,

면역저하자나 폐 감염자에게 질병을 유발할 수 있습니다 [6].

NTM 병원체 중 M. avium 복합체는

폐 및 폐외 감염을 일으키는 가장 중요하고 재발성 높은 병원체입니다.

또한 M. xenopi, M. kansasii, M. malmoense는

폐 감염의 주요 원인체이다.

피부 및 피부 조직 감염은 M. ulcerans 및 M. marinum에 의해 발생한다 [7].

M. abscessus, M. fortuitum, M. chelonae, M. chimaera는 대부분의 연조직 감염을 일으키는 병원체이다 [8].

Runyon 분류법(그림 1)에 따르면,

마이코박테리아는 색소 침착 및 세균 증식 빈도 등 표현형적 요인에 기반하여

광범위한 범주로 분류됩니다[9].

이들은

빠르게 증식하는 마이코박테리아(RGM, 가시적 콜로니가 7일 이내에 출현)와

느리게 증식하는 마이코박테리아(SGM, 가시적 콜로니가 7일 이후에 출현)로 구분됩니다.

대부분의 병원성 마이코박테리아는 독성과 증식 속도 때문에 SGM과 연관됩니다. M. chelonae–M. abscessus 복합체와 M. fortuitum 복합체의 구성원들은 RGM 계열에 분류됩니다(그림 1). 마이코박테리아의 분류는 박테리아 분리체의 염기서열 분석을 포함한 기술적 진보로 인해 여전히 활발히 진행 중이며 지속적으로 발전하고 있습니다. 그러나 이러한 발전은 진화하는 신종 마이코박테리아의 분류학적 분류만을 제공할 뿐이며, 여전히 그 기록은 불확실하며 M. abscessus 복합체의 잠재적 표현형 및 유전적 다형성을 규명하는 것이 필수적입니다.

Figure 1. Classification of nontuberculous mycobacteria.

RGM, M. chelonei, M. fortuitum and M. abscessus complex are well-renowned pathogens that often occur in cutaneous infections related to plastic surgery and cosmetic techniques. They appear widely in different pathologic conditions viz., cellulitis, superficial lymphadenitis, chronic nodular lesions, abscesses, nonhealing ulcers, verrucous lesions and commonly occur in the subcutaneous tissue and skin [10].

그림 1. 비결핵성 마이코박테리아의 분류.

RGM, M. chelonei, M. fortuitum 및 M. abscessus 복합체는

성형 수술 및 미용 시술과 관련된 피부 감염에서 흔히 발생하는 잘 알려진 병원체이다.

이들은 다양한 병리학적 상태, 

즉 봉와직염, 표재성 림프절염, 만성 결절성 병변, 농양, 비치유성 궤양, 사마귀성 병변 등에서 광범위하게 나타나며,

주로 피하 조직과 피부에서 발생한다 [10]

M. abscessus is often misidentified as M. chelonae. It is documented that M. chelonae is seldom accountable for lung disease [11]. In addition, M. chelonae fails to develop in the culture at 37 °C when compared to M. abscessus. M. chelonae is abundant in aquatic systems that can cause infection in immunocompromised hosts [12]. Hence, this inappropriate identification of M. abscessus is highly possible in several pilot trials specifically in pulmonary contagions, consequently flouting the significance of this mycobacterium. Notably, the augmented occurrence of M. abscessus in the individual with cystic fibrosis directs that this pathogenic organism has developed progressively to become widespread in the past decade [13,14]. The cultures of M. abscessus grow in less than seven days using agar medium (the combination of Bactec 12B and Middlebrook 7H10/7H11) and the strains of M. chelonae can be cultivated at 30 °C. Most of the NTM species can grow in the RGM culture medium at 30 °C, and M. xenopi can grow in the Lowenstein–Jensen (LJ) medium at 36 °C [15].

The RGM organism M. abscessus possesses a high level of heterogeneity in the genotype and is capable of rapid evolution by phage mediated gene transfer [16,17]. There are three subtypes in the complex of M. abscessus, namely, M. abscessus, M. bolletii and M. massiliense [5]. M. abscessus possesses diverse structures in the cell wall due to the occurrence or absence of glycopeptidolipids (GPL) [18]. Similarly, other NTM species have also shown structural variations. The colony morphology and GPL arrangements in M. abscessus are normally responsible for interactions with the host and regulating the environment of biofilm development and intracellular survival, which results in disease manifestations and clinical outcomes [19]. The most common point of entry of NTM into the host occurs via direct invasion including trauma, iatrogenic acquisition or postsurgical infections [20]. These bacteria can invade soft tissues and skin in immunodeficient patients during systemic dissemination [21,22]. Shreds of evidence show that the possible human transmission of M. abscessus subsp. massiliense may occur among cystic fibrosis patients [23,24]. To date, few publications have addressed novel approaches to deal with extensive antimicrobial resistance among the NTM organisms, and thus, the current review aims to appraise the antimycobacterial activity of flavonoids against NTM, its capacity to synergize with existing pharmacological agents and its antivirulence effects.

.

M. abscessus는 종종 M. chelonae로 오진된다.

M. chelonae가 폐 질환을 유발하는 경우는 드물다는 것이 기록되어 있다[11].

또한 M. chelonae는 M. abscessus와 비교하여 37°C 배지에서 배양되지 않는다.

M. chelonae는 수생 생태계에 풍부하게 존재하며 면역결핍 숙주에서 감염을 유발할 수 있다[12].

따라서

특히 폐 감염에서 여러 예비 연구에서 M. abscessus의 부적절한 동정이 매우 가능하며,

결과적으로 이 마이코박테리아의 중요성을 간과하게 된다.

특히

낭포성 섬유증 환자에서 M. abscessus의 증가된 발생은

이 병원성 미생물이 지난 10년간 점진적으로 확산되어 널리 퍼졌음을 시사한다 [13,14].

M. abscessus 배양은

한천 배지(Bactec 12B와 Middlebrook 7H10/7H11의 조합)를 사용하여 7일 이내에 성장하며,

M. chelonae 균주는 30°C에서 배양될 수 있다.

대부분의 비결핵성 마이코박테리아 종은 30°C의 RGM 배지에서 성장할 수 있으며,

M. xenopi는 36°C의 Lowenstein–Jensen(LJ) 배지에서 성장할 수 있다[15].

RGM 병원체인 M. abscessus는 유전자형에서 높은 수준의 이질성을 지니며, 파지 매개 유전자 전달을 통해 신속한 진화 능력을 보유한다 [16,17]. M. abscessus 복합체에는 M. abscessus, M. bolletii, M. massiliense 등 세 가지 아형이 존재한다[5]. M. abscessus는 글리코펩티도지질(GPL)의 유무에 따라 세포벽 구조가 다양하다 [18]. 마찬가지로 다른 비정형결핵균(NTM) 종들도 구조적 변이를 보인다. M. abscessus의 콜로니 형태와 GPL 배열은 일반적으로 숙주와의 상호작용, 생물막 발달 환경 조절, 세포 내 생존을 담당하며, 이는 질병 발현과 임상 결과로 이어진다 [19].

NTM이 숙주에 침입하는 가장 흔한 경로는

외상, 의료 관련 감염 또는 수술 후 감염을 포함한 직접 침입이다 [20].

이 박테리아는

전신적 확산 과정에서 면역결핍 환자의 연조직 및 피부를 침범할 수 있다[21,22].

여러 증거들은 낭포성 섬유증 환자 간에 M. abscessus subsp. massiliense의 인체 전파 가능성이 존재함을 시사한다[23,24].

현재까지

NTM 균주의 광범위한 항생제 내성을 다루는 새로운 접근법을 다룬 논문은 거의 없으며,

따라서 본 리뷰는 NTM에 대한 플라보노이드의 항마이코박테리아 활성,

기존 약제와의 시너지 효과 가능성 및 항독성 효과를 평가하는 것을 목표로 한다.

2. Clinical Epidemiology of NTM

The diseases of NTM are often found in developed nations, where the peak occurrence rates was 10.6 cases per 100,000 individuals in 2000 [25]. Based on pulmonary research by various experts, the respiratory NTM are projected to be at least 15 times more common than TB with at least 200,000 cases per year in the USA [25]. In South Korea, the occurrence of NTM infections have been augmented to 39.6 cases/100,000 people in 2016 and yearly occurrence could be 19.0 cases/100,000 people. An investigation led in Germany described a growing incidence of NTM in 2009 from 2.3 cases/100,000 people to 3.3 cases/100,000 populace in 2014 [26]. Shreds of evidence associated with the occurrence of the disease of NTM and elevation levels are greater in Europe [26], the United States [27,28,29] and Japan [30]. The higher rates of NTM infection have been reported in East Asian inhabitants particularly China, Vietnam, Hawaii, Philippines, Japan and Korea [27,28]. The individuals with NTM in Japan and the Philippines were at higher risk for M. abscessus infection whereas Vietnam and Korean patients were often affected by M. fortuitum group infection [27]. M. avium complex (MAC) and RGM including M. abscessus and M. chelonae have been attributed to 85% of pulmonary cases in the United States [31]. Pulmonary diseases are strongly associated with advanced age and more often in women than men [10].

The NTM diseases are generally caused by M. abscessus, M. fortuitum, MAC and M. chelonae. Among them, M. abscessus is often found with rising frequency and is most challenging to treat [32]. The swiftly increasing NTMs are normally associated with catheter infections, post-cosmetic surgery of the soft tissue and skin and pulmonary infections [28]. The clinical implications and location of infection of NTM are listed in Table 1. Several investigations have established that the incidence of NTM diseases are greatly escalating in numerous clinical conditions [21,33,34,35]. The clinical range of the infections is highly connected based on the entry to the host and host susceptibility factors and these infections are multisystem and multigenic-based diseases [21,34]. Disseminated NTM infections typically impact severely immunocompromised patients with primary immunodeficiencies, via inherited or acquired deficiency of the IL-12-IFN-γ pathway, HIV/AIDS, transplant-linked immunosuppression and anti-TNF-α receptor blockers treatment [34,36].

2. NTM의 임상 역학

NTM 질환은 주로 선진국에서 발견되며, 2000년 기준 발생률은 인구 10만 명당 10.6건으로 정점을 기록하였다[25]. 여러 전문가들의 폐 연구에 따르면, 호흡기 NTM은 결핵보다 최소 15배 이상 흔하며 미국에서만 연간 최소 20만 건이 발생할 것으로 추정된다[25].

한국에서는

2016년 비결핵성 마이코박테리아 감염 발생률이

인구 10만 명당 39.6건으로 증가했으며,

연간 발생률은 인구 10만 명당 19.0건으로 추정된다.

독일에서 수행된 연구에 따르면 2009년 비결핵성 마이코박테리아 발생률이 인구 10만 명당 2.3건에서 2014년 3.3건으로 증가한 것으로 보고되었다[26]. 비결핵성 마이코박테리아 질환 발생률과 증가 수준이 유럽[26], 미국[27]에서 더 높은 것으로 나타나는 증거가 있다. 10만 명당 3.3건으로 증가했다고 보고하였다[26]. NTM 질환 발생률과 관련 증거 조각들은 유럽[26], 미국[27,28,29], 일본[30]에서 더 높은 수준이다. 동아시아 지역, 특히 중국, 베트남, 하와이, 필리핀, 일본 및 한국에서 NTM 감염률이 더 높은 것으로 보고되었다[27,28]. 일본과 필리핀의 NTM 환자는 M. abscessus 감염 위험이 더 높았으나, 베트남과 한국의 환자들은 주로 M. fortuitum 그룹 감염에 걸렸다[27]. 미국에서는 폐결핵 사례의 85%가 M. avium complex(MAC) 및 M. abscessus와 M. chelonae를 포함한 RGM에 기인한다[31]. 폐질환은 고령과 밀접한 관련이 있으며 남성보다 여성에서 더 흔히 발생한다[10].

