Re: 항생제 내성 퇴치를 위한 유망한 전략으로서의 항생제 증강제(한약탐구) 2025 네이처!!

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Antibiotic potentiators as a promising strategy for combating antibiotic resistance

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• Published: 06 June 2025

Antibiotic potentiators as a promising strategy for combating antibiotic resistance

• Jiddu Joseph, 
• Sanya Boby, 
• Shankumar Mooyottu & 
• Muhammed Shafeekh Muyyarikkandy 

npj Antimicrobials and Resistance volume 3, Article number: 53 (2025) Cite this article

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Abstract

Antimicrobial resistance (AMR) poses a critical global health challenge. It arises from pathogens’ resistance to antibiotics due to misuse, overuse, and insufficient regulation. As new antibiotics emerge slowly, antibiotic potentiators can enhance existing treatments against resistant strains. Challenges such as toxicity and regulatory barriers necessitate further studies to optimize these agents. This review examines the mechanisms, sources, and recent advancements in antibiotic potentiation while highlighting its potential to combat AMR.

초록

항생제 내성(AMR)은

중대한 글로벌 보건 문제입니다.

이는 항생제의 오용, 남용 및 불충분한 규제로 인해

병원체가 항생제에 내성을 갖게 되면서 발생합니다.

새로운 항생제가 서서히 등장하는 가운데,

항생제 증강제(천연물, 한약)는

내성 균주에 대한 기존 치료법을 강화할 수 있습니다.

독성 및 규제 장벽과 같은 과제들로 인해

이러한 약제를 최적화하기 위한 추가 연구가 필요합니다.

본 리뷰는 항생제 증강의 메커니즘, 출처 및 최근 발전을 검토하면서

AMR 퇴치를 위한 그 잠재력을 강조합니다.

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Introduction

Antimicrobial resistance (AMR) is one of the most significant public health concerns of this century, causing approximately 4.95 million deaths globally each year. It is defined as the ability of pathogens to survive exposure to antibiotics that were once effective in killing them. Consequently, treatment becomes ineffective, leading to persistent infections1,2. Moreover, the overuse of antimicrobial agents and a lack of regulation in their supply may exacerbate the issue of AMR. Additionally, the use of antimicrobials for purposes such as growth promotion, coupled with increases in population and international travel, has contributed to the global spread of AMR. All these factors have placed immense pressure on bacteria to overcome the effects of antibiotics. This leads to phenotypic and genotypic modifications that enable their survival3,4. As a result, they have developed different mechanisms, such as reducing membrane permeability, efflux pump inhibition, modifying the target, and producing antibiotic-modifying enzymes that enhance their antimicrobial activity5. This situation is further aggravated by several other factors, including a lack of a proper drug development pipeline.

항생제 내성(AMR)은

매년 전 세계적으로 약 495만 명의 사망을 초래하는,

이 세기의 가장 중대한 공중보건 문제 중 하나입니다.

이는 병원체가

한때 그들을 사멸시키는 데 효과적이었던 항생제에 노출되어도

생존할 수 있는 능력으로 정의됩니다.

결과적으로

치료가 무효화되어 지속적인 감염이 발생합니다1,2.

또한

항균제의 과도한 사용과 공급에 대한 규제 부재는

항생제 내성 문제를 악화시킬 수 있습니다.

더불어 성장 촉진 등의 목적으로 항균제를 사용하는 것과

인구 증가 및 국제 여행 증가가 결합되어

항생제 내성의 전 세계적 확산에 기여했습니다.

이러한 모든 요인들은

박테리아가 항생제의 효과를 극복하도록 막대한 압력을 가하고 있습니다.

이는 생존을 가능케 하는

표현형 및 유전자형 변이를 초래합니다3,4.

결과적으로 세균은

막 투과성 감소, 배출 펌프 억제, 표적 변형, 항생제 활성을 강화하는 항생제 변형 효소 생성 등

다양한 메커니즘을 발달시켰습니다5.

reducing membrane permeability,

efflux pump inhibition,

modifying the target, and

producing antibiotic-modifying enzymes that enhance their antimicrobial activity

적절한 신약 개발 파이프라인 부재 등

여러 요인이 이 상황을 더욱 악화시키고 있습니다.

The development of new antimicrobial drugs is very slow, whereas AMR is steadily increasing6. According to the World Health Organization (WHO), the newly developed antimicrobial agents are ineffective against severe bacterial infections. This indicates that sole reliance on novel antimicrobial agents cannot address the situation. Therefore, to overcome this challenge, it is necessary to develop strategies that can modify the resistance to currently ineffective antibiotics7. This includes restoring the efficacy of previously effective antibiotics and exploring alternative options for antibiotics. This can be achieved by using a combination of antibiotics, antibiotic potentiator molecules, and stimulating other host processes, such as defense mechanisms against pathogens7,8. To achieve this, understanding the mechanisms of action of the molecules in the host as well as in the bacteria is crucial.

Among the aforementioned strategies, antibiotic potentiation is one of the most promising methods. This approach makes antibiotics effective against resistant bacteria. A potentiator is a natural or synthetic compound with minimal or no antimicrobial activity. By combining a potentiator with an ineffective antibiotic molecule, the activity of antibiotics against resistant bacteria is enhanced9,10. This is achieved by either reducing or inhibiting the resistance mechanisms utilized by bacteria11. Based on their mechanism of action, antibiotic potentiators are classified as direct, indirect, and host-modulating. First, direct antibiotic potentiators target bacterial resistance mechanisms, such as enzyme inhibition and efflux pump inhibition11,12. Second, indirect antibiotic potentiators act on other interdependent factors that contribute to resistance. These include various cellular processes and can modify or inhibit the enzymes involved in supporting processes12,13,14. Finally, host-modulating potentiators target different cellular processes, such as the defense mechanism12,15. This pattern is observed among various potentiator molecules.

Both natural and synthetic compounds can act as antibiotic potentiators. However, their potential is often undermined or unexplored. Antibiotic potentiators include natural compounds such as alkaloids, phenolic compounds, stilbenes, and terpenes, and synthetic compounds such as synthetic peptidomimetics and nanoparticles16,17,18. Synthetic potentiator molecules are widely used alongside antibiotics in clinical settings and have demonstrated successful results; however, further research is needed on natural potentiator molecules19. Many previous studies have explored the capability of these agents as antibiotic potentiators. However, the exact mechanism of action needs to be identified for their safe and effective use. Therefore, this review article discusses the need for antibiotic potentiation, various potentiator molecules, and the potential mechanisms involved.

새로운 항균제 개발은 매우 느린 반면,

항생제 내성은 꾸준히 증가하고 있습니다6.

세계보건기구(WHO)에 따르면,

새로 개발된 항균제는 중증 세균 감염에 대해 효과가 없습니다.

이는 새로운 항균제에만 의존해서는 상황을 해결할 수 없음을 시사합니다.

따라서 이 문제를 극복하기 위해서는

현재 효과가 없는 항생제에 대한 내성을 수정할 수 있는 전략을 개발해야 합니다7.

여기에는 이전에 효과가 있었던 항생제의 효능을 회복시키고

항생제의 대체 옵션을 탐구하는 것이 포함됩니다.

이는 항생제 조합, 항생제 증강제 분자 사용, 병원체에 대한 방어 기전과 같은

다른 숙주 과정의 자극을 통해 달성될 수 있다7,8.

이를 위해 분자가 숙주와 세균 내에서 작용하는 기전을 이해하는 것이 중요하다.

앞서 언급한 전략 중 항생제 증강은 가장 유망한 방법 중 하나이다. 이 접근법은 항생제가 내성균에 대해 효과적으로 작용하도록 만든다.

증강제는

항균 활성이 거의 없거나 전혀 없는 천연 또는 합성 화합물이다.

효능 증강제를 비효능 항생제 분자와 결합함으로써

내성균에 대한 항생제의 활성이 증강됩니다9,10.

이는 박테리아가 활용하는 내성 메커니즘을 감소시키거나 억제함으로써 달성됩니다11.

작용 기전에 따라 항생제 효능 증강제는

직접적, 간접적, 숙주 조절형으로 분류됩니다.

첫째, 직접적 항생제 효능 증강제는

효소 억제 및 배출 펌프 억제와 같은 박테리아 내성 메커니즘을 표적으로 합니다11,12.

둘째, 간접 항생제 증강제는

내성에 기여하는 상호 의존적 요인들에 작용한다.

여기에는 다양한 세포 과정이 포함되며,

지원 과정에 관여하는 효소를 변형하거나 억제할 수 있다12,13,14.

마지막으로, 숙주 조절 증강제는

방어 기전과 같은 다른 세포 과정들을 표적으로 한다12,15.

이러한 패턴은 다양한 증강제 분자들 사이에서 관찰된다.

천연 및 합성 화합물

모두 항생제 증강제로 작용할 수 있다.