비결핵성 마이코박테리아 질환은

일반적으로 M. abscessus, M. fortuitum, MAC 및 M. chelonae에 의해 유발된다.

이 중 M. abscessus는 발생 빈도가 증가하는 경향이 있으며

치료가 가장 어려운 균종이다[32].

급속히 증가하는 NTM 감염은

일반적으로 카테터 감염, 피부 및 연조직의 미용 수술 후 감염, 폐 감염과 연관된다[28].

NTM의 임상적 함의와 감염 부위는 표 1에 정리되어 있다.

여러 연구에서

NTM 질환의 발생률이 다양한 임상 상황에서 크게 증가하고 있음을 확인하였다[21,33,34,35].

감염의 임상적 범위는

숙주 침입 경로와 숙주 감수성 인자에 크게 좌우되며,

이러한 감염은 다기관성 및 다유전자 기반 질환이다[21,34].

파종성 NTM 감염은

일반적으로 선천성 또는 후천성 IL-12-IFN-γ 경로 결핍, HIV/AIDS,

이식 관련 면역억제, 항-TNF-α 수용체 차단제 치료로 인한 중증 면역결핍 환자(일차 면역결핍증)에게

영향을 미친다[34,36].

표 1. 비결핵성 마이코박테리아(NTM)의 임상적 중요성과 감염 부위.

List of NTM SpeciesClinical Relevance and Possible Site of InfectionReference

M. abscessus	Peripheral blood, peritoneal biopsy, pulmonary and permanent catheter tip.	[2,3,37,38,39,40,41,42,43,44,45]
M. asiaticum	Pulmonary
M. avium	Pulmonary
M. celatum	Pulmonary
M. chelonae	Breast abscesses, blood and peritoneal fluid, pleural fluid
M. flavescens	Pulmonary
M. fortuitum	Ascetic fluid, peritoneal dialysis fluid, pulmonary, lipoid pneumonia, mediastinal infection, a myocardial and abdominal abscess.
M. gastri	Pulmonary
M. gordonae	Urinary tract and rarely liver biopsies
M. intracellulare	Pulmonary and extrapulmonary
M. kansasii	Appendiceal abscess
M. lentiflavum	Extrapulmonary
M. marinum	Wound-elbow and nasal cavity
M. riyadhense	Pulmonary infection, sclerotic lesions, maxillary sinus, dural lesion
M. scrofulaceum	Extrapulmonary
M. simiae	Pulmonary
M. smegmatis	Pulmonary
M. szulgai	Joints/synovial aspiration
M. terrae	Pulmonary
M. xenopi	Pulmonary

Table 1. Clinical significance and site of infection of nontuberculous mycobacteria (NTM).

3. Challenges in Diagnosing and Treatment of NTM Diseases

RGM are usually isolated from blood, sputum or tissues for diagnosis and are often misidentified as diphtheroids. RGM species normally cultivate as routine culture in liquid broth blood culture medium or on solid agars that can grow quickly within seven days. These strains relatively stain with Gram stain not with Ziehl–Neelsen stain to demonstrate the acid-fast characteristics. A fresh young culture of RGM may not constantly show branching or beaded structures and exhibit weakly Gram-positive bacilli, thus misleading the diagnosis and often incorrectly concluded as diphtheroids [46]. NTM in tissue specimens can also be identified based on the molecular method of determination, which includes, 16S rRNA gene sequencing, PCR analysis and HPLC. The diagnosis of NTM often fails to recognize the species and subspecies of the different samples from the affected individual. Most NTM microscopically appears similar to Mycobacterium tuberculosis (MTB), and the colony morphology varies in culture. The culture difference and microscopic appearance are shown in Figure 2. A total of 16S ribosomal RNA sequencing aids in individual NTM species identification [20]. Diagnosis is generally completed by recurrent isolation accompanied by certain clinical and radiological features. There is no explicit treatment of NTM infections and therapy depends upon the particular species and its resistance to antibiotics [47].

3. NTM 질환 진단 및 치료의 어려움

진단을 위해 RGM은 일반적으로

혈액, 가래 또는 조직에서 분리되며 종종 디프테로이드로 오진됩니다.

RGM 종은 일반적으로 액체 배지 혈액 배양 배지 또는 고체 한천 배지에서 일상적인 배양으로 배양되며 7일 이내에 빠르게 성장할 수 있습니다. 이 균주는 산성 내성 특성을 확인하기 위해 지엘-닐슨 염색이 아닌 그람 염색으로 상대적으로 염색된다. RGM의 신선한 초기 배양은 분지 구조나 구슬 모양 구조를 지속적으로 보여주지 않을 수 있으며, 약한 그람 양성 간균을 나타내 진단에 오해를 불러일으키고 종종 디프테로이드로 잘못 결론지어진다 [46]. 조직 검체 내 비결핵성 마이코박테리아(NTM)는 16S rRNA 유전자 염기서열 분석, PCR 분석 및 HPLC를 포함한 분자적 검정법을 통해 식별할 수 있다. NTM 진단은 종종 감염된 개인의 서로 다른 검체에서 종 및 아종을 인식하지 못한다. 대부분의 NTM은 현미경적으로 결핵균(MTB)과 유사하게 보이며, 배양 시 콜로니 형태가 다양하다. 배양 차이와 현미경적 모습은 그림 2에 제시되어 있다. 16S 리보솜 RNA 염기서열 분석은 개별 NTM 종 식별에 도움을 준다[20].

진단은 일반적으로

특정 임상 및 방사선학적 특징과 함께 반복적인 분리 검체를 통해 완료된다.

NTM 감염에 대한 명확한 치료법은 없으며,

치료는 특정 종과 항생제 내성 여부에 따라 달라진다 [47].

Figure 2. NTM and Mycobacterium tuberculosis (MTB) culture and microscopy. (a) NTM grown at 48 h of incubation in LJmedia with typical characteristics of moist, smooth glistening yellow colonies; (b) MTB grown at six weeks of incubation in LJ media with typical characteristics of rough, buff yellow-colored cauliflower-like colonies; (c) Long and slender pink-colored acid-fast tuberculous mycobacteria by Ziehl–Neelsen stain (100×). The above culture images differentiate the NTM and MTB with almost similar microscopical image.

그림 2. NTM 및 결핵균(MTB) 배양 및 현미경 소견. (a) LJ 배지에서 48시간 배양된 NTM으로, 촉촉하고 매끄러우며 반짝이는 노란색 콜로니라는 전형적 특징을 보임; (b) LJ 배지에서 6주간 배양된 MTB로 거칠고 황갈색의 콜리플라워 모양 콜로니라는 전형적 특징을 보임; (c) 지엘-닐슨 염색법으로 확인된 길고 가느다란 분홍색의 산성불감성 결핵균 (100배). 상기 배양 이미지는 거의 유사한 현미경적 영상으로 NTM과 MTB를 구분함.

The diagnosis of NTM are difficult to confirm‎ using acid-fast microscopy, which is the primary diagnostic tool for TB in numerous developing nations. As an outcome, most cases of NTM causing pulmonary infections are not recognized and eventually treated with traditional anti-TB medications. These treatments often fail because NTM are mostly resistant to anti-TB therapy [48]. Hence, in developed nations, caseloads of 8.6/100,000 total population and 20.4/100,000 population over 50 years old are typical [49]. In developing nations, the occurrence rate and diagnosis of NTM cannot be observed due to the lack of laboratory arrangement and identification of mycobacteria. Hence, the escalating rate of pathogenic NTM in developing nations has been greater particularly with the advent of HIV/AIDS patients. Normally, HIV/AIDS individuals with severe immunosuppression are at high risk of NTM infections, which often cause localized or disseminated infections [50]. In addition, the failure of NTM treatment can frequently occur due to resistance to some of the available antibiotics (Table 2).

NTM 진단은 산성 내성 현미경 검사로 확인하기 어려우며, 이는 다수 개발도상국에서 결핵의 주요 진단 도구이다. 결과적으로 폐 감염을 유발하는 대부분의 NTM 사례는 인식되지 못한 채 결국 기존 결핵 치료제로 치료된다. 이러한 치료는 NTM이 대부분 결핵 치료제에 내성을 가지기 때문에 종종 실패한다 [48]. 따라서 선진국에서는 전체 인구 10만 명당 8.6건, 50세 이상 인구 10만 명당 20.4건의 발생률이 일반적이다[49]. 개발도상국에서는 실험실 시설 부족과 마이코박테리아 동정 기술 미비로 인해 NTM의 발생률과 진단 현황을 파악하기 어렵다. 따라서 개발도상국에서 병원성 NTM의 증가율은 특히 HIV/AIDS 환자 증가와 함께 더욱 가속화되었다.

일반적으로

심각한 면역억제를 보이는 HIV/AIDS 환자는

NTM 감염 위험이 높으며,

이는 국소적 또는 전신성 감염을 유발하는 경우가 많다[50].

또한 사용 가능한 항생제 일부에 대한 내성으로 인해

NTM 치료 실패가 빈번히 발생할 수 있다(표 2).

Table 2. Various treatment recommendations for NTM [51,52].

In addition, using these chemical agents produce various complications including, diarrhea, headache, renal failure and colitis. Mycobacteriosis is an acute/chronic, systemic, granulomatous disease caused by NTM, which is extremely challenging in selecting effective antimicrobial therapy based on the antimicrobial resistance [53]. The RGM involves individualized treatment according to the outcomes found in vitro vulnerability tests for cefoxitin, amikacin, clarithromycin, sulfamethoxazole, ciprofloxacin, imipenem and doxycycline [54]. The M. fortuitum and M. chelonae are members of M. abscessus complex and M. massiliense, M. abscessus and M. bolletii are subspecies, which are the chief NTM related to cutaneous tissue involvement [55]. All these mycobacteria are regularly found with several skin lesions, however M. fortuitum is often found in a sole lesion [33]. The susceptibility to antimicrobials generally depends upon the individual species. M. abscessus complex is likely to be vulnerable to the cocktail of amikacin, azithromycin, imipenem and cefoxitin, since, it is known that clarithromycin resistance due to the occurrence of the erm41 gene [56].

표 2. NTM에 대한 다양한 치료 권고사항 [51,52].

또한 이러한 화학 약제 사용은

설사, 두통, 신부전 및 대장염을 포함한 다양한 합병증을 유발합니다.

마이코박테리아증은 NTM에 의해 유발되는 급성/만성 전신성 육아종성 질환으로,

항생제 내성에 기반한 효과적인 항균 요법 선택이 극히 어렵습니다 [53] .

RGM은

세포독성, 아미카신, 클라리트로마이신, 설파메톡사졸, 시프로플록사신, 이미페넴 및 독시사이클린에 대한

체외 감수성 검사 결과를 바탕으로 개별화된 치료를 포함합니다 [54].

M. fortuitum과 M. chelonae는 M. abscessus 복합체의 구성원이며,

M. massiliense, M. abscessus 및 M. bolletii는 아종으로,

피부 조직 침범과 관련된 주요 비결핵성 마이코박테리아(NTM)이다 [55].

이러한 모든 마이코박테리아는 여러 피부 병변에서 흔히 발견되나, M. fortuitum은 단독 병변에서 주로 발견된다[33]. 항생제 감수성은 일반적으로 개별 종에 따라 달라진다. M. abscessus 복합체는 아미카신, 아지트로마이신, 이미페넴, 세폭시틴의 복합 항생제 요법에 취약할 가능성이 높다. 이는 erm41 유전자 발생으로 인한 클라리트로마이신 내성이 알려져 있기 때문이다 [56].

생체 내 연구에 따르면

비결핵성 마이코박테리아 분리주는 아지트로마이신 또는 클라리트로마이신에 내성을 보인다 [56,57].

아지트로마이신은 일반적으로 M. abscessus 감염에 선호되는 항생제이며,

M. massiliense의 경우 아지트로마이신 또는 클라리트로마이신이 매우 효과적이다[56,57].

M. fortuitum, M. abscessus 및 M. chelonae는 기존의 모든 결핵 치료제에 내성을 보인다[10,56,57]. M. fortuitum은 아미카신, 트리메토프림-설파메톡사졸, 아지트로마이신 또는 클라리트로마이신, 플루오로퀴놀론계 항생제 및 독시사이클린에 매우 민감합니다. M. chelonae 또한 아지트로마이신 또는 클라리트로마이신, 토브라마신, 플루오로퀴놀론계 항생제 및 세폭시틴에 종종 민감합니다 [55]. 치료 지침은 다양한 NTM 종에 대한 항균 치료와 관련하여 임상적 생체 내 시험을 바탕으로 항결핵제 복합 요법 선택을 개선하기 위해 NTM의 감수성 검사를 수행할 것을 권고한다. 미생물학적 관점에서 NTM의 이질성은 정교하고 신속한 실험실 기술을 필요로 한다. 현재 NTM 질환의 약물 치료는 까다롭고 종종 병원체의 장기적 제거를 달성하지 못한다. 또한, 특히 면역결핍 환자에게 심각한 이 NTM 질환의 효과적 치료를 위해 새로운 치료제나 치료법 및 용량 요법을 모색하는 것이 필수적이다. 따라서 대체 치료 요법을 찾는 것이 필요하다.

대체 자원 중 하나는

치료적 특성으로 잘 알려진 전통 약용 식물 또는 그 유도체이다.

대부분의 연구자들은

천연물의 자연적 기원, 낮은 독성 및 적은 부작용으로 인해

이를 긍정적으로 접근하고 있다[3,58,59,60,61,62,63,64,65,66].

특히 폐 감염에 전통적으로 사용되는 이러한 약용 식물의 항마이코박테리아 효과 시험은 중요하다.

In vivo study demonstrates that NTM isolates show resistance to azithromycin or clarithromycin [56,57]. Azithromycin is normally the desired antibiotic for M. abscessus infections, while azithromycin or clarithromycin is highly efficient in the cases of M. massiliense [56,57]. M. fortuitum, M. abscessus and M. chelonae are resistant to all of the existing anti-TB agents [10,56,57]. M. fortuitum is highly susceptible to amikacin, trimethoprim-sulfamethoxazole, azithromycin or clarithromycin, fluoroquinolones and doxycycline. M. chelonae is also often susceptible to azithromycin or clarithromycin, tobramycin, fluoroquinolones and cefoxitin [55]. The guideline of the therapy recommends performing susceptibility testing of NTM to enhance the option of a cocktail of the antimycobacterial drug relates clinically in vivo trials to antimicrobial treatment for various species of NTM. From the microbiologic perspective, heterogeneity of NTM needs sophisticated and rapid laboratory techniques. Since the present pharmacological treatment of NTM diseases are tricky, and often fails to scope the long-term removal of pathogens. Moreover, it is obligatory to hunt novel agents or treatment and dosage regimens for effective treatment of these NTM diseases, specifically serious in immunocompromised individuals. Hence, it is necessary to find alternative remedial regimens. One of the alternative resources is traditional medicinal plants or their derivatives, which are well-known for their therapeutic properties. Most of the researchers have a positive approach toward natural products due to their natural origin and low noxious with fewer side effects [3,58,59,60,61,62,63,64,65,66]. A trial of anti-Mycobacterial effects of these medicinal plants, particularly those that are conventionally used for pulmonary infections is significant.

Natural products as a source of medicine are potentially valuable due to their natural origin and low toxicity with lesser side effects. Medicinal herbs with the traditional practice of crude extracts or active principles have been widely used for treating and averting human illnesses for many centuries. These ethnopharmacological techniques have been reinforced to yield bioactive compounds that support to improve modern medicine as beneficial tools [67,68,69,70]. Bioactive compounds often contribute a noteworthy function in drug finding by helping as a novel drug of interest and templates for synthetic agents [71,72,73]. Copious investigations have established that natural bioactive compounds have possible antimycobacterial activities [2,60,74,75]. The single-handed practice of bioactive compounds or cocktails with classical antibiotics signifies a greater alternative treatment. Additionally, the cocktails of those antimicrobial agents often require only a minor amount. Therefore, this smaller amount may provide less toxicity to the host, ensuring great lenience to the antibacterial drugs. Grounded on the existing information, there has been inadequate literature regarding antimycobacterial phytocompounds [76,77,78,79]. Thus, the present review aims to emphasize the antimycobacterial effects of flavonoids and their underlying mechanisms.

The literature of flavonoids and antimycobacterial effects were obtained in electronic search using Google Scholar, Science Direct and PubMed The following keywords were used in the Title/Abstract/Keywords: “flavonoids” and “antimycobacterial” or “Nontuberculous mycobacteria” or “M. fortuitum or M. abscessus or M. chelonae,” and checking all available findings of clinical, in vivo and in vitro connection among flavonoids and their antimycobacterial effects. The underlying antimycobacterial mechanism was composed and organized in a suitable place.

의약품 원천으로서 천연물은

자연적 기원, 낮은 독성 및 적은 부작용으로 인해 잠재적으로 가치 있다.

전통적으로 원추출물이나 활성 성분을 활용한 약용초는

수세기 동안 인간 질병 치료 및 예방에 널리 사용되어 왔다.

이러한 민족약리학적 기법은

현대 의학을 개선하는 유용한 도구로서 생리활성 화합물을 생산하기 위해 강화되어 왔다 [67,68,69,70].

생리활성 화합물은

종종 신약 후보물질 및 합성제 개발의 모델로서 역할을 하여

신약 발굴에 주목할 만한 기여를 한다[71,72,73].

다수의 연구를 통해 천연 생리활성 화합물이 항결핵 활성을 가질 가능성이 입증되었다[2,60,74,75].

생리활성 화합물 단독 또는 기존 항생제와의 복합 투여는

더 나은 치료 대안을 제시한다.

또한,

이러한 항균제 혼합물은

종종 소량만으로도 효과를 발휘한다.

따라서

적은 양으로 투여할 경우 숙주에 대한 독성을 낮출 수 있어

항균제에 대한 내성을 확보하는 데 유리하다.

기존 정보를 바탕으로,

항결핵성 식물성 화합물에 관한 문헌은 여전히 부족하다 [76,77,78,79].

따라서 본 리뷰는

플라보노이드의 항결핵 효과와 그 기저 메커니즘을 강조하는 것을 목표로 한다.

플라보노이드와 항결핵 효과에 관한 문헌은 Google Scholar, Science Direct 및 PubMed를 이용한 전자 검색을 통해 수집되었습니다. 제목/초록/키워드에는 다음 키워드가 사용되었습니다: “flavonoids” 및 “antimycobacterial” 또는 “Nontuberculous mycobacteria” 또는 “M. fortuitum 또는 M. abscessus 또는 M. chelonae”를 검색어로 사용하여 플라보노이드와 그 항결핵 효과 간의 임상적, 생체 내 및 생체 외 연관성에 관한 모든 이용 가능한 연구 결과를 확인하였다. 항결핵 작용 기전은 적절한 위치에 구성 및 정리하였다.

4. Flavonoids

Most commonly the flavonoids are the secondary metabolites of the plant kingdom with well-known wide-ranging classes of polyphenols. They normally exist in all kinds of vegetables, fruits and beverages [80,81,82,83,84]. WHO estimated that 25% of existing drugs are derived from plants used in folk medicine [85,86]. Besides the long-established clinical use, the plant-derived compounds display good tolerance and acceptance among patients and seem like a credible source of antimicrobial compounds. Among 109 new antibacterial drugs, approved in the period 1981–2006, 69% originated from natural products [87]. One of the major groups of phytochemicals that has been studied extensively for their antimicrobial properties are flavonoids [66,88]. Flavonoids are organized with the structure of two phenyl rings fixed with the heterocyclic ring as C6-C3-C6 and arranged up to a skeleton of 15-carbon. They are classified into many subclasses based on variation in the central carbon ring viz., flavanones, flavonols, flavones, flavan, isoflavones and anthocyanidins [89]. There has been accumulating scientific interest in the study range of flavonoids that demonstrate the following pharmacological functions: antioxidant [90,91], antidiabetic and anti-obesity [92,93], hypolipidemic [94], anti-inflammatory [95], antimicrobial [96,97,98], anticancer [99,100,101], anti-aging [102], antiallergic and antithrombotic [103], hepatoprotective [104,105,106,107], cardioprotective [108], neuroprotective [109], nephroprotective [110], protect from lung injury [111] and improving endothelial function, adjourning age-related cognitive and neurodegenerative diseases [112,113]. The evidence has validated that the prolonged consumption of dietary flavonoids at higher quantity has also produced minor side effects, which may arise due to the shortage of bioavailability and gut permeability as well as the greater metabolic rate [114]. Moreover, the intake of flavonoids produces a poor absorption coefficient, which may cause only minor toxicity to animals and humans [115,116]. All of these data support investigations to discover and inspect the attractive healing indices of Flavonoids concerning human wellbeing. The daily intake of dietary flavonoids is estimated to be about 1–2.5 g; flavonols and flavones have been found to be 23 mg [114,117]. Hence, regular intake of flavonoids could be favorable in preventing or treating various illnesses and improving health outcomes.

4. 플라보노이드

플라보노이드는 일반적으로 식물계의 2차 대사산물로,

잘 알려진 광범위한 폴리페놀 계열에 속합니다.

이들은 일반적으로 모든 종류의 채소, 과일 및 음료에 존재합니다 [80,81,82,83,84].

WHO는 기존 약물의 25%가 민간 의학에 사용되는 식물에서 유래된 것으로 추정합니다 [85,86]. 오랜 임상적 사용 외에도, 식물 유래 화합물은 환자들 사이에서 우수한 내약성과 수용성을 보이며 항균 화합물의 신뢰할 만한 공급원으로 여겨진다.

1981년부터 2006년 사이에 승인된

109종의 신규 항균제 중 69%가 천연물에서 유래하였다[87].

항균 특성에 대해 광범위하게 연구된 주요 식물 화학물질 그룹 중 하나는

플라보노이드이다 [66,88].

플라보노이드는

이환 고리(heterocyclic ring)를 C6-C3-C6 구조로 고정된 두 개의 페닐 고리로 구성되며,

최대 15탄소 골격까지 배열된다.

플라보노이드는 중심 탄소 고리의 변이에 따라

플라바논, 플라보놀, 플라본, 플라반, 이소플라본, 안토시아니딘 등

여러 하위 분류로 구분된다[89].