그러나 그 잠재력은

종종 저평가되거나 탐구되지 않은 상태다.

항생제 증강제에는

알칼로이드, 페놀 화합물, 스틸벤, 테르펜과 같은 천연 화합물과

합성 펩티도미메틱, 나노입자와 같은 합성 화합물이 포함된다16,17,18.

합성 증강제 분자는

임상 현장에서 항생제와 함께 널리 사용되며 성공적인 결과를 보여주고 있으나,

천연 증강제 분자에 대한 추가 연구가 필요하다19.

다수의 기존 연구에서

이들 물질의 항생제 증강제 역량을 탐구해왔다.

그러나 안전하고 효과적인 사용을 위해서는

정확한 작용 기전을 규명해야 한다.

따라서 본 리뷰 논문은

항생제 증강의 필요성, 다양한 증강제 분자, 그리고 관련된 잠재적 기전에 대해 논의한다.

Global scenario of antibiotic resistance

Increased use and misuse of antibiotics have led to high antibiotic resistance patterns globally. Moreover, estimates suggest that AMR will push about 24 million people into poverty in the coming decade due to productivity losses and increased healthcare costs20,21. This severity suggests taking effective measures for AMR prevention by considering humans, animals, plants, and the environment as a single, inseparable entity, which is the core idea of One Health22,23. Recently, the One Health High-Level Expert Panel suggested that the health of people, animals, and ecosystems should be equally maintained to achieve a stable health status24. To achieve this, global communication, collaboration, coordination, and capacity building should be implemented among the various entities.

There are various economic analyses regarding the global antibiotic burden, including the impacts on finances and productivity. However, estimating the precise loss is very difficult25,26. The primary reason for this limitation in data stems from irregularities in the diagnosis and medical reports concerning the disease or cause of death. For instance, if a patient dies from sepsis associated with multidrug-resistant bacteria, the cause may be reported as sepsis more often than the involvement of the bacteria20,27. This could result in a significant reduction in the number of cases documented as AMR-involved deaths. Additionally, some incidents go unreported due to other underlying health conditions. Moreover, most research occurs in developed countries compared to low or middle-income countries28,29. Furthermore, AMR surveillance necessitates microbiologists and well-equipped clinical laboratories, which are scarce in low or middle-income countries25,26. Another important limitation is estimating the indirect costs associated with antibiotic resistance, which may include lost wages, decreased productivity, and related job losses. In fact, the impact of psychological changes, pain, and suffering should also be considered, but this is largely absent in most existing research30. According to Murray et al.21, western sub-Saharan Africa had the highest AMR burden in 2019, which should be regarded as a priority considering the earlier-discussed facts highlighting the limitations faced by low or middle-income countries.

Globally, the critical pathogens associated with AMR-based deaths include Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Streptococcus pneumoniae, Acinetobacter baumannii and Pseudomonas aeruginosa31,32. Among these, E. coli and S. aureus are the major causes of death associated with AMR in high-income countries such as North America, Western Europe, and Australia. In contrast, sub-Saharan Africa has a different pattern. The reason is that many bacteria contributed to the AMR burden, and each accounted for a small share. Additionally, K. pneumoniae and S. pneumoniae caused comparatively increased death among these bacteria21. Similarly, beta-lactams and fluoroquinolones, the first-line antibiotics, have been found to play a significant role in the AMR burden globally33,34. Therefore, as stated earlier, collaborative efforts must be developed to address these challenges on a global scale. It is also crucial to support low-income countries. Figure 1 demonstrates an overview of the global antibiotic resistance burden.

항생제 내성의 글로벌 현황

항생제의 사용 증가와 오용은

전 세계적으로 높은 항생제 내성 패턴을 초래했습니다.

또한 추정치에 따르면,

생산성 손실과 의료비 증가로 인해

향후 10년간 약 2,400만 명이 항생제 내성(AMR)으로 인해

빈곤층으로 전락할 것으로 예상됩니다20,21.

이러한 심각성은

인간, 동물, 식물, 환경을 분리할 수 없는 하나의 통합된 체계로 간주하여

AMR 예방을 위한 효과적인 조치를 취해야 함을 시사하며,

이는 원헬스(One Health)의 핵심 개념입니다22,23.

최근 원헬스 고위 전문가 패널은

안정적인 건강 상태를 달성하기 위해

사람, 동물, 생태계의 건강을 동등하게 유지해야 한다고 제안했습니다24.

이를 위해 다양한 주체 간 글로벌 커뮤니케이션, 협력, 조정 및 역량 강화가 실행되어야 합니다.

전 세계 항생제 부담에 관한 다양한 경제 분석이 존재하며,

이는 재정 및 생산성에 미치는 영향을 포함합니다.

그러나 정확한 손실을 추정하는 것은 매우 어렵습니다25,26.

이러한 데이터 한계는

주로 질병 또는 사망 원인에 관한 진단 및 의료 보고의 불규칙성에서 비롯됩니다.

예를 들어,

다제내성균 관련 패혈증으로 환자가 사망할 경우,

원인 보고 시 패혈증 자체보다 해당 균의 관여가 보고되는 경우가 더 흔합니다20,27.

이로 인해 항생제내성 관련 사망으로 기록되는 사례 수가

크게 감소할 수 있습니다.

또한 다른 기저 질환으로 인해

일부 사건이 보고되지 않을 수 있습니다.

게다가 대부분의 연구는 저소득 또는 중간 소득 국가에 비해 선진국에서 이루어집니다28,29. 더욱이 항생제 내성 감시는 미생물학자와 잘 갖춰진 임상 실험실을 필요로 하는데, 이는 저소득 또는 중간 소득 국가에서는 부족한 자원입니다25,26.

또 다른 중요한 한계는 항

생제 내성과 관련된 간접 비용(임금 손실, 생산성 감소, 관련 일자리 상실 등)을 추정하는 것입니다.

사실, 심리적 변화, 통증 및 고통의 영향도 고려되어야 하지만, 이는 대부분의 기존 연구에서 거의 다루어지지 않고 있다30. Murray 등21에 따르면, 2019년 서부 사하라 이남 아프리카가 가장 높은 항생제 내성 부담을 보였으며, 앞서 논의된 저소득 및 중간 소득 국가들이 직면한 한계점을 고려할 때 이 지역을 우선적으로 고려해야 한다.

전 세계적으로 항생제 내성 관련 사망과 연관된 주요 병원체로는

대장균(Escherichia coli),

황색포도상구균(Staphylococcus aureus),

폐렴클레브시엘라(Klebsiella pneumoniae),

폐렴연쇄상구균(Streptococcus pneumoniae),

바우만지아신세균(Acinetobacter baumannii) 및

녹농균(Pseudomonas aeruginosa)31,32가 있습니다.

이 중 대장균(E. coli)과 황색포도상구균(S. aureus)은 북미, 서유럽, 호주 등 고소득 국가에서 항생제내성 관련 사망의 주요 원인이다. 반면 사하라 이남 아프리카는 다른 양상을 보인다. 그 이유는 다수의 세균이 항생제내성 부담에 기여했으며 각각의 비중이 작았기 때문이다. 또한 폐렴클레브시엘라(K. pneumoniae)와 폐렴연쇄상구균(S. pneumoniae)이 이들 세균 중 비교적 높은 사망률을 유발했다21.

마찬가지로,

1차 항생제인 베타락탐계와 플루오로퀴놀론계 항생제가

전 세계적으로 항생제 내성 부담에 상당한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다33,34. 따라서 앞서 언급한 바와 같이, 이러한 과제를 글로벌 차원에서 해결하기 위한 협력적 노력이 마련되어야 한다. 또한 저소득 국가를 지원하는 것이 중요하다. 그림 1은 전 세계 항생제 내성 부담에 대한 개요를 보여준다.

Fig. 1: Antibiotic resistance patterns observed among major bacterial species against selected antibiotics, based on the WHO Global Antimicrobial Resistance and Use Surveillance System (GLASS) report: 2022.

The percentage value represents the maximum antibiotic resistance observed from the data, in which antibiotic susceptibility results were compared to the reported number per million of bacteriologically confirmed infections.

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그림 1: WHO 글로벌 항생제 내성 및 사용 감시 시스템(GLASS) 보고서: 2022년 기준, 주요 세균 종에서 관찰된 선택 항생제에 대한 항생제 내성 패턴.

표시된 백분율 값은 세균학적으로 확인된 감염 사례 백만 건당 보고된 항생제 감수성 결과와 비교하여 데이터에서 관찰된 최대 항생제 내성 비율을 나타냅니다.

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The 2022 Report of GLASS by WHO indicated a reduction in the reporting of AMR data following the COVID-19 pandemic35. Despite this decline, some antibiotics showed an increase in AMR of up to 15% compared to previous reports. This rise is notably observed among E. Coli and Salmonella associated with bloodstream infections35. Additionally, most countries implemented strict measures to regulate antibiotic use; however, there remains a pressing need for alternative strategies to tackle this issue, as millions of deaths globally are attributable to antibiotic resistance27,36. Therefore, preventing AMR globally is a high priority. Rigorously adhering to One Health concepts and managing antibiotic resistance is a monumental task37,38. Nevertheless, efforts focusing on vaccines, immunotherapeutics, CRISPR, probiotics, microbial therapies, phage therapy, and fecal transplants are gaining attention. Furthermore, biotic nanoparticles, enzybiotics, antimicrobial peptides, and antibiotic adjuvants and potentiators have also received significant consideration39,40,41,42,43,44. Moreover, understanding the mechanisms involved in AMR is crucial. The four primary mechanisms involved include enzymatic degradation, target modification, prevention of drug entry, and efflux pump activation19,45. Antibiotic potentiators are a favorable choice as they help overcome antibiotic resistance. Moreover, these potentiators do not exhibit antimicrobial activity themselves, but they enhance the antibacterial efficacy of antibiotics when used in combination11. They can also be described as non-antibacterial active molecules that can be employed to increase antibiotic effectiveness9. Both natural and synthetic antibiotic potentiators have been eval‎uated for their contribution to the antibiotic potentiation effect, which will be discussed in subsequent sections. Some of these mechanisms focus on producing reactive oxygen species, glutathione depletion, plasmid curing inhibition, efflux pump inhibition, and resistance enzyme inhibition46,47. Greater emphasis should be placed on developing effective bacterial diagnostics alongside innovative drug delivery systems and antibiotic potentiators/ adjuvants19.

WHO의 2022년 GLASS 보고서는 코로나19 팬데믹 이후

항생제 내성 데이터 보고가 감소했음을 나타냈습니다35.

이러한 감소에도 불구하고 일부 항생제는 이전 보고 대비 최대 15%까지 항생제 내성 증가를 보였습니다. 이러한 증가는 특히 혈류 감염과 관련된 대장균(E. Coli) 및 살모넬라(Salmonella)에서 두드러지게 관찰됩니다35. 또한 대부분의 국가가 항생제 사용을 규제하기 위한 엄격한 조치를 시행했음에도 불구하고, 전 세계적으로 항생제 내성으로 인한 사망자가 수백만 명에 달한다는 점에서 이 문제를 해결하기 위한 대체 전략이 시급히 필요합니다27,36. 따라서 전 세계적으로 항생제 내성(AMR)을 예방하는 것은 최우선 과제입니다. 원헬스(One Health) 개념을 엄격히 준수하고 항생제 내성을 관리하는 것은 거대한 과제입니다37,38. 그럼에도 불구하고 백신, 면역치료제, CRISPR, 프로바이오틱스, 미생물 치료, 파지 치료, 분변 이식 등에 초점을 맞춘 노력들이 주목받고 있다. 또한 생체 나노입자, 효소생물제제, 항균 펩타이드, 항생제 보조제 및 증강제도 상당한 관심을 받았다39,40,41,42,43,44. 게다가 항생제 내성 관련 메커니즘을 이해하는 것이 중요하다. 주요 4가지 메커니즘으로는 효소적 분해, 표적 변형, 약물 유입 차단, 배출 펌프 활성화 등이 포함된다19,45.

항생제 증강제는

항생제 내성을 극복하는 데 도움이 되므로 유리한 선택이다.

또한 이러한 증강제는

자체적으로 항균 활성을 나타내지 않지만,

항생제와 병용 시 항균 효능을 증강시킨다11.

항생제 효과를 높이기 위해 활용될 수 있는

비항균 활성 분자로도 설명될 수 있다9.

천연 및 합성 항생제 증강제의 항생제 증강 효과 기여도는

후속 섹션에서 논의될 예정입니다.

이러한 메커니즘 중 일부는

활성산소종 생성,

글루타티온 고갈,

플라스미드 제거 억제,

배출 펌프 억제,

내성 효소 억제에 초점을 맞춥니다46,47.

혁신적인 약물 전달 시스템 및 항생제 증강제/보조제와 함께

효과적인 세균 진단법 개발에 더 큰 중점을 두어야 합니다19.

Brief history of antibiotic potentiation

During the 20th century, antibiotic therapy became an inevitable part of animal and human life. Penicillin mass production began in 1942; however, resistance was observed around 194748. Since then, it has reached a level where a patient can die from an infection caused by a K. pneumoniae strain, as this strain is resistant to every available antibiotic in the U S49. Therefore, the scientific community is curiously exploring alternatives to antibiotics. Some researchers have identified the importance of vaccines in limiting the need for antibiotics50,51, while others have observed the effects of bacteriophages in treatments52,53. Moreover, they have attempted to identify the synergy between antibiotics and both conventional and unconventional agents, including bacteriophages. Scientists named Neter and Clark54 were among the first to recognize such synergies. Another significant milestone was the use of drug combinations in prescriptions during the 1950s, despite limited knowledge about the mechanisms involved; nonetheless, it helped treat various diseases. This also contributed to advancements such as the use of clavulanic acid with beta-lactams and amoxicillin, leading to increased therapeutic efficiency when used in combination rather than alone49,55. Science began considering the combination of chemical entities, which could mark the beginning of the antibiotic potentiation concept. Additionally, WHO promotes combination therapy over monotherapy, especially in cases of severe infectious diseases14.

Scientists have discovered various synthetic and natural substances in the search for new compounds with antibacterial effects. Several plant-derived antibacterial agents have been part of traditional medicine practices in diverse countries, including India and China49,56,57. A recent study on research trends showed an increase in the number of PubMed articles from 2016 to 2020 related to antibiotic-potentiating agents of plant origin. The 2021 study revealed that there were more than 4000 articles discussing this concept, demonstrating the significance of this research area58. Most studies identified new agents from plant extracts, including classes such as phenolic acids, lignan, stilbene, tannin, alkaloid, flavonoid, terpene, and more. Additionally, complex mixtures or modified synthetic versions of these compounds are widely studied for their synergistic effects with antibiotics58,59,60,61. Amid various challenges, including pandemics, relying on the synergistic effects of natural and synthetic compounds with antibiotics could be beneficial in the fight against drug resistance.

항생제 증강 효과의 간략한 역사

20세기 동안 항생제 치료는

동물과 인간의 삶에서 피할 수 없는 부분이 되었다.

페니실린 대량 생산은 1942년에 시작되었으나,

1947년경부터 내성이 관찰되기 시작했다48.

이후 내성은

미국에서 사용 가능한 모든 항생제에 내성을 가진

K. pneumoniae 균주에 의한 감염으로 환자가 사망할 수 있는 수준에 이르렀다49.

따라서

과학계는 항생제 대체재에 대한 탐구를 활발히 진행 중이다.

일부 연구진은 항생제 사용 필요성을 제한하는 데

백신의 중요성을 확인했으며50,51

다른 연구진은 치료에서 박테리오파지의 효과를 관찰했다52,53.

또한 항생제와 박테리오파지를 포함한 기존 및 비전통적 약제 간의 시너지 효과를 규명하려는 시도가 이어졌다. 네터(Neter)와 클라크(Clark)54는 이러한 시너지 효과를 최초로 인식한 과학자들 중 하나다. 또 다른 중요한 이정표는 1950년대 처방에서 약물 조합을 사용한 것이었는데, 관련 메커니즘에 대한 지식은 제한적이었음에도 불구하고 다양한 질병 치료에 도움이 되었다. 이는 또한 베타-락탐계 항생제와 아목시실린에 클라불란산을 병용하는 것과 같은 발전에 기여하여 단독 사용보다 조합 시 치료 효율이 증가하는 결과를 가져왔다49,55. 과학계는 항생제 효능 증강 개념의 시초가 될 수 있는 화학적 실체들의 조합을 고려하기 시작했다. 또한 WHO는 특히 중증 감염 질환의 경우 단일 요법보다 병용 요법을 권장한다14.

과학자들은

항균 효과를 지닌 새로운 화합물을 찾기 위해 다양한 합성 및 천연 물질을 발견해왔다.

인도와 중국을 비롯한 여러 국가의 전통 의학 관행에는

식물 유래 항균제가 포함되어 왔다49,56,57.

최근 연구 동향 분석에 따르면,

2016년부터 2020년까지 식물 유래 항생제 증강제 관련 PubMed 논문 수가 증가한 것으로 나타났다.

2021년 연구에서는

이 개념을 다룬 논문이 4000편 이상으로 집계되어

해당 연구 분야의 중요성을 입증하였다58.

대부분의 연구는

페놀산, 리그난, 스틸벤, 탄닌, 알칼로이드, 플라보노이드, 테르펜 등의 화합물군을 포함한

식물 추출물로부터 새로운 활성 물질을 확인했습니다.