플라보노이드 연구 범위에는 다음과 같은 약리학적 기능을 나타내는 물질들에 대한 과학적 관심이 지속적으로 증가하고 있다: 항산화 [90,91], 항당뇨 및 항비만 [92,93], 지질강하 [94], 항염증 [95], 항균 [96,97,98], 항암 [99,100,101], 항노화 [102], 항알레르기 및 항혈전 [103], 간보호 [104,105,106,107], 심장보호 [108], 신경보호 [109], 신장보호 [110], 폐 손상 방지 [111], 내피 기능 개선, 노화 관련 인지 및 신경퇴행성 질환 지연 [112,113] . 증거에 따르면, 식이 플라보노이드를 장기간 다량 섭취할 경우 생체이용률 및 장 투과성 부족과 높은 대사율로 인해 경미한 부작용이 발생할 수 있음이 입증되었다[114].

또한 플라보노이드 섭취는 낮은 흡수 계수를 보이며, 이는 동물과 인간에게 경미한 독성만을 유발할 수 있다[115,116]. 이러한 모든 데이터는 인간 건강과 관련된 플라보노이드의 유망한 치료 지표를 발견하고 검증하기 위한 연구를 뒷받침한다. 식이 플라보노이드의 일일 섭취량은 약 1~2.5g으로 추정되며, 플라보놀과 플라본은 23mg으로 확인되었다 [114,117].

따라서

플라보노이드의 정기적 섭취는

다양한 질병 예방 또는 치료 및 건강 결과 개선에 유리할 수 있다.

5. Anti-Nontuberculous Mycobacterial Efficacy and Mechanisms

Flavonoids have been used in the treatment of the wide spectrum of human illnesses since time immemorial [118,119,120]. Flavonoids may inhibit NTM growth with various underlying mechanisms, including

inhibiting cell wall formation, biofilm formation, bacterial DNA synthesis and

efflux mediated pumping systems.

In addition, the mixture of flavonoids with antimycobacterial agents may be a greater approach to combat mycobacterial infections and microbial resistance.

5. 비결핵성 마이코박테리아(NTM)에 대한 효능 및 기전

플라보노이드(한약)는

오랜 세월 동안 다양한 인간 질환 치료에 사용되어 왔다[118,119,120].

플라보노이드는

세포벽 형성 억제,

생물막 형성 억제,

세균 DNA 합성 억제,

배출 매개 펌프 시스템 억제 등 다양한 기전을 통해 NTM의 성장을 억제할 수 있다.

inhibiting 

cell wall formation, biofilm formation, bacterial DNA synthesis and

efflux mediated pumping systems.

또한 플라보노이드와 항마이코박테리아제(抗mycobacterial agents)의 혼합은 마이코박테리아 감염 및 미생물 내성 퇴치를 위한 더 효과적인 접근법이 될 수 있습니다.

5.1. Inhibition of Cell Wall Formation

Flavonoids inhibit bacterial growth, microbial adhesions and cell wall or transport proteins [121]. Some anti-NTM drugs normally damage the cell membrane’s integrity that leads to the leakage of intracellular components, which leads to alterations in membrane permeability. Flavonoids can also damage the cell wall of bacteria [121]. Body cells and tissues are continuously threatened by the injury caused by free radicals and reactive oxygen species (ROS) which are produced during normal oxygen metabolism or are induced by exogenous damage [122]. Eventually, these excess ROS can produce unadorned oxidative stress to the bacterial cell membrane leads to increased permeability, nucleic acid damage and oxidation of protein and fatty acids in the membrane (Figure 3) [123,124,125]. Unfortunately, these free radicals can attract various inflammatory mediators in the host, contributing to a general inflammatory response and host tissue damage. These elevated ROS species cause depletion of the endogenous scavenging compounds and reduced the levels of antioxidant equilibrium. Flavonoids may have an additive effect on the endogenous scavenging compounds and abolish the effect of the free radical causing inflammatory response and combat to regulate antioxidant levels in the host [126]. Flavonoids are measured as effective ROS scavengers however, the level of flavonoid in human plasma and most tissues is too little to effectively reduce ROS [127]. Moreover, flavonoid as ROS scavenger usage should be carefully measured, since low levels of ROS are, on the contrary, beneficial for bacteria and can persuade resistance. Therefore, the function of flavonoids as an antimicrobial potentiator should rather be related to the regulation of the activities of different proteins and molecular processes, and there is a need for further investigations, specifically regarding their synergistic action.

5.1. 세포벽 형성 억제

플라보노이드는

세균 증식, 미생물 부착 및 세포벽 또는 수송 단백질을 억제합니다[121].

일부 비결핵성 마이코박테리아(NTM) 치료제는 일반적으로 세포막 무결성을 손상시켜 세포 내 성분 누출을 유발하며, 이는 막 투과성 변화를 초래합니다. 플라보노이드는 또한 세균의 세포벽을 손상시킬 수 있습니다[121]. 신체 세포와 조직은 정상적인 산소 대사 과정에서 생성되거나 외인성 손상에 의해 유발되는 자유 라디칼 및 활성산소종(ROS)에 의한 손상으로 지속적으로 위협받습니다 [122]. 결국 이러한 과잉 ROS는 세균 세포막에 직접적인 산화 스트레스를 유발하여 투과성 증가, 핵산 손상 및 막 내 단백질과 지방산의 산화를 초래합니다(그림 3) [123,124,125]. 안타깝게도 이러한 자유 라디칼은 숙주 내 다양한 염증 매개체를 유인하여 전반적인 염증 반응과 숙주 조직 손상에 기여한다. 증가된 ROS 종은 내인성 소거 화합물의 고갈을 유발하고 항산화 균형 수준을 저하시킨다. 플라보노이드는 내인성 소거 화합물에 대한 가산 효과를 나타내며, 염증 반응을 유발하는 자유 라디칼의 효과를 제거하고 숙주 내 항산화 수준 조절에 기여할 수 있다 [126].

플라보노이드는

효과적인 ROS 제거제로 평가되지만,

인간 혈장 및 대부분의 조직 내 플라보노이드 농도는

ROS를 효과적으로 감소시키기에 너무 낮습니다[127].

더욱이, 플라보노이드를 ROS 제거제로 사용할 때는 신중히 조절해야 합니다. 낮은 수준의 ROS는 오히려 박테리아에 유익할 수 있으며 내성을 유발할 수 있기 때문입니다. 따라서 플라보노이드의 항균 증강제 기능은 오히려 다양한 단백질 및 분자 과정의 활성 조절과 관련이 있을 것이며, 특히 시너지 작용에 관한 추가 연구가 필요하다.

Figure 3. Mechanism of antimycobacterial activity of flavonoids.

Fathima and Rao [128] described that the flavonoid catechin plays a bactericidal action through the oxidative burst and generation of ROS that causes a change in the membrane permeability and membrane injury. Similarly, liposome studies also confirmed membrane disruption during oxidative stress which occurs only at high concentrations of epigallocatechin gallate [129]. Quercetin from propolis (natural resinous mixture produced by honey bees, that have potential antimicrobial applications: upper respiratory tract infections, common cold, wound healing, treatment of burns, acne, herpes simplex and genitalis and neurodermatitis) causes a decrease of proton-motive force and increased membrane permeability in the bacterium which has been employed by the synergistic activity of quercetin with antibiotics, including ampicillin and tetracycline [130,131]. Additionally, flavones- acacetin and apigenin, as well as flavonols morin and rhamnetin caused destabilization of the membrane structure by disordering and disorientation of the membrane lipids and induced leakage from the vesicle [132]. Lipid peroxidation has been shown to destroy the bacterial cell wall and alter membrane potential, ensuing augmented permeability, decreased fluidity and disruption of phospholipids [76]. The connection between the lipid bilayer and production of ROS is often linked in the malondialdehyde production that is the key marker of lipid peroxidation. This lipid peroxidation is not only harmful to the bacterial lipid bilayer, but also affects the host cell membrane. Ethyl acetate leaves extract of Aegle tamilnadensis and Schkuhria pinnata and their active principles of flavonoids have exerted antioxidant and antimycobacterial activity against M. smegmatis with MIC range of 0.01 to 2.50 mg/mL [76,133]. Four well-known testing systems were carried out in this study to assess the antioxidant potential viz., lipid peroxidation inhibition, nitric oxide radical inhibition, ferric thiocyanate and ABTS radical scavenging assay. Based on the findings, ethyl acetate extract demonstrated a noteworthy antioxidant activity and significant antimycobacterial activity [76,133].

Further several research groups have investigated either isolated or identified the structure of flavonoids that possess antibacterial activity and quantified the activity of commercially available flavonoids. For instances, flavonoids such as apigenin [134], galangin [135], pinocembrin [136], ponciretin [137], genkwanin [138], sophoraflavanone G [139], naringin and naringenin [140,141], epigallocatechin gallate and its derivatives [129], luteolin and luteolin 7-glucoside [142,143,144,145], quercetin [130,131], 3-O-methylquercetin and various quercetin glycosides and kaempferol and its derivatives [85,86,146]. Other flavones [147], flavone glycosides [148], isoflavones [149], flavanones [150], isoflavanones [146], isoflavans [151], flavonols [152], flavonol glycosides and chalcones [152] have potential antibacterial activities.

Heritiera littoralis Dryand mangrove flora produces novel flavonoids; tribuloside, afzelin, and astilbin that were revealed to possess antimycobacterial activity against the various species of NTM with a minimum inhibitory concentration (MIC) of 5.0 mg/mL. All these flavonoids exhibited growth inhibition of NTM while co-administered with standard anti-TB drugs [153]. 2,3,4-trihydroxy-5-methylacetophenone obtained from palmyra palm (Borassus flabellifer Linn.) showed potential antimycobacterial activity against M. smegmatis with MIC of 10.0 µg/mL [154]. Another study in 2014 showed that total flavonoid contents obtained from fourteen edible plants possess a potent antioxidant (IC50 values of DPPH: 8.15 μg/mL; ABTS: 9.16 μg/mL and TEAC: 0.75), antimycobacterial (M. smegmatis and M. fortuitum: MIC value of 78 μg/mL) and the cytotoxic activities (LC50 values stretching from 33 to 102 μg/mL) [155]. Lipophilic flavonoids which are highly hydroxylated can be more disruptive for membrane structure [156,157]. Hence, it is worth observing that the flavonoids decrease the bacterial toxin secretion by damaging the membrane [158,159].

Amikacin is a semi-synthetic aminoglycoside extensively used to treat disease caused by NTM and gentamicin resistant Gram-negative bacterium. Conversely, the clinical use of drugs regularly causes ototoxicity due to the generation of ROS. A natural flavonoid, galangin pretreatment demonstrated to provide defensive functions against amikacin-provoked mitochondrial dysfunction by decreasing ROS generation [160]. The antioxidant properties of quercetin-3-O-β-d-glucoside prevent the formation of biofilm and encourage membrane disturbances, ensuing shrinkage of size and outflow of intracellular constituents of M. smegmatis [161]. In addition, quercetin accelerates the inhibition of mycobacterial glutamine synthetase. Glutamine synthetase is the key enzyme involved in virulence factors, as well as pathogenesis that had been recognized as a possible antibiotic target [162,163]. This enzyme is normally found in the outer membrane of pathogenic mycobacteria that crucially involves in the synthesis of poly-l-glutamate–glutamine. quercetin plays a key function in regulating the cellular levels of NH3 in the infected host and eliminate the pathogen through phagosome acidification and phagosome-lysosome fusion [161].