또한 이러한 화합물의 복합 혼합물이나 변형된 합성 버전이 항생제와의 시너지 효과 측면에서 광범위하게 연구되고 있습니다58,59,60,61. 팬데믹을 비롯한 다양한 도전 속에서, 천연 및 합성 화합물과 항생제의 시너지 효과에 의존하는 것은 약물 내성 퇴치에 도움이 될 수 있다.

Mechanisms of antibiotic potentiation

There are different mechanisms by which a bacterial community acquires antibiotic resistance; these can originate from intrinsic factors or from the acquisition of mobile genetic elements through processes such as horizontal gene transfer62,63.

The four main mechanisms of antibiotic resistance are depicted in Fig. 2.

In the first category,

enzymatic inactivation,

the antibiotic molecules are enzymatically modified by the bacteria,

rendering them inactive.

Methods such as phosphorylation, acetylation, and adenylation are employed to achieve this modification.

The second category is increased efflux pump-mediated resistance, with tetracycline resistance through the major facilitator superfamily as a classic example. The third mechanism involves decreased drug uptake due to changes in membrane permeability, caused by alterations in the characteristics of the porin channel. Finally, the fourth mechanism entails target modification, which can occur through mutations, enzymatic alterations, and replacement19,64,65.

항생제 효능 증강 메커니즘

박테리아 군집이 항생제 내성을 획득하는 메커니즘은 다양하며, 이는 내재적 요인이나 수평 유전자 전달62,63과 같은 과정을 통한 이동성 유전 요소의 획득에서 비롯될 수 있다.

항생제 내성의 네 가지 주요 메커니즘은

그림 2에 설명되어 있다.

첫 번째 범주인 효소적 비활성화에서는

항생제 분자가 세균에 의해 효소적으로 변형되어 비활성화된다.

인산화, 아세틸화, 아데닐화 등의 방법이 이러한 변형을 이루기 위해 사용된다.

두 번째 범주는 배출 펌프 매개 내성 증가로,

주요 촉진자 슈퍼패밀리를 통한 테트라사이클린 내성이 대표적인 예이다.

세 번째 메커니즘은 포린 채널 특성의 변화로 인한

막 투과성 변화로 인한 약물 흡수 감소와 관련됩니다.

마지막으로 네 번째 메커니즘은 표적 변형을 수반하며,

이는 돌연변이, 효소적 변형 및 치환을 통해 발생할 수 있습니다19,64,65.

Fig. 2: Major mechanisms of antibiotic resistance among bacterial pathogens.

The resistance can be from enzymatic inactivation, increased drug efflux, decreased intake, or due to target site modification.

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Overcoming these mechanisms presents a potential solution to the issues related to antibiotic resistance. Antibiotic potentiation can focus on tackling these mechanisms of resistance, which are discussed in detail below.

Inhibition of antibiotic-inactivating enzymes

Enzymatic activation of antibiotic molecules is one of the significant ways that bacteria achieve resistance, as discussed previously9. Therefore, serious efforts are being made to overcome this using antibiotic potentiators. The β-lactamase inhibitors still represent a major category of antibiotic potentiators that have been widely used to combat antibiotic resistance effects. One way they act is by serving as a substrate and forming acyl enzymes. These acyl enzymes are highly sterically unstable, resulting in unfavorable interactions. One example of this is the synthetic compound avibactam, which is used with ceftazidime66. In the second type, the enzyme is permanently inactivated by certain chemical reactions. Clavulanic acid, used with amoxicillin, is an example67. Liu et al.68 focused on aminoglycoside 3’-phosphotransferase, a major enzyme linked with resistance. The synthetic compound was created by the covalent linkage of 3-hydroxyl neamine and adenosine, which inhibits this enzyme. Another important enzyme associated with aminoglycoside resistance in bacteria is N-acetyltransferase. Some synthetic compounds are designed where acetyl-CoA is added to antibiotics as a bisubstrate analog to inhibit N-acetyltransferases such as AAC(6’)Ii and AAC(3)-I 969. Additionally, some studies focus on both the aforementioned enzymes using bovine antimicrobial peptides70 and a compound, Aronorosin, derived from the fungus Gymnascella aurantiaca against methicillin-resistant S. aureus (MRSA)71. Similarly, a compound derived from Streptomyces, venturucidin, was found to interfere with ATP-Synthase and exhibited synergistic activities with gentamicin against Klebsiella, Pseudomonas, vancomycin-resistant Enterococcus (VRE), and E. coli72. An enzyme, 6-o-adenyl transferase, linked to streptomycin resistance, was inhibited using a synthetic compound called streptidine, which acts as a decoy acceptor in E. coli73. Moreover, certain natural inhibitors of enzyme activity can effectively target enzymes that modify antibiotics. One such example is the copper leaf plant (Acalypha wilkesiana), a tropical plant previously used against various diseases, including malaria74. The antibacterial fraction of the ethyl extract interferes with PBP2a synthesis, a major transpeptidase in MRSA. Furthermore, this compound exhibited a synergistic effect with ampicillin against MRSA. Similar potentiation against MRSA was observed when using compounds like luteolin and apigenin along with antibiotics such as amoxicillin, affecting the mecA gene coding for PBP275. Plant extracts are used against Extended Spectrum β-lactamases producing E. coli (ESBL) by targeting the enzymes involved in resistance. For example, a compound from the plant, Sephora alopecuraides, demonstrates synergistic action with cephalosporins against ESBL E. coli76. Thus, studies using synthetic and natural compounds that affect the enzymes involved in antibiotic resistance may be a promising choice for antibiotic potentiators.

항생제 비활성화 효소 억제

앞서 논의된 바와 같이9,

항생제 분자의 효소적 활성화는

박테리아가 내성을 획득하는 주요 경로 중 하나이다.

따라서 항생제 증강제를 활용하여

이를 극복하기 위한 진지한 노력이 진행 중이다.

베타-락타마제 억제제는

여전히 항생제 내성 효과에 맞서기 위해 널리 사용되는 주요 항생제 증강제 범주입니다.

이들이 작용하는 한 가지 방식은

기질 역할을 하여 아실화 효소를 형성하는 것입니다.

이러한 아실화 효소는

입체적으로 매우 불안정하여 불리한 상호작용을 초래합니다.

세프타지딤과 함께 사용되는 합성 화합물

아비박탐이 그 예입니다66.

두 번째 유형에서는

특정 화학 반응을 통해 효소를 영구적으로 비활성화합니다.

아목시실린과 함께 사용되는

클라불란산이 그 예입니다67.

Liu 등68은 내성과 관련된 주요 효소인 아미노글리코사이드 3'-포스포트랜스퍼라제에 주목했습니다. 이 효소를 억제하는 합성 화합물은 3-하이드록실 네아민과 아데노신의 공유 결합을 통해 생성되었습니다. 박테리아의 아미노글리코사이드 내성과 관련된 또 다른 중요한 효소는 N-아세틸트랜스퍼라제이다. 일부 합성 화합물은 아세틸-CoA를 항생제에 이중 기질 유사체로 첨가하여 AAC(6’)Ii 및 AAC(3)-I 969과 같은 N-아세틸트랜스퍼라제를 억제하도록 설계되었다. 또한, 소 항균 펩타이드70과 곰팡이 Gymnascella aurantiaca에서 유래한 화합물인 아로노로신(Aronorosin)을 사용하여 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA)에 대한 연구를 진행한 사례도 있다71.

마찬가지로, Streptomyces에서 유래한 화합물인 벤투루시딘(venturucidin)은 ATP 합성효소를 방해하고 Klebsiella, Pseudomonas, 반코마이신 내성 Enterococcus (VRE) 및 E. coli에 대해 겐타마이신과 시너지 효과를 나타내는 것으로 밝혀졌습니다72. 스트렙토마이신 내성과 연관된 효소인 6-o-아데닐 트랜스퍼라제는 대장균에서 미끼 수용체 역할을 하는 합성 화합물인 스트렙티딘을 사용하여 억제되었다73.

또한, 특정 천연 효소 활성 억제제는 항생제를 변형시키는 효소를 효과적으로 표적화할 수 있다.

이러한 예로 구리잎나무(Acalypha wilkesiana)가 있는데, 이는 말라리아를 포함한 다양한 질병에 대해 이전에 사용된 열대 식물이다74. 에틸 추출물의 항균 성분은 MRSA의 주요 트랜스펩티다제인 PBP2a 합성을 방해한다.

또한 이 화합물은

MRSA에 대해 암피실린과 시너지 효과를 나타냈다.

루테올린 및 아피게닌과 같은 화합물을 아목시실린과 같은 항생제와 함께 사용할 때도

mecA 유전자(PBP2a를 암호화함)에 영향을 미치며

MRSA에 대한 유사한 증강 효과가 관찰되었다75.

식물 추출물은

내성 관련 효소를 표적으로 하여 확장 스펙트럼 β-락타마제(ESBL)를 생성하는

대장균(E. coli)에 대항하여 사용됩니다.

예를 들어,

식물 Sephora alopecuraides에서 유래한 화합물은 ESBL 대장균에 대해

세팔로스포린과 시너지 작용을 보입니다76.

따라서

항생제 내성 관련 효소에 영향을 미치는 합성 및 천연 화합물을 활용한 연구는

항생제 증강제로서 유망한 선택지가 될 수 있습니다.

Inhibiting efflux pumps

Efflux pumps play an important role in transporting substrates involved in various functions from bacterial cells to the outside, and they participate significantly in the development of antibiotic resistance38,77. There are five superfamilies of proteins associated with these efflux pumps. In gram-positive bacteria, there are the ATP-Binding Cassette superfamily (ABC), Major Facilitator superfamily (MFS), Multidrug and Toxic Extrusion superfamily (MATE), and Small Multidrug Resistance family (SMR). In gram-negative bacteria, there is a Resistance-Nodulation-Division family (RND), along with ABC and MFS77. This represents one of the most critical intrinsic factors, rather than mobile genetic elements, associated with antibiotic resistance, usually resulting from their overexpression‎. Therefore, compounds that influence the functions of these efflux pumps may be a promising target for antibiotic potentiation.

There are many antibiotic potentiators used against the efflux pump of antibiotic resistance in bacteria. Synthetic compounds such as Verampil affect MATE pumps in Mycobacterium tuberculosis, resulting in an antibiotic-potentiating effect with Bedaquiline and Ofloxacin78. They bind with the pumps directly or indirectly. Similarly, Vargiu et al.79 found a synthetic compound, 1-(1-naphthyl methyl)-piperazine, inhibiting the ABC superfamily of various bacteria such as A. baumannii, E. coli, Enterobacter aerogens, and K. pneumoniae when used with various antibiotics such as oxacillin, rifampicin, clarithromycin, fluoroquinolones, clindamycin, and doxycycline. Some quinoline and chalcone derivatives inhibit the RND of E. aerogens and S. aureus, respectively, when used with Norfloxacin80. Additional studies focus on heterocyclic carboxamides such as TXA00182, an effective efflux pump inhibitor when used with monobactam, fluoroquinolones, sulfonamides, and tetracycline81. The efflux pumps can also be disrupted by decoupling available energy. A synthetic compound called carbonyl cyanide-m-chlorophenyl hydrazone (CCCP) was found to act as a decoupler that disrupts the proton motive force of the pump, resulting in an antibiotic-potentiating effect with tetracycline against Helicobacter pylori and Klebsiella, alleviating gastrointestinal tract-associated diseases82,83.

There are a large number of natural compounds effective against efflux pump-mediated antibiotic resistance. The plant alkaloid reserpine is isolated from Rauwolfia serpentina. This alkaloid affects the MFS and RND pumps in Bacillus subtilis and S. aureus with tetracycline and norfloxacin, respectively84. Plant-derived flavonoids such as baicalein, genistein, orobol, and biochanin A show potentiating effects by disrupting NorA pumps in S. aureus85,86. Polyphenol compounds isolated from Camellia sinensis include gallates such as epicatechin gallate and epigallocatechin gallate. Gibbons et al.87 found that these compounds had a synergistic effect with tetracycline, erythromycin, and ciprofloxacin against Staphylococcus and Campylobacter by influencing the function of NorA and Tet (K) efflux pumps. The antibiotic-potentiating ability of ciprofloxacin against various organisms has been demonstrated by various scientists, most of whom targeted the efflux pumps. Some compounds that showed synergistic effects along with ciprofloxacin include Indirubin, Capsaicin, Silybin, and Kaempferol88,89,90,91. Most of the studies explored the effect of these compounds in inhibiting the overexpression‎ of efflux pumps to generate antibiotic-potentiating effects. Moreover, rather than relying on mobile genetic elements that are unpredictable, this type of intrinsic target may be more effective in overcoming antibiotic resistance despite limitations such as toxicity9.

배출 펌프 억제

배출 펌프는

세균 세포 내 다양한 기능에 관여하는 기질을 외부로 수송하는 데 중요한 역할을 하며,

항생제 내성 발달에 크게 기여한다38,77.

이러한 유출 펌프와 관련된 단백질은

다섯 가지 슈퍼패밀리로 분류된다.

그람양성균에서는

ATP 결합 카세트(ABC) 슈퍼패밀리,

주요 촉진제(MFS) 슈퍼패밀리, 다약제 및 독성 물질 배출(MATE) 슈퍼패밀리,

소형 다약제 내성(SMR) 패밀리가 존재한다.

그람 음성균에서는

ABC 및 MFS와 함께 내성-결절-분열 가족(Resistance-Nodulation-Division family, RND)이 존재한다77.

이는 이동성 유전 요소보다는

항생제 내성과 관련된 가장 중요한 내재적 요인 중 하나를 나타내며,

일반적으로 과발현으로 인해 발생한다.

따라서

이러한 배출 펌프의 기능에 영향을 미치는 화합물은

항생제 효능 증강을 위한 유망한 표적이 될 수 있다.

박테리아의 항생제 내성 배출 펌프에 대항하여 사용되는

항생제 효능 증강제는 많다.

Verampil과 같은 합성 화합물은 결핵균(Mycobacterium tuberculosis)의 MATE 펌프에 영향을 미쳐 베다퀼린(Bedaquiline) 및 오플록사신(Ofloxacin)과 함께 항생제 효능 증강 효과를 나타낸다78. 이들은 펌프에 직접 또는 간접적으로 결합한다. 마찬가지로 Vargiu 등79은 합성 화합물인 1-(1-naphthyl methyl)-piperazine이 A. baumannii, E. coli, Enterobacter aerogens, K. pneumoniae 등 다양한 세균의 ABC 슈퍼패밀리를 억제하며, 옥사실린, 리팜피신, 클라리트로마이신, 플루오로퀴놀론, 클린다마이신, 독시사이클린 등 다양한 항생제와 함께 사용될 때 효과를 발휘함을 발견했습니다. 일부 퀴놀린 및 칼콘 유도체는 노르플록사신과 함께 사용 시 각각 E. aerogens 및 S. aureus의 RND를 억제한다80. 추가 연구는 모노박탐, 플루오로퀴놀론, 설폰아미드, 테트라사이클린과 함께 사용 시 효과적인 배출 펌프 억제제인 TXA00182와 같은 헤테로사이클릭 카르복사아미드에 초점을 맞춘다81. 유출 펌프는 이용 가능한 에너지를 분리함으로써도 방해받을 수 있습니다. 카르보닐 시안화-m-클로로페닐 히드라존(CCCP)이라는 합성 화합물은 펌프의 양성자 동력(proton motive force)을 방해하는 디커플러로 작용하여, 테트라사이클린과 함께 헬리코박터 파일로리(Helicobacter pylori) 및 클레브시엘라(Klebsiella)에 대해 항생제 증강 효과를 나타내어 위장관 관련 질환을 완화시키는 것으로 밝혀졌습니다82,83.

유출 펌프 매개 항생제 내성에 효과적인 천연 화합물은

다수 존재한다.

식물 알칼로이드 레서핀은

Rauwolfia serpentina에서 분리된다.

이 알칼로이드는

Bacillus subtilis의 MFS 펌프와 S. aureus의 RND 펌프에

각각 테트라사이클린과 노르플록사신으로 영향을 미친다84.

바이칼레인, 제니스테인, 오로볼, 바이오카닌 A와 같은

식물 유래 플라보노이드는

S. aureus의 NorA 펌프를 교란하여 증강 효과를 나타낸다85,86.

Camellia sinensis에서 분리된 폴리페놀 화합물에는

에피카테킨 갈레이트 및 에피갈로카테킨 갈레이트와 같은 갈레이트가 포함된다.

Gibbons 등87은 이러한 화합물이

NorA 및 Tet(K) 배출 펌프의 기능에 영향을 미침으로써

Staphylococcus 및 Campylobacter에 대해

테트라사이클린, 에리스로마이신, 시프로플록사신과 시너지 효과를 나타낸다는 사실을 발견했다.

다양한 과학자들이 시프로플록사신의 항생제 증강 능력을 여러 미생물에 대해 입증했으며, 대부분은 배출 펌프를 표적으로 삼았다.

시프로플록사신과 시너지 효과를 보인 화합물로는

인디루빈, 캡사이신, 실리빈, 켐페롤 등이 있다88,89,90,91.

대부분의 연구는 항생제 증강 효과를 생성하기 위해 배출 펌프의 과발현을 억제하는 이들 화합물의 효과를 탐구했다. 또한 예측 불가능한 이동성 유전 요소에 의존하기보다는, 이러한 유형의 내재적 표적이 독성 같은 한계에도 불구하고 항생제 내성을 극복하는 데 더 효과적일 수 있다9.