Fatty acid synthase II (FAS-II) is a key enzyme, requires endogenous fatty acid synthesis in the bacterial membrane, represents a possible target for novel antimycobacterial agents [164]. FAS-I is accountable for de novo fatty acid (FA) synthesis to form FA chain elongation (16–24 carbons) and then lengthened by the FAS-II monofunctional enzymes to yield long-chain fatty acids (36–48 carbons) and mycolic acids. Mutation of monofunctional enzymes often provides drug resistance to the mycobacteria [165]. Flavonoids such as isoliquiritigenin, butein, fisetin and 2,2′,4′-trihydroxychalcone prevent the growth of M. smegmatis by targeting the dehydratase enzyme of FAS-II [164]. d-alanine-d-alanine ligase is an enzyme involved in cell wall synthesis. Another study has also confirmed that quercetin and apigenin (4′,5,7-trihydroxyflavone) inhibit ATP binding pocket of d-alanine-d-alanine ligase and prevent bacterial peptidoglycan synthesis [166].

Fathima와 Rao [128]에 따르면 플라보노이드 카테킨은

산화적 폭발과 ROS 생성을 통해 세균 살상 작용을 하며,

이는 세포막 투과성 변화와 막 손상을 유발한다.

마찬가지로 리포좀 연구에서도

에피갈로카테킨 갈레이트 고농도에서만 발생하는 산화 스트레스 시 세포막 파괴가 확인되었다[129].

프로폴리스(꿀벌이 생산하는 천연 수지 혼합물로 항균 적용 가능성이 있음: 상부 호흡기 감염, 감기, 상처 치유, 화상 치료, 여드름, 단순 포진 및 생식기 포진, 신경 피부염)은 세균 내 양성자 동력력 감소와 막 투과성 증가를 유발하며, 이는 퀘르세틴과 암피실린, 테트라사이클린을 포함한 항생제의 시너지 작용에 의해 활용되었다[130,131]. .

또한 플라본류인 아카세틴과 아피게닌, 플라보놀류인 모린과 람네틴은

막 지질의 무질서화와 방향 상실로 막 구조를 불안정화시키고 소포체 누출을 유발하였다[132].

지질 과산화는 세균 세포벽을 파괴하고 막 전위를 변화시켜 투과성 증가, 유동성 감소 및 인지질 파괴를 초래하는 것으로 밝혀졌다 [76]. 지질 이중층과 활성산소종(ROS) 생성 간의 연관성은 지질 과산화의 핵심 지표인 말론디알데히드 생성과 종종 연결된다. 이러한 지질 과산화는 세균 지질 이중층에 해로운 영향을 미칠 뿐만 아니라 숙주 세포막에도 영향을 미친다. 에틸 아세테이트 추출물인 Aegle tamilnadensis 및 Schkuhria pinnata 추출물과 그 활성 성분인 플라보노이드는 M. smegmatis에 대해 MIC 범위 0.01~2.50 mg/mL로 항산화 및 항결핵균 활성을 나타냈다[76,133]. 본 연구에서는 항산화 잠재력을 평가하기 위해 지질 과산화 억제, 일산화질소 라디칼 억제, 티오시안산철(III) 및 ABTS 라디칼 소거 분석 등 네 가지 잘 알려진 시험 시스템을 수행하였다. 연구 결과에 따르면, 에틸 아세테이트 추출물은 주목할 만한 항산화 활성과 상당한 항결핵균 활성을 나타냈다[76,133].

또한 여러 연구 그룹이 항균 활성을 지닌 플라보노이드를 분리하거나 구조를 규명하고, 시판되는 플라보노이드의 활성을 정량화하는 연구를 수행해왔다. 예를 들어, 아피게닌[134], 갈랑긴[135], 피노켐브린[136], 폰시레틴[137], 겐쿠와닌[138], 소포라플라바논 G[139], 나린진 및 나린게닌[140,141], 에피갈로카테킨 갈레이트 및 그 유도체[129], 루테올린 및 루테올린 7-글루코사이드[142,143,144,145], 케르세틴[130,131], 3-O-갈루코실-3-O-메틸-3-O-갈루코사일-3-O-메틸-3-O-갈루코사일-3-O-메틸-3-O-갈루코사일-3-O-메틸-3-O-갈루코사일-3-O-메틸-3-O-갈루코사일-3-O-메틸-3-O-갈루코사일-3-O-메틸-3-O-갈루코사 [129], 루테올린 및 루테올린 7-글루코사이드 [142,143,144,145], 케르세틴 [130,131], 3-O-메틸케르세틴 및 다양한 케르세틴 글리코사이드, 그리고 캠페롤 및 그 유도체 [85,86,146] 등이 있습니다. 기타 플라본[147], 플라본 글리코사이드[148], 이소플라본[149], 플라바논[150], 이소플라바논[146], 이소플라반[151], 플라보놀[152], 플라보놀 글리코사이드 및 칼콘[152]은 잠재적인 항균 활성을 가지고 있다.

해안성 헤리티에라(Heritiera littoralis Dry.) 및 맹그로브 식물상은

트리불로사이드, 아프젤린, 아스틸빈과 같은 새로운 플라보노이드를 생성하며,

이들 화합물은 비결핵성 마이코박테리아(NTM) 다양한 종에 대해

최소억제농도(MIC) 5.0 mg/mL의 항결핵균 활성을 나타냄이 밝혀졌다.

이들 모든 플라보노이드는 표준 항결핵제와 병용 투여 시 NTM의 성장을 억제하였다 [153]. 팔미라 야자(Borassus flabellifer Linn.)에서 추출한 2,3,4-트리하이드록시-5-메틸아세토페논은 M. smegmatis에 대해 MIC 10.0 µg/mL의 항결핵균 활성을 나타냈다[154]. 2014년 또 다른 연구에서는 14종의 식용 식물에서 추출한 총 플라보노이드 함량이 강력한 항산화 활성(DPPH에 대한 IC50 값: 8.15 μg/mL; ABTS: 9.16 μg/mL, TEAC: 0.75), 항결핵균(M. smegmatis 및 M. fortuitum: MIC 78 μg/mL) 및 세포독성 활성(LC50 33~102 μg/mL)을 나타냄[155]. [155]. 고도로 하이드록실화된 친유성 플라보노이드는 막 구조에 더 큰 교란 효과를 나타낼 수 있다 [156,157]. 따라서 플라보노이드가 막 손상을 통해 세균 독소 분비를 감소시킨다는 점은 주목할 만하다 [158,159].

아미카신은

비결핵성 마이코박테리아(NTM) 및 겐타마이신 내성 그람음성균에 의한 질환 치료에 광범위하게 사용되는

반합성 아미노글리코사이드 항생제이다.

반면, 이 약물의 임상적 사용은

활성산소종(ROS) 생성에 따른 이독성을 정기적으로 유발한다.

천연 플라보노이드인 갈랑긴 전처리는 ROS 생성을 감소시켜

아미카신에 의해 유발된 미토콘드리아 기능 장애에 대한 방어 기능을 제공하는 것으로 입증되었다 [160].

케르세틴-3-O-β-d-글루코사이드의 항산화 특성은

생물막 형성을 방지하고 막 교란을 촉진하여,

M. smegmatis의 크기 축소 및 세포 내 구성 성분의 유출을 초래한다 [161].

또한 케르세틴은

마이코박테리아 글루타민 합성효소의 억제를 가속화합니다.

글루타민 합성효소는 병원성 인자와 병인에 관여하는 핵심 효소로,

항생제 표적 가능성으로 인식되어 왔습니다[162,163].

이 효소는 일반적으로 병원성 마이코박테리아의 외막에서 발견되며, 폴리-L-글루타메이트-글루타민 합성에 결정적으로 관여한다. 케르세틴은 감염된 숙주 내 세포 내 NH3 수준 조절에 핵심적인 역할을 하며, 식세포소 산성화 및 식세포소-리소좀 융합을 통해 병원체를 제거한다 [161].

지방산 합성효소 II(FAS-II)는 세균막 내 내인성 지방산 합성에 필수적인 핵심 효소로, 새로운 항마이코박테리아제 개발의 잠재적 표적입니다 [164]. FAS-I는 지방산(FA)의 신규 합성을 담당하여 FA 사슬 연장(16–24개 탄소)을 형성한 후, FAS-II 단일 기능 효소에 의해 연장되어 장쇄 지방산(36–48개 탄소)과 마이콜산을 생성한다. 단일 기능 효소의 돌연변이는 종종 마이코박테리아에 대한 약물 내성을 제공한다 [165]. 이솔리퀴리티게닌, 부테인, 피세틴, 2,2′,4′-트리하이드록시칼콘과 같은 플라보노이드는 FAS-II의 탈수효소(dehydratase)를 표적으로 하여 M. smegmatis의 성장을 억제한다[164]. d-알라닌-d-알라닌 리가아제는 세포벽 합성에 관여하는 효소이다. 또 다른 연구에서도 케르세틴과 아피게닌(4′,5,7-트리하이드록시플라본)이 d-알라닌-d-알라닌 리가제의 ATP 결합 포켓을 억제하고 박테리아의 펩티도글리칸 합성을 방지한다는 사실이 확인되었습니다 [166].

5.2. Inhibition of Biofilm Formation

The biofilm formation is normally associated with virulence, pathogenicity, resistance to antibacterial substances and survival in the environment [167]. Antibacterial resistance of biofilm-developing mycobacteria may cause the failure of the treatment, and biofilms must be materially exterminated to resolve the infection. The formation of biofilms provides relationships among microbial populations with a high spectrum of colonization and functional activities. They form on many surfaces including, human tissue, medical equipment, plumbing pipes and drinking water systems [168]. In hospital wards, the development of biofilms on ventilators and hospital apparatus that permits pathogens to continue as pools which may freely spread to patients. After invading into the host, these biofilms let pathogens disrupt the host immune systems and can persist for a long-time [169]. Studies have also supported that tap water functions as a primary source for human colonization and/or infection outbreak of NTM [169,170]. The developed biofilms often contain M. fortuitum, which produce biofilm-dispersing agents such as biosurfactant. Moreover, M. chelonae and M. fortuitum developed thick biofilms with asymmetrical forms that were comparatively resistant to available antibiotics even at 10× MIC [169].

The hydrophobicity and metal resistance of mycobacteria often permits adhesion of cells and the successive development of biofilms on aquatic surface later. In addition, NTM in tap water are normally able to survive and are often resistant to the chemicals glutaraldehyde and chlorine [169,170]. The proliferation of these NTM from standing biofilms that can aid the spread of infections to individuals, demonstrates a noteworthy health risk in hospital environments [171]. Novel approaches with potential antibiofilm agents that improve treatment efficacy must be developed which is urgently necessary for the suitable therapy of NTM infected patients.