Changes in the bacterial cell membrane permeability

Based on the various classes of antibiotics, there are distinct mechanisms of action. However, the initial step towards their action is penetration through the cell membrane in most cases92. From previous discussions, it is clear that one intrinsic method of antibiotic resistance is the decreased permeability of the cell membrane. Therefore, potentiating agents that alter the permeability of the bacterial membrane offer a significant mechanism for synergy. WD 40 is a macromolecular potentiator found to be effective in producing synergy, alongside Rifampin, which increases membrane permeability93. Most polymyxins and their derivatives induce changes in the outer membrane of bacteria by displacing cations such as Mg2+ and Ca2+ 19. Additionally, various lysine-based peptidomimetics enhance the activity of rifampicin, clarithromycin, and azithromycin against different bacteria by disrupting membrane permeability17. Moreover, certain phytochemicals such as gallic acid and thymol produce synergy with antibiotics such as azithromycin, erythromycin, novobiocin, trimethoprim, and many others by causing membrane destabilization94. Extracts from numerous plants such as Albizia lebbeck, Baillonella toxisperma, Nauclea pobeguinii, and Aframomum sulcatum have shown potentiating effects with amoxicillin, ampicillin, ceftriaxone, and norfloxacin by inducing changes in cell permeability95. Similar effects were also observed with various other plant extracts and essential oils. However, most of the mechanisms by which these compounds alter cell membrane permeability are still under investigation. Even so, some combinations of synergy yield promising results in the fight against antibiotic resistance.

세균 세포막 투과성의 변화

다양한 항생제 계열에 따라 작용 기전은 상이합니다.

그러나

대부분의 경우 작용의 첫 단계는

세포막을 통한 침투입니다92.

앞서 논의한 바와 같이,

세포막 투과성 감소는 항생제 내성의 내재적 기법 중 하나임이 분명합니다.

따라서 세균막 투과성을 변화시키는 증강제는

시너지 효과를 위한 중요한 기전을 제공합니다.

WD 40은 막 투과성을 증가시키는 리팜핀과 함께 시너지 효과를 생성하는 데 효과적인 것으로 밝혀진 고분자 증강제이다93. 대부분의 폴리믹신과 그 유도체는 Mg2+ 및 Ca2+와 같은 양이온을 치환함으로써 박테리아의 외막에 변화를 유도한다19. 또한 다양한 라이신 기반 펩티도모메틱스는 막 투과성을 교란함으로써 리팜피신, 클라리트로마이신, 아지트로마이신의 다양한 세균에 대한 활성을 증강시킵니다17. 더불어 갈산 및 티몰과 같은 특정 식물성 화합물은 막 불안정화를 유발함으로써 아지트로마이신, 에리스로마이신, 노보비오신, 트리메토프림 등 다수의 항생제와 시너지 효과를 나타냅니다94.

Albizia lebbeck, Baillonella toxisperma, Nauclea pobeguinii, Aframomum sulcatum 등

다양한 식물 추출물은 세포 투과성 변화를 유도하여

아목시실린, 암피실린, 세프트리악손, 노르플록사신과 함께 증강 효과를 나타냈다95.

유사한 효과는

다른 여러 식물 추출물과 에센셜 오일에서도 관찰되었다.

그러나 이러한 화합물이 세포막 투과성을 변화시키는 대부분의 기전은 여전히 연구 중이다.

그럼에도 불구하고, 시너지 효과를 보이는 일부 조합은 항생제 내성 퇴치에 유망한 결과를 제시한다.

Fighting plasmid-mediated resistance

Plasmids are mobile genetic elements that enable bacteria to achieve MDR through horizontal gene transfer. This is one of the major mechanisms by which resistance is spread among bacterial communities. Various compounds exhibit antibacterial effects through the inactivation of plasmids. For example, compounds such as rottlerin,1’acetoxychavicol acetate, and plumbagin have proven effective against plasmid-mediated antibiotic resistance in many bacteria, including Salmonella, Shigella, Bacillus, and Escherichia96,97,98. Additionally, a compound called 8-epidiosbulbin E acetate, obtained from the plant Dioscorea bulbifera, is used as a plasmid-curing agent. This agent has cured the AMR plasmids from major pathogens, including E. faecalis, Escherichia, and Shigella. Notably, these pathogens were isolated from clinical infections97. This plasmid curing resulted in a decrease in the Minimal Inhibitory Concentration (MIC), enhancing the effectiveness of antibiotics against these clinical isolates. The aforementioned researchers demonstrated a significant effect of phytochemicals in combating plasmid-mediated resistance. However, further exploration of the mechanisms of action is still required to utilize them as promising potentiators.

플라스미드 매개 내성 퇴치

플라스미드(세포안에서 증식할 수 있는 작은 원형의 DNA 조각)는

수평 유전자 전달을 통해 세균이 다제내성(MDR)을 획득하게 하는 이동성 유전 요소이다.

이는 세균 군집 간 내성이 확산되는 주요 기전 중 하나이다.

다양한 화합물이

플라스미드 비활성화를 통해 항균 효과를 나타낸다.

예를 들어, 로틀린(rottlerin), 1'-아세톡시차비콜 아세테이트(1’acetoxychavicol acetate), 플럼바진(plumbagin)과 같은 화합물은 살모넬라(Salmonella), 시겔라(Shigella), 바실러스(Bacillus), 대장균(Escherichia)96,97,98을 포함한 많은 세균에서 플라스미드 매개 항생제 내성에 효과적인 것으로 입증되었습니다. 또한, 식물 Dioscorea bulbifera에서 추출한 8-에피디오스불빈 E 아세테이트(8-epidiosbulbin E acetate)라는 화합물은 플라스미드 치료제로 사용됩니다. 이 제제는 E. faecalis, Escherichia, Shigella 등 주요 병원균의 항생제 내성 플라스미드를 제거했습니다. 특히, 이 병원균들은 임상 감염 사례에서 분리된 것이었습니다97. 이러한 플라스미드 제거는 최소억제농도(MIC)를 감소시켜, 해당 임상 분리균에 대한 항생제의 효과를 향상시켰습니다. 앞서 언급한 연구자들은 플라스미드 매개 내성 퇴치에 식물성 화합물이 상당한 효과를 발휘함을 입증했습니다. 그러나 이를 유망한 효능 증강제로 활용하기 위해서는 작용 기전에 대한 추가 연구가 여전히 필요하다.

Inhibiting biofilms

Bacterial biofilms consist of groups of bacteria that attach to biotic or abiotic surfaces to form a community. This formation aids in better protection, stability adaptation, and communication for their survival. They are among the primary concerns for nosocomial infections and are prioritized for mitigation, as they contribute to the increase in AMR27. Various natural compounds, such as curcumin, piperine, plumbagin, thymol, quercetin, and sinapic acids, have been shown to affect Pseudomonas biofilm formation. These compounds potentiate antibacterial agents such as amikacin, paromomycin, streptomycin, neomycin, ceftazidime, and norfloxacin99. Among these, sinapic acid exhibited the highest antibiofilm activity and significant synergy with amikacin. Furthermore, the antibiotic tolerance of biofilms, especially due to reduced antibiotic penetration, can be addressed by the potentiators that modify cell membrane permeability, as discussed in the previous section. Additionally, previous literature has identified various mechanisms of action for the aforementioned compounds, which disrupt membranes and nucleic acid synthesis, ultimately reducing extracellular polymeric substance secretion and the formation of biofilms100. Moreover, 2-amino imidazole compounds such as oroidin and mauritiamine may serve as promising potentiating agents against a wide range of Enterobacteriaceae by affecting cell signaling and transcription in bacteria101. Therefore, there are still vast opportunities to explore the role of various natural and synthetic compounds in antibiotic potentiation against biofilms. Figure 3 summarizes all the major mechanisms of antibiotic potentiation discussed.

생물막 억제

세균 생물막은

생물적 또는 비생물적 표면에 부착하여 군집을 형성하는 세균 집단으로 구성된다.

이러한 형성은 생존을 위한 보호, 안정성 적응 및 의사소통을 돕는다.

생물막은 병원 내 감염의 주요 원인 중 하나이며, 항생제 내성 증가에 기여하므로27 완화 우선순위로 지정된다.

커큐민, 피페린, 플럼바긴, 티몰, 케르세틴, 시나픽산 등

다양한 천연 화합물이 Pseudomonas 생물막 형성에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다.

이러한 화합물은

아미카신, 파로모마이신, 스트렙토마이신, 네오마이신, 세프타지딤, 노르플록사신과 같은

항균제의 효과를 증강시킵니다99.

이 중

시나픽산은 가장 높은 항생물막 활성을 보였으며

아미카신과의 유의미한 시너지 효과를 나타냈다.

또한,

생물막의 항생제 내성(특히 항생제 침투 감소로 인한)은 앞서 논의한 바와 같이 세포막 투과성을 변화시키는 증강제를 통해 해결될 수 있다. 또한 기존 문헌에서는 앞서 언급된 화합물들의 다양한 작용 기전을 규명했는데, 이들은 막과 핵산 합성을 교란하여 궁극적으로 세포외 고분자 물질 분비와 생물막 형성을 감소시킵니다100. 더불어 오로이딘(oroidin) 및 모리티아민(mauritiamine)과 같은 2-아미노 이미다졸 화합물은 세균의 세포 신호전달 및 전사 과정에 영향을 미침으로써 광범위한 Enterobacteriaceae에 대한 유망한 증강제로 작용할 수 있습니다101. 따라서 생물막에 대한 항생제 증강에서 다양한 천연 및 합성 화합물의 역할을 탐구할 여지가 여전히 광범위하다. 그림 3은 논의된 항생제 증강의 주요 작용 기전을 종합적으로 보여준다.

그림 3: 항생제 증강과 관련된 주요 작용 기전.

항생제와 증강제는 배출 펌프 억제, 세균 효소 비활성화, 세균 세포막 투과성 변화, 군집 형성 방해 등의 작용을 할 수 있다.

Fig. 3: Major mechanisms of action associated with antibiotic potentiation.

The antibiotic and potentiator can inhibit efflux pumps, inactivate bacterial enzymes, alter bacterial cell membrane permeability, or disrupt community formation.

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Natural agents for antibiotic potentiation

Plants possess intrinsic mechanisms to defend themselves against microbial threats, a feature that can be utilized to combat AMR. Natural plant-derived compounds such as gallic acid and tannic acid have demonstrated efficacy as potentiators of antibiotics, including novobiocin, rifampicin, and clorobiocin102. Phenolic compounds, a class of secondary plant metabolites, are particularly notable for their antimicrobial properties. Specific phenolic compounds, such as catechol and acetaldehydes, have shown strong synergistic effects when combined with ciprofloxacin against E. coli and Pseudomonas103. These compounds can potentiate the activity of existing antibiotics by enhancing their efficacy against a broad spectrum of pathogens. Moreover, given the large diversity of phenolic compounds under investigation and the possibilities yet to be discovered, their potential in combating AMR remains vast and unexplored.

Phenolic compounds are universally distributed in the plant kingdom and are particularly abundant in fruits, seeds, and leaves. These compounds are characterized by the presence of an aromatic ring that bears one or more hydroxyl groups. Interestingly, the number of hydroxyl groups varies among different phenolic structures. Furthermore, these phenolic compounds can be classified into two broad categories: flavonoids and non-flavonoids96. The non-flavonoids include phenolic acids, aldehydes, acetophenones, phenylacetic acids, cinnamic acids, coumarins, biflavonyls, benzophenones, xanthones, stilbenes, and tannins104.

Flavonoids are low molecular weight phenolic compounds predominantly found in plants. These compounds contribute to plant protection against biotic and abiotic stressors105. They serve various roles as signaling molecules, detoxifying agents, and UV filters within plants106. Additionally, they exhibit antibacterial properties often by modulating the activity of toll-like receptors (TLR)107. For instance, kaempferol, a member of the flavonoid class, has been shown to disrupt quorum sensing (QS) in bacteria. QS is a bacterial communication system essential for biofilm formation, and inhibiting this system can enhance the effectiveness of antibacterial agents108. Furthermore, baicalein, another flavonoid, exerts anti-QS activity against P. aeruginosa by inhibiting QS gene expression‎ and the synthesis of acyl-homoserine lactones (AHLs), which are signaling molecules integral to bacterial communication109. Moreover, baicalein enhances the antibacterial potency of antibiotics such as levofloxacin, ampicillin/clavulanic acid, and ceftazidime110. Similarly, the flavonoid 3,4,7-trihydroxyflavone has demonstrated synergy with PaβN, an efflux pump inhibitor, suggesting its potential as a substrate for efflux pumps in multidrug-resistant (MDR) E. coli and Providencia. stuartii111. Of interest is isoquercitrin, another flavonoid that induces oxidative stress and bacterial apoptosis by promoting DNA fragmentation and caspase activation, thus enhancing antibacterial activity112,113.

Stilbenes are plant metabolites found in fruits such as grapes, berries, and tree nuts. They exhibit antibacterial properties against Gram-positive bacteria like B. subtilis and S. aureus114. These compounds contain an aromatic ring with a phenolic group and can exist in cis and trans isomers due to the presence of a double bond adjacent to the phenolic group. Moreover, they reduce the virulence of S. aureus by hemolysis115. Stilbenes, such as resveratrol found in red wine, possess anti-inflammatory and antibacterial properties58,116,117. Furthermore, resveratrol has been shown to potentiate the effects of antibiotics such as gentamicin, kanamycin, neomycin, and streptomycin against S. aureus118. Pterostilbene is another stilbene found in berries and grapes that enhances the efficacy of vancomycin against S. aureus119,120. Additionally, piceatannol, a stilbene compound that augments the activity of ciprofloxacin against S. aureus121.

Terpenes along with their oxygenated derivatives known as terpenoids are hydrocarbons derived from isoprene monomer units. The chemical structure of terpenoids can be altered by modifications to their functional groups, resulting in a diverse range of compounds122. Among these, sesquiterpene farnesol, which is present in many essential oils, has demonstrated the ability to potentiate the activity of beta-lactam antibiotics against Burkholderia pseudomallei. Specifically, farnesol reduces the MIC of amoxicillin and ampicillin, thereby enhancing their efficacy against this pathogen. It has shown an 8-fold reduction in MIC of amoxicillin and a 3-fold reduction in the case of ampicillin. Moreover, they have shown antibacterial activity against S. aureus and S. mutans123. The combination of another terpene, carvacrol, and oxacillin shows synergy against MRSA124. Apart from this, terpenes such as carvacrol and thymol exhibit synergistic effects with antibiotics like oxacillin and tetracycline, respectively, in combating S. aureus and E. coli125. Moreover, Eugenol is another terpene that has been shown to increase the antibacterial activity of antibiotics like cefotaxime and ciprofloxacin against E. coli and K. pneumoniae126. Furthermore, pinene, disrupts bacterial cell membranes by facilitating the influx of antibiotics such as gentamicin, ciprofloxacin, and amikacin, thus potentiating their antimicrobial effects127.

Alkaloids are a diverse group of nitrogen-containing compounds characterized by their ring structures128. The presence of a nitrogen atom allows alkaloids to form hydrogen bonds with various biomolecules enhancing their biological activities129. They are widely distributed in plants including seeds, leaves, barks, fruits, and roots. Alkaloids are soluble in water at acidic pH and in organic solvents at basic pH making them versatile in different environments. Furthermore, they are widely distributed across several plant families including Amaryllidaceae, Burseraceae, Capparaceae, Mimosaeae, Vitaceae, and Tiliaceae130. Additionally, they exhibit significant antibacterial activity, particularly against multi-drug resistant (MDR) pathogens such as E. coli, Salmonella, and S. aureus16. The main mechanism of action for alkaloids in combating antibiotic resistance is through the inhibition of efflux pumps. Other compounds like squalamine and tomatidine have been shown to alter cell membrane permeability131,132. Piperine, an alkaloid, when given along with ciprofloxacin potentiates the activity of the antibiotic against S. aureus by inhibiting efflux pumps133. Similarly, combinations of tomatidine with antibiotics like ampicillin, cefepime, gentamicin, and ciprofloxacin have been shown to potentiate antibiotic efficacy against pathogens such as P. aeruginosa, S. aureus, and E. faecalis.

Microbial and fungal metabolites are known for their diverse biological activities, including antimicrobial, anti-inflammatory, and anticancer properties. Compounds like EA-371α and EA-371δ are fermentation products derived from microbes. They exhibit synergistic effects when combined with levofloxacin against P. aeruginosa. This potentiation is associated with their ability to inhibit efflux pumps134. Another interesting compound, aranorosin, isolated from Macella aurantiaca FKI-6588, shows synergy with aminoglycosides. The possible mechanism involves its inhibition of resistance-related enzymes like β-lactamase71. Additionally, depolymerase-Dpo71, a bacteriophage-encoded enzyme from A. baumannii phage, enhances the sensitivity of A. baumannii to colistin. Although the exact mechanism behind this synergy remains unclear, it may involve destabilization of the bacterial outer membrane through the depolymerase action135.

항생제 효능 증강을 위한 천연 물질

식물은

미생물 위협으로부터 스스로를 방어하는 고유한 메커니즘을 지니고 있으며,

이 특성은 항생제 내성(AMR) 퇴치에 활용될 수 있다.