Flavonoids are well recognized as anti-NTM agents and prevent biofilm developments. Research in this area has generated interest in the ability of flavonoids to enhance the outcomes of untreatable infections, especially on antibiotic-resistant bacteria like NTM. Several researchers have confirmed that the structure-relationship of flavonoids enhances the bactericidal actions and demonstrated as antibacterial agents [141,146,172,173,174]. The anti-NTM activity and inhibition of biofilm effects of flavones and flavanones are usually based on the hydrophobic compounds on one aromatic ring and a hydrogen-bonding group on another aromatic ring [175]. These biofilm developments can be inhibited by the hydrophobic substituents of flavonoids, which comprises various heterocyclic moieties including, alkyl, prenyl, nitrogen or oxygen-containing heterocyclic and alkylamino chains [141,172]. This structural activation of flavonoids can directly kill the bacteria in the biofilm formation, synergistically activate with the antibiotics and weaken the bacterial pathogenic effects [141,172]. Few recent studies showed a series of flavonoid derivatives significantly exhibited their antimycobacterial activity against various NTM species through inhibition of biofilm formation [176,177]. Apigenin normally has a cyclic or aliphatic chain at the 8-C position that enhanced the antimycobacterial activities and prevents biofilm formation [178]. Few supporting studies demonstrated that C-benzylated dihydrochalcone and the dihydrochalcone dimer have shown significant antibacterial activity against M. chelonae and M. fortuitum [179]. An active flavanone compound, Platyisoflavanone obtained from Platycelphium voense revealed antimycobacterial activity using microplate alamar blue assay against M. chelonae with MIC of 23.7 mmol/L [180].

Another study demonstrates that synergistic combinations of amikacin and curcumin (compound isolated from Curcuma longa), employs antimycobacterial activity against M. abscessus clinical strain with MIC of 128 mg/L. Furthermore, curcumin induced an over-all decrease in microbial masses in the biofilm and considerable loss in cell viability [123]. Two methoxylated flavonoids, flavonoid 7-methylquercetagetin and 7-methylquercetagetin-4′-O-β-d-glucopyranoside were extracted from Paepalanthus latipes which showed significant antimycobacterial activity against NTM species with MIC ranged from 1–2 mg/L [181].

5.2. 생물막 형성 억제

생물막 형성은 일반적으로

독성, 병원성, 항균 물질에 대한 내성 및 환경에서의 생존과 관련이 있습니다 [167].

생물막을 형성하는 마이코박테리아의 항균제 내성은

치료 실패를 초래할 수 있으며,

감염을 해결하기 위해서는 생물막을 물리적으로 제거해야 합니다.

생물막 형성은 광범위한 집락화와 기능적 활동을 가진 미생물 군집 간의 관계를 제공합니다. 이들은 인체 조직, 의료 장비, 배관 파이프, 식수 시스템 등 다양한 표면에 형성됩니다 [168]. 병원 병동에서는 인공호흡기 및 의료 기기에 생물막이 형성되어 병원체가 환자들에게 자유롭게 확산될 수 있는 저장고 역할을 한다. 이러한 생물막은 숙주에 침입한 후 병원체가 숙주 면역 체계를 교란하도록 허용하며 장기간 지속될 수 있다[169]. 연구에 따르면 수돗물은 NTM의 인간 집락화 및/또는 감염 발생의 주요 원천으로 작용하는 것으로 확인되었다[169,170]. 발달된 생물막은 종종 생물막 분산제(예: 생물계면활성제)를 생성하는 M. fortuitum을 포함한다. 또한 M. chelonae와 M. fortuitum은 비대칭 형태의 두꺼운 생물막을 형성하며, 이는 10배 MIC 농도에서도 기존 항생제에 비교적 내성을 보였다[169].

마이코박테리아의 소수성과 금속 내성은 종종 세포의 부착과 이후 수중 표면에서의 생물막 연속적 발달을 가능하게 합니다. 또한 수돗물의 NTM은 일반적으로 생존할 수 있으며 글루타르알데히드 및 염소와 같은 화학 물질에 내성을 보이는 경우가 많습니다[169,170]. 이러한 비결핵성 마이코박테리아가 정지된 생물막에서 증식하여 개인에게 감염을 확산시키는 것은 병원 환경에서 주목할 만한 건강 위험을 보여줍니다 [171]. 치료 효능을 향상시키는 잠재적 항생물막제제를 활용한 새로운 접근법이 개발되어야 하며, 이는 비결핵성 마이코박테리아 감염 환자의 적절한 치료를 위해 시급히 필요합니다.

플라보노이드는

비결핵성 마이코박테리아 억제제로 잘 알려져 있으며

생물막 형성을 방지합니다.

이 분야의 연구는 특히 NTM과 같은 항생제 내성균에 대해 치료 불가능한 감염의 결과를 개선하는 플라보노이드의 능력에 대한 관심을 불러일으켰습니다. 여러 연구자들은 플라보노이드의 구조-활성 관계가 살균 작용을 강화하고 항균제로 작용함을 확인했습니다 [141,146,172,173,174]. 플라본과 플라바논의 항-NTM 활성 및 생물막 억제 효과는 일반적으로 하나의 방향족 고리에 있는 소수성 화합물과 다른 방향족 고리에 있는 수소 결합 그룹에 기반합니다 [175]. 이러한 생물막 형성은 알킬, 프렌일, 질소 또는 산소 함유 헤테로사이클릭 및 알킬아미노 사슬을 포함한 다양한 헤테로사이클릭 모이어티로 구성된 플라보노이드의 소수성 치환기에 의해 억제될 수 있습니다 [141,172]. 플라보노이드의 이러한 구조적 활성화는 생물막 형성 내 세균을 직접 사멸시키고, 항생제와 시너지 효과를 발휘하며 세균의 병원성 효과를 약화시킬 수 있다 [141,172]. 최근 몇몇 연구에서는 일련의 플라보노이드 유도체가 생물막 형성을 억제함으로써 다양한 비결핵성 마이코박테리아(NTM) 종에 대해 상당한 항결핵 활성을 나타내는 것으로 나타났다 [176,177]. 아피제닌은 일반적으로 8-C 위치에 고리형 또는 지방족 사슬을 가지며, 이는 항결핵균 활성을 강화하고 생물막 형성을 방지한다 [178]. 벤질화 디하이드로칼콘 및 디하이드로칼콘 이량체가 M. chelonae 및 M. fortuitum에 대해 상당한 항균 활성을 보인다는 것을 입증한 몇몇 연구가 있다 [179]. 활성 플라바논 화합물인 Platycelphium voense에서 추출한 플라티이소플라바논은 마이크로플레이트 알라마 블루 분석을 통해 M. chelonae에 대해 MIC 23.7 mmol/L의 항균 활성을 나타냈다 [180].

또 다른 연구에서는 아미카신과 커큐민(Curcuma longa에서 분리된 화합물)의 시너지 조합이 M. abscessus 임상 균주에 대해 MIC 128 mg/L의 항결핵균 활성을 나타냄을 입증하였다. 또한 커큐민은 생물막 내 미생물 총량을 전반적으로 감소시키고 세포 생존율을 현저히 저하시켰다 [123]. Paepalanthus latipes에서 추출된 두 가지 메톡실화 플라보노이드(플라보노이드 7-메틸케르세타게틴 및 7-메틸케르세타게틴-4′-O-β-d-글루코피라노사이드)는 NTM 종에 대해 1–2 mg/L 범위의 MIC를 보이며 상당한 항결핵균 활성을 나타냈다 [181].

5.3. Inhibition of Efflux Mediated Pumping System

Efflux pumps are well-recognized proteins and protein complexes that provide antibiotic resistance in bacteria, including mycobacteria [182]. Hence, the finding of efflux pump inhibitors is a fascinating target in antimycobacterial treatment. Plant-derived natural bioactive compounds are potent inhibitors of an efflux pump that may capable adjunct to traditional chemotherapy by improving mycobacterial vulnerability to antibiotics. Flavonoids exert noteworthy antimycobacterial activities and exhibited considerable outcomes as antimycobacterial agents [183]. A study showed that the inhibition of the efflux pump has been performed using flavonoid, pinocembrin isolated from Alpinia katsumadai, which showed antimycobacterial activities against M. smegmatis using MIC: 64 mg/L, further the antimycobacterial activity was synergistically significant in combination with rifampicin [184]. Similarly, the isoflavone biochanin A exhibited significant efflux pump inhibiting activity against M. smegmatis that has evoked much attention as promising novel targets in antimycobacterial treatment [144].

A recent study showed that two polymethoxyflavones, Skullcapflavone II (5,2′-dihydroxy-6,7,8,6′-tetramethoxyflavone) and Nobiletin (5,6,7,8,3′,4′-hexamethoxyflavone) exerted as effective antimycobacterial activity and antibiotic resistance modulating activities against M. smegmatis [185]. In this study, the efflux inhibitory activity was studied using an ethidium bromide-based fluorometric assay. Conversely, an association between potent modulatory and putative efflux activity of the skullcapflavone II and Nobiletin was not described in this study. However, the outcome has highly emphasized that two polymethoxyflavones are valuable adjuvants in anti-mycobacterial treatments [185]. Nine novel paradol- and gingerol-related compounds known as putative efflux pump inhibitors extracted from Aframomum melegueta seeds, which were also possessed significant antimycobacterial activities against M. smegmatis [186]. Three novel phenylpropanoids (1′-S-1′-acetoxychavicol acetate, trans-p-coumaryl diacetate and 1′-S-1′-acetoxyeugenol acetate) isolated from the rhizome of Alpinia galanga showed that effective antimycobacterial activity and antibiotic resistance modulating activities against the isolates of M. smegmatis with MIC value of 2.5, 6.25 and 5.0 mg/L [187].

Similarly, the function of efflux pumps in clarithromycin resistance with nine clinical isolates of M. abscessus subsp. abscessus or bolletii complex was studied. Based on the findings, the team has highlighted the requirement for additional investigation on M. abscessus efflux response to implement more efficient alternative antimicrobial beneficial regimens and direction in the improvement of novel drugs against mycobacterium [77]. In search of efflux pump inhibitors, flavonoids are a promising therapy for potent antimycobacterial activity and antibiotic resistance modulating activities (Figure 3).

5.3. 유출 매개 펌프 시스템 억제

유출 펌프는

마이코박테리아를 포함한 세균의 항생제 내성을 제공하는

잘 알려진 단백질 및 단백질 복합체이다[182].

따라서

유출 펌프 억제제의 발견은 항마이코박테리아 치료에서 매력적인 표적이다.

식물 유래 천연 생리활성 화합물은

배출 펌프의 강력한 억제제로, 마이코박테리아의 항생제 취약성을 개선함으로써 기존 화학요법에 보조적으로 활용될 수 있다.

플라보노이드는 주목할 만한 항마이코박테리아 활성을 발휘하며 항마이코박테리아제로 상당한 효과를 보였다[183]. 한 연구에 따르면, 알피니아 카츠마다이(Alpinia katsumadai)에서 분리된 플라보노이드인 피노켐브린(pinocembrin)을 사용하여 배출 펌프 억제가 수행되었으며, 이는 M. smegmatis에 대해 MIC: 64 mg/L로 항마이코박테리아 활성을 보였고, 리팜피신(rifampicin)과 병용 시 항마이코박테리아 활성이 시너지적으로 유의미했습니다 [184]. 마찬가지로, 이소플라본 바이오카닌 A는 M. smegmatis에 대해 상당한 유출 펌프 억제 활성을 나타내어 항결핵 치료에서 유망한 새로운 표적으로 많은 관심을 불러일으켰습니다 [144].

최근 연구에 따르면 두 가지 폴리메톡시플라본인 스컬캡플라본 II(5,2′-디하이드록시-6,7,8,6′-테트라메톡시플라본)와 노빌레틴(5,6,7,8,3′, 4′-헥사메톡시플라본)이 M. smegmatis에 대해 효과적인 항결핵균 활성과 항생제 내성 조절 활성을 발휘함을 보여주었다[185]. 본 연구에서는 에티디움 브로마이드 기반 형광 분석법을 사용하여 배출 억제 활성을 연구하였다. 반면, 스컬캡플라본 II와 노빌레틴의 강력한 조절 활성과 추정 배출 활성 간의 연관성은 본 연구에서 기술되지 않았다. 그러나 결과는 두 폴리메톡시플라본이 항결핵 치료에서 가치 있는 보조제로서 매우 중요함을 강조하였다 [185]. 아프라모무스 멜레게타(Aframomum melegueta) 종자에서 추출된 추정 배출 펌프 억제제로 알려진 9종의 새로운 파라돌(paradol) 및 진저롤(gingerol) 관련 화합물도 M. smegmatis에 대해 상당한 항결핵균 활성을 나타냈다 [186]. 알피니아 갈랑가(Alpinia galanga)의 뿌리줄기에서 분리된 세 가지 새로운 페닐프로파노이드(1′-S-1′-아세톡시차비콜 아세테이트, 트랜스-p-쿠마릴 디아세테이트, 1′-S-1′-아세톡시에우게놀 아세테이트)는 M. smegmatis 분리주에 대해 MIC 값 2.5, 6.25 및 5.0 mg/L [187].

마찬가지로, 클라리트로마이신 내성을 보이는 M. abscessus subsp. abscessus 또는 bolletii 복합체의 9개 임상 분리주에서 배출 펌프의 기능을 연구하였다. 연구 결과에 근거하여 연구팀은 마이코박테리아에 대한 신약 개발 방향 및 보다 효율적인 대체 항균 요법 구현을 위해 M. abscessus의 배출 반응에 대한 추가 연구의 필요성을 강조하였다[77]. 배출 펌프 억제제 탐색에서 플라보노이드는 강력한 항마이코박테리아 활성과 항생제 내성 조절 활성을 지닌 유망한 치료제로 평가된다(그림 3).

5.4. Inhibition of Bacterial DNA Synthesis

Flavonoids are well-known topoisomerases inhibitors, contributes to antimycobacterial activity. DNA topoisomerase is a key enzyme for DNA replication that contribute to a central target for antimycobacterial agents [78]. Earlier, in silico analysis study has confirmed that quercetin is a significant DNA topoisomerase inhibitor at B subunit of the enzyme and prevents the growth of M. smegmatis [188]. This statement was further established using different DNA topoisomerase subunits that also showed quercetin binding to the B subunit of topoisomerase and parallel obstruction of ATP binding pocket by the development of H-bonds in the amino acid residues of DNA topoisomerase [78]. Previously, several molecular docking studies suggested that quercetin inhibits DNA topoisomerase and DNA supercoiling, which competitively interacts with the ATP binding site in the B subunit of DNA topoisomerase [78,189,190]. Finally, quercetin binds with DNA that alleviates the DNA topoisomerase complex leads to the breakdown of bacterial DNA [189]. The binding of flavonoids with DNA topoisomerase usually favored by the active groups positioned in the flavonoids viz., 4-carbonyl, 3-hydroxyl, 5-hydroxyl and 7-hydroxyl groups [78,189].

5.4. 세균 DNA 합성 억제

플라보노이드는

잘 알려진 토포이소메라제 억제제로, 항마이코박테리아 활성에 기여한다.

DNA 토포이소메라제는 DNA 복제에 핵심적인 효소로, 항마이코박테리아 제제의 주요 표적 역할을 한다[78]. 이전의 컴퓨터 시뮬레이션 연구에서 케르세틴이 효소의 B 서브유닛에서 중요한 DNA 토포이소머라제 억제제이며 M. smegmatis의 성장을 억제한다는 것이 확인되었다 [188]. 이 주장은 다양한 DNA 토포이소머라제 서브유닛을 사용하여 추가로 입증되었으며, 케르세틴이 토포이소머라제의 B 서브유닛에 결합하고 DNA 토포이소머라제의 아미노산 잔기에서 수소 결합을 형성함으로써 ATP 결합 포켓을 병렬적으로 차단하는 것으로 나타났습니다 [78]. 이전에 여러 분자 도킹 연구에서 케르세틴이 DNA 토포이소머라제 및 DNA 슈퍼코일링을 억제하며, 이는 DNA 토포이소머라제 B 서브유닛의 ATP 결합 부위와 경쟁적으로 상호작용한다고 제안한 바 있다[78,189,190]. 결국 케르세틴은 DNA와 결합하여 DNA 토포이소머라제 복합체의 완화를 유도하고, 이는 세균 DNA의 분해로 이어진다[189]. 플라보노이드와 DNA 토포이소메라제의 결합은 일반적으로 플라보노이드에 위치한 활성기, 즉 4-카르보닐, 3-하이드록실, 5-하이드록실 및 7-하이드록실 그룹에 의해 촉진된다[78,189].

5.5. Synergistic Action of Flavonoids with Antimycobacterial Agents

This synergistic effect of flavonoids with conventional agents is often effective and beneficial for both the proportion and degree of bacterial destructions and microbial resistance modulating activities [191]. The available conventional agents have a spectrum of underlying modes of action, and the combination of two or more agents can contribute diverse targets, ensuing multi-targeting. The implementation of the multi-targeting policy usually eases drug resistance [192]. These synergistic approaches largely evade toxicity and intolerance of the drug [79]. Previously, various in vitro investigations have been studied and reduce the minimum inhibitory concentration of bioactive compounds with conventional antimycobacterial agents (Table 3) [123,124,125,144,153,181,193,194].

5.5. 플라보노이드와 항결핵제 간의 시너지 작용

플라보노이드와 기존 약제 간의 이러한 시너지 효과는 박테리아 파괴 비율과 정도, 미생물 내성 조절 활동 모두에 효과적이고 유익한 경우가 많다 [191].

기존 약제들은 다양한 작용 기전을 지니며,

두 가지 이상의 약제를 병용하면 다중 표적 작용이 가능해집니다.

다중 표적 전략의 적용은

일반적으로 약물 내성을 완화시킵니다[192].

이러한 시너지 접근법은 약물의 독성과 내성을 크게 회피합니다[79]. 기존 연구에서 다양한 시험관 내 연구를 통해 생리활성 화합물과 기존 항결핵제(표 3)의 최소억제농도(MIC)를 낮추는 효과가 확인되었다[123,124,125,144,153,181,193,194].

Table 3. Anti-nontuberculous mycobacterial effects of flavonoids.

Several studies have demonstrated that the bactericidal antibiotics such as β-lactams, aminoglycosides, and fluoroquinolones induced oxidative stress, regardless of their specific targets, and involved in the ROS-antibiotic bacteria-killing [195,196]. Conversely, other reports failed to indicate the connection between ROS and antibiotic-mediated killing [197]. These varying data may have resulted from the generation of ROS, which is produced through the hyperactivation of normal cell metabolism, as well as the related difficulty or even the impossibility to completely separate the effects of reduced levels of ROS and ROS production as a consequence of the action of antibiotics [195,196,197]. Flavonoids are synergistic potentiators with conventional agents in improving the antibiotic efficiency against NTM [194]. Flavonoids generally protect the cells from the harmful effects of ROS generation [198,199]. Markedly, Brynildsen et al. [200] suggested that to enhance the antibiotic efficiency not by damaging the bacterial ROS defense systems by flavonoids, but by increasing the endogenous ROS generation in the host, which could negate its capacity to manage with oxidative stress from the available antibiotics. Bactericidal antibiotics such as quinolones, β-lactams and aminoglycosides often induced Fenton reaction resulting in the production of OH• radical [201]. These OH• radicals lead to bactericidal antibiotic-mediated cell loss. Flavonoids play as iron-chelating agents and quenching the hydroxyl radical that attenuate killing by bactericidal drugs [201]. Additionally, the practice of aminoglycoside antibiotics (AGs) such as amikacin, gentamycin, spectinomycin, neomycin, streptomycin and tobramycin, which is driven through the proton motive force and abolished as soon as ROS levels are augmented [202,203]. Flavonoids are iron chelators that protect against AGs by blocking the intake of AGs through the damage of Fe-S cluster synthesis ensuring the impendence of the proton motive force [202]. Co-administration of inhibitory concentrations of resveratrol increased the activity of aminoglycosides, including gentamicin, kanamycin, neomycin, streptomycin and tobramycin, up to 32-fold against various Gram-positive pathogens. Eventually, resveratrol increases the efficacy of aminoglycosides appears to be unrelated to membrane hyperpolarization and disruption of membrane integrity, which have been related with increased aminoglycoside susceptibility [204].

The most common mechanism of AGs resistance is a chemical modification by bacterial aminoglycoside-modifying enzymes: phosphotransferases, acetyltransferases and nucleotidyltransferase [205]. Flavonoids are documented as aminoglycoside-modifying enzyme inhibitors. quercetin and apigenin have recommended as phosphotransferases inhibitor, which occupies the ATP binding site and interacts with the enzyme through a series of hydrogen bonds [206]. Therefore, flavonoids play as chelators that could be employed as potential inhibitors of aminoglycoside-modifying enzymes. However, such a flavonoid application still requires a prospect investigation. To date, many flavonoids were characterized by the antibacterial activities against human pathogens, which play in different mechanisms than those of conventional drugs, and thus could be of significance in the enhancement of antimycobacterial therapy [85]. Important virulence factors, such as bacterial hyaluronidases (produced by both Gram-positive and Gram-negative bacteria), directly interact with host tissues or mask the bacterial surface from host′s defense mechanisms. In the bacterial pathogenesis, hyaluronidase-mediated degradation of hyaluronan increases the permeability of connective tissues and decreases the viscosity of body fluids [207]. Notably, flavonols, such as myricetin and quercetin have been identified as hyaluronic acid lyase (Hyal B) inhibitors. Plants have a limitless ability to synthesize aromatic substances, most of which are secondary metabolites. The inhibitory effect of the flavonoids increased with the number of hydroxyl groups present in the flavonoid structure [208].

표 3. 플라보노이드의 비결핵성 마이코박테리아에 대한 항균 효과.

여러 연구에서 β-락탐, 아미노글리코사이드, 플루오로퀴놀론과 같은 살균성 항생제가 특정 표적과 무관하게 산화 스트레스를 유발하며, ROS-항생제-박테리아 사멸 메커니즘에 관여함을 입증하였다[195,196]. 반면, 다른 보고서는 ROS와 항생제 매개 사멸 간의 연관성을 확인하지 못했다[197]. 이러한 상이한 데이터는 정상 세포 대사의 과도한 활성화로 생성되는 ROS의 발생과 더불어, 항생제 작용의 결과로 감소된 ROS 수준과 ROS 생성 효과의 완전한 분리가 어렵거나 심지어 불가능하다는 점과 관련이 있을 수 있다 [195,196,197]. 플라보노이드는 비결핵성 마이코박테리아(NTM)에 대한 항생제 효능을 향상시키는 데 있어 기존 약제와의 시너지 증강제 역할을 한다 [194]. 플라보노이드는 일반적으로 세포를 ROS 생성으로 인한 유해 효과로부터 보호한다[198,199]. 특히 Brynildsen 등[200]은 플라보노이드가 세균의 ROS 방어 시스템을 손상시켜 항생제 효율을 높이는 것이 아니라, 숙주 내 내인성 ROS 생성을 증가시켜 기존 항생제로부터 발생하는 산화 스트레스에 대처하는 숙주의 능력을 무력화시킴으로써 효과를 발휘한다고 제안했다. 퀴놀론, β-락탐, 아미노글리코사이드와 같은 살균성 항생제는 종종 펜튼 반응을 유도하여 OH• 라디칼을 생성한다[201]. 이러한 OH• 라디칼은 살균성 항생제에 의한 세포 사멸을 초래한다. 플라보노이드는 철 킬레이트제로 작용하며 하이드록실 라디칼을 소거하여 살균성 약물의 살균 효과를 약화시킨다[201]. 또한 아미카신, 젠타마이신, 스펙티노마이신, 네오마이신, 스트렙토마이신, 토브라마신과 같은 아미노글리코사이드 항생제(AGs)의 사용은 양성자 동력에 의해 추진되며, ROS 수준이 증가하는 즉시 중단됩니다 [202,203]. 플라보노이드는 철 킬레이트제로서, Fe-S 클러스터 합성을 손상시켜 양성자 동력장의 저항성을 보장함으로써 AG의 흡수를 차단하여 AG로부터 보호합니다 [202]. 억제 농도의 레스베라트롤을 병용 투여하면 젠타마이신, 카나마이신, 네오마이신, 스트렙토마이신, 토브라마이신을 포함한 아미노글리코사이드의 활성이 다양한 그람 양성 병원체에 대해 최대 32배까지 증가했습니다. 결국 레스베라트롤이 아미노글리코사이드의 효능을 증가시키는 것은 아미노글리코사이드 감수성 증가와 관련이 있는 막 과분극화 및 막 무결성 파괴와는 무관한 것으로 보인다 [204].

AGs 내성의 가장 흔한 메커니즘은 박테리아의 아미노글리코사이드 변형 효소(포스포트랜스퍼라제, 아세틸트랜스퍼라제 및 뉴클레오티딜트랜스퍼라제)에 의한 화학적 변형이다 [205]. 플라보노이드는 아미노글리코사이드 변형 효소 억제제로 보고되었다. 케르세틴과 아피게닌은 인산전달효소 억제제로 제안되었으며, 이는 ATP 결합 부위를 점유하고 일련의 수소 결합을 통해 효소와 상호작용한다[206]. 따라서 플라보노이드는 아미노글리코사이드 변형 효소의 잠재적 억제제로 활용될 수 있는 킬레이트제로 작용한다. 그러나 이러한 플라보노이드 적용은 여전히 전망 연구가 필요하다. 현재까지 많은 플라보노이드가 인간 병원체에 대한 항균 활성을 나타내며, 이는 기존 약물과는 다른 기전을 통해 작용하므로 항결핵 치료 강화에 중요할 수 있다[85]. 그람양성균과 그람음성균 모두에서 생성되는 세균성 히알루로니다제와 같은 중요한 독성 인자는 숙주 조직과 직접 상호작용하거나 숙주의 방어 기전으로부터 세균 표면을 가린다. 세균 병리학에서 히알루로니다아제에 의한 히알루론산 분해는 결합 조직의 투과성을 증가시키고 체액의 점도를 감소시킨다[207]. 특히, 미리세틴과 케르세틴과 같은 플라보놀은 히알루론산 리아제(Hyal B) 억제제로 확인되었다. 식물은 대부분이 2차 대사산물인 방향성 물질을 합성하는 무한한 능력을 지닌다. 플라보노이드의 억제 효과는 플라보노이드 구조 내 존재하는 하이드록실 그룹의 수에 따라 증가하였다[208].

6. Future Directions and Remarks

Studies on synergistic relations between natural products and synthetic drugs are very limited. Hence, urgent studies are required for a better understanding of synergistic behavior and the underlying mechanisms of action of flavonoids-drug combinations against NTM. This attempt may accelerate the discovery of novel drugs that are effective against antibiotic resistance targets of NTM and reduce the global occurrence of severe chronic pulmonary and extrapulmonary infections. To date, the favorite strategy for the treatment of multidrug resistance is to simultaneously inhibit multiple targets such as the inhibition of DNA gyrase activity and cell wall synthesis. However, in future studies on the synergistic relations between flavonoids and synthetic drugs would be greater effects than treating conventional drugs alone. There are various motives to investigate a novel class of antimicrobial drugs and the flavonoids represent a novel set of opportunities. Based on the chemical profile of the flavonoids, the outcomes can be analyzed to show the target sites of novel drugs against extensively multidrug-resistant NTM. These new classes of drugs may be effective on NTM, which brings about better understandings of flavonoids and structure–activity relationships. Therefore, these plant-derived novel compounds could be useful to cope with the resistance problem. Although these efforts are implemented earlier in the pharma industries and being conducted on NTM drug development projects, the current progress is still inadequate to overwhelm the subject of multidrug resistance. The primary reason for ineffectiveness is based on bacterial resistance and the demands which are not gratified in terms of the requirements for the combinations of novel agents. Novel targets among the bacterial resistance mechanisms and investigation on novel molecules are vital for developing innovative anti-NTM drugs. Further, in vitro, in vivo and clinical, and pharmacokinetics studies and chemical relationship are mandatory to analyze the synergistic relations between flavonoids and synthetic drugs, which may provide the state-of-the-art and translate bench to bed treatments.

6. 향후 방향 및 고찰

천연물과 합성 약물 간의 시너지 관계에 대한 연구는 매우 제한적이다. 따라서 비결핵성 마이코박테리아(NTM)에 대한 플라보노이드-약물 조합의 시너지 행동과 작용 기전을 더 잘 이해하기 위한 시급한 연구가 필요하다. 이러한 시도는 NTM의 항생제 내성 표적에 효과적인 신약 발견을 가속화하고 전 세계적으로 발생하는 중증 만성 폐 및 폐외 감염을 감소시킬 수 있다. 현재 다제내성 치료의 선호 전략은 DNA 자이라제 활성 억제 및 세포벽 합성 억제와 같은 다중 표적을 동시에 억제하는 것이다. 그러나 향후 플라보노이드와 합성 약물 간의 시너지 관계 연구는 기존 약물 단독 치료보다 더 큰 효과를 보일 것이다. 새로운 항균제 계열을 연구해야 할 동기는 다양하며, 플라보노이드는 새로운 기회를 제시한다. 플라보노이드의 화학적 프로파일을 바탕으로, 광범위 다제내성 NTM에 대한 신약의 표적 부위를 규명할 수 있다. 이러한 신약 계열은 NTM에 효과적일 수 있으며, 이는 플라보노이드와 구조-활성 관계에 대한 이해를 높일 것이다. 따라서 이러한 식물 유래 신약 후보물질은 내성 문제 해결에 유용할 수 있다. 제약 산업에서 조기에 시행되고 비결핵성 마이코박테리아 치료제 개발 프로젝트에서 진행 중이지만, 다제내성 문제를 극복하기에는 현재 진전이 여전히 부족하다. 효과 부족의 주된 원인은 세균 내성과 신약 후보물질 조합에 대한 요구사항이 충족되지 못한 데 있다. 박테리아 내성 메커니즘 내 신규 표적 발굴과 신분자 연구는 혁신적인 비결핵성 마이코박테리아 치료제 개발에 필수적이다. 또한 플라보노이드와 합성 약물 간의 시너지 관계를 분석하기 위해 체외, 생체 내, 임상 및 약동학 연구와 화학적 관계 분석이 필수적이며, 이는 최신 연구 성과를 제공하여 실험실 연구를 임상 치료로 전환하는 데 기여할 수 있다.

7. Conclusions

Recently, NTM have developed into significant bacterial pathogens for both animals and humans. In particular, the concern is the high level of antimicrobial resistance displayed by these organisms, which complicates treatment and possible effective outcomes. The state of the existing antimycobacterial agents and their hitches is relatively serious. In developing nations, the incidence rate and diagnosis of NTM have often not been noticed as a deficiency of laboratory settings and mycobacteria identification. The escalating rate of pathogenic NTM in developing nations is significantly greater in HIV/AIDS patients, which leads to high levels of morbidity and mortality globally. Furthermore, there are restrictions evident by antimycobacterial drugs: the lower bactericidal ability, multidrug usage, high resistance and toxicity and organ damage. Hence, it is imperative to find new drugs as alternative therapies in which flavonoids are promising to be safe for usage, endowed with abundant pharmacological roles that are potentially active against NTM. Several flavonoids have been used in connotation with their antimycobacterial activities and can be potential and cost-effective. They have possible antimycobacterial effects at minor quantities by themselves or in synergistic combinations. A cocktail of flavonoids used with existing antimycobacterial agents is a proposal of a novel strategy to lessen side effects. They often prevent bacterial growth in several underlying mechanisms by increasing the disturbance of the plasma membrane, inhibiting cell wall development, efflux-mediated pumping system and DNA synthesis. These flavonoids are potential in synergetic combination treatment with available conservative pharmacological agents, which can be very suitable and supportive in the search for novel drug treatment against mycobacterial pathogens.

7. 결론

최근 비결핵성 마이코박테리아(NTM)는 동물과 인간 모두에게 중요한 세균성 병원체로 부상했습니다. 특히 우려되는 점은 이 미생물들이 보여주는 높은 수준의 항균제 내성으로, 이는 치료와 효과적인 결과 달성을 복잡하게 만듭니다. 기존 항결핵제들의 현황과 그 한계는 상대적으로 심각합니다. 개발도상국에서는 실험실 환경과 마이코박테리아 동정 기술의 부족으로 인해 NTM의 발생률과 진단이 종종 간과되어 왔습니다. 개발도상국에서 병원성 NTM의 증가율은 HIV/AIDS 환자에서 현저히 높아 전 세계적으로 높은 사망률과 이환율을 초래한다. 또한 항결핵제에는 살균력 저하, 다제 사용, 높은 내성 및 독성, 장기 손상 등의 한계가 존재한다.

따라서 대체 치료제로서 새로운 약물 개발이 시급하며,

플라보노이드는 NTM에 대해 잠재적 활성을 지닌 풍부한 약리학적 역할을 부여받아 사용 안전성이 기대된다.

여러 플라보노이드는

항결핵 활성과 관련하여 사용되어 왔으며 잠재적이고 비용 효율적일 수 있다.

이들은 단독 또는 시너지 조합으로 소량에서도

항결핵 효과를 나타낼 가능성이 있다.

플라보노이드(한약)은

세포막 교란 증가, 세포벽 발달 억제, 유출 매개 펌프 시스템 및 DNA 합성 억제를 통해

여러 기전으로 세균 성장을 방지한다. 

기존 항결핵제와 함께 사용되는 플라보노이드 칵테일은 부작용을 줄이기 위한 새로운 전략으로 제안된다. 이들은 종종 세포막 교란 증가, 세포벽 발달 억제, 유출 매개 펌프 시스템 및 DNA 합성 억제를 통해 여러 기전으로 세균 성장을 방지한다. 이러한 플라보노이드는 기존 보존적 약리학적 제제와의 시너지 조합 치료에 잠재적이며, 결핵균 병원체에 대한 새로운 약물 치료법 탐색에 매우 적합하고 지원적일 수 있다.

Author Contributions

S.M., F.A.A. and A.P. equally conceived, designed, wrote, revised and improved the review. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript

Funding

The authors would like to thank the Deanship of Scientific Research, Majmaah University, Kingdom of Saudi Arabia for academic support under the project number: R-1441-146.

Conflicts of Interest

The authors declare no conflict of interest.

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