갈산(gallic acid) 및 타닌산(tannic acid)과 같은 천연 식물 유래 화합물은

노보비오신(novobiocin), 리팜피신(rifampicin), 클로로비오신(clorobiocin)을 포함한 항생제의 효능 증강제로서

효능을 입증하였다102.

식물 2차 대사 산물의 일종인 페놀 화합물은

특히 항균 특성으로 주목받고 있다.

카테콜 및 아세트알데히드와 같은 특정 페놀성 화합물은

시프로플록사신과 병용 시 대장균(E. coli) 및 슈도모나스(Pseudomonas)에 대해 강력한 시너지 효과를 나타냈다103.

이러한 화합물은 광범위한 병원체에 대한 기존 항생제의 효능을 강화함으로써 그 활성을 증강시킬 수 있다.

또한 연구 중인 페놀성 화합물의 다양성과 아직 발견되지 않은 가능성을 고려할 때,

항생제 내성 퇴치에 대한 그들의 잠재력은 여전히 방대하고 미개척 상태이다.

페놀성 화합물은 식물계에 보편적으로 분포하며 특히 과일, 씨앗, 잎에 풍부하다. 이 화합물은 하나 이상의 하이드록실기를 지닌 방향족 고리의 존재로 특징지어진다. 흥미롭게도 하이드록실기의 수는 서로 다른 페놀성 구조에 따라 다양하다. 또한 이 페놀성 화합물은 플라보노이드와 비플라보노이드96라는 두 가지 광범위한 범주로 분류될 수 있다. 비플라보노이드에는 페놀산, 알데히드, 아세토페논, 페닐아세트산, 신남산, 쿠마린, 비플라보닐, 벤조페논, 잔톤, 스틸벤, 탄닌 등이 포함됩니다104.

플라보노이드는 주로 식물에서 발견되는 저분자량 페놀성 화합물입니다. 이 화합물들은 생물적 및 비생물적 스트레스 요인으로부터 식물을 보호하는 데 기여합니다105. 식물 내에서 신호 전달 분자, 해독제, 자외선 차단제 등 다양한 역할을 수행한다106. 또한, 종종 톨 유사 수용체(TLR)의 활성을 조절함으로써 항균 특성을 나타낸다107. 예를 들어, 플라보노이드 계열의 케임페롤은 박테리아의 쿼럼 센싱(QS)을 방해하는 것으로 밝혀졌다. QS는 생물막 형성에 필수적인 박테리아 의사소통 시스템이며, 이 시스템을 억제하면 항균제의 효과를 높일 수 있습니다108. 또한, 또 다른 플라보노이드인 바이칼린은 박테리아 의사소통에 필수적인 신호 전달 물질인 아실-호모세린 락톤(AHL)의 합성과 QS 유전자 발현을 억제하여 P. aeruginosa에 대해 항-QS 활성을 발휘합니다109. 또한 바이칼레인은 레보플록사신, 암피실린/클라불란산, 세프타지딤과 같은 항생제의 항균 효능을 강화합니다110. 마찬가지로, 플라보노이드 3,4,7-트리하이드록시플라본은 유출 펌프 억제제인 PaβN과 시너지 효과를 나타내며, 다제내성(MDR) 대장균(E. coli) 및 프로비덴시아 스튜어티(Providencia. stuartii)에서 유출 펌프의 기질로서의 잠재력을 시사합니다111. 흥미로운 점은 또 다른 플라보노이드인 이소케르시트린이 DNA 단편화와 카스파제 활성화를 촉진하여 산화 스트레스와 세균 세포 사멸을 유도함으로써 항균 활성을 강화한다112,113.

스틸벤은 포도, 베리류, 견과류 등의 과일에서 발견되는 식물 대사산물이다. 그들은 B. subtilis 및 S. aureus와 같은 그람 양성균에 대해 항균 특성을 나타낸다114. 이 화합물들은 페놀기를 가진 방향족 고리를 포함하며, 페놀기 인접 이중 결합의 존재로 인해 cis 및 trans 이성질체로 존재할 수 있다. 또한, 그들은 용혈을 통해 S. aureus의 독성을 감소시킨다115. 적포도주에 함유된 레스베라트롤과 같은 스틸벤은 항염증 및 항균 특성을 지닙니다58,116,117. 또한 레스베라트롤은 황색포도상구균(S. aureus)에 대한 겐타마이신, 카나마이신, 네오마이신, 스트렙토마이신과 같은 항생제의 효과를 증강시키는 것으로 나타났습니다118. 베리와 포도에서 발견되는 또 다른 스틸벤인 프테로스틸벤은 S. aureus에 대한 반코마이신의 효능을 향상시킵니다119,120. 또한, 스틸벤 화합물인 피세아탄놀은 S. aureus에 대한 시프로플록사신의 활성을 증강시킵니다121.

테르펜과 그 산소화 유도체인 테르페노이드는 이소프렌 단량체 단위로 구성된 탄화수소입니다. 테르페노이드의 화학 구조는 기능군의 변형을 통해 변경될 수 있으며, 이로 인해 다양한 화합물이 생성됩니다122. 그중에서도 많은 에센셜 오일에 존재하는 세스퀴테르펜 파네솔은 Burkholderia pseudomallei에 대한 베타-락탐 항생제의 활성을 증강시키는 능력이 입증되었습니다. 구체적으로 파네솔은 아목시실린과 암피실린의 최소억제농도(MIC)를 감소시켜 이 병원체에 대한 효능을 향상시킵니다. 아목시실린의 MIC는 8배, 암피실린의 경우 3배 감소시키는 것으로 나타났습니다. 또한 S. aureus 및 S. mutans에 대한 항균 활성도 확인되었습니다123. 또 다른 테르펜인 카르바크롤과 옥사실린의 조합은 MRSA에 대해 시너지 효과를 나타낸다124. 이 외에도 카르바크롤과 티몰 같은 테르펜은 각각 옥사실린 및 테트라사이클린과 같은 항생제와 시너지 효과를 발휘하여 황색포도상구균(S. aureus) 및 대장균(E. coli)에 대항한다125. 또한 유제놀은 세포탁심 및 시프로플록사신과 같은 항생제의 대장균(E. coli) 및 폐렴균(K. pneumoniae)에 대한 항균 활성을 증가시키는 것으로 밝혀진 또 다른 테르펜이다126. 더불어 피넨은 겐타마이신, 시프로플록사신, 아미카신과 같은 항생제의 유입을 촉진하여 세균 세포막을 파괴함으로써 항균 효과를 증강시킨다127.

알칼로이드는 고리 구조를 특징으로 하는 다양한 질소 함유 화합물군이다128. 질소 원자의 존재로 인해 알칼로이드는 다양한 생체 분자와 수소 결합을 형성하여 생물학적 활성을 증진시킨다129. 이들은 씨앗, 잎, 나무껍질, 열매, 뿌리 등 식물 전반에 널리 분포한다. 알칼로이드는 산성 pH에서는 물에, 알칼리성 pH에서는 유기 용매에 용해되어 다양한 환경에서 다용도로 활용된다. 또한, 이들은 아마릴리스과(Amaryllidaceae), 부르세라과(Burseraceae), 카파라과(Capparaceae), 미모사과(Mimosaeae), 포도과(Vitaceae), 그리고 틸리아과(Tiliaceae)130 등 여러 식물과에 걸쳐 널리 분포합니다. 더불어, 이들은 특히 대장균(E. coli), 살모넬라(Salmonella), 황색포도상구균(S. aureus)16과 같은 다제내성(MDR) 병원체에 대해 상당한 항균 활성을 나타냅니다. 알칼로이드가 항생제 내성을 극복하는 주요 작용 기전은 배출 펌프 억제를 통한 것이다. 스쿠알라민(squalamine) 및 토마티딘(tomatidine)과 같은 다른 화합물들은 세포막 투과성을 변화시키는 것으로 밝혀졌다131,132. 알칼로이드인 피페린(piperine)은 시프로플록사신(ciprofloxacin)과 함께 투여될 때 배출 펌프를 억제함으로써 황색포도상구균(S. aureus)에 대한 항생제의 활성을 증강시킨다133. 마찬가지로 토마티딘과 암피실린, 세페핌, 젠타마이신, 시프로플록사신 같은 항생제의 병용은 녹농균(P. aeruginosa), 황색포도상구균(S. aureus), 분변대장균(E. faecalis) 같은 병원체에 대한 항생제 효능을 증강시키는 것으로 나타났다.

미생물 및 곰팡이 대사산물은 항균, 항염증, 항암 특성을 포함한 다양한 생물학적 활성으로 알려져 있다. EA-371α 및 EA-371δ와 같은 화합물은 미생물에서 유래한 발효 생성물이다. 이들은 레보플록사신과 병용 시 녹농균에 대해 시너지 효과를 나타낸다. 이러한 증강 효과는 이들이 배출 펌프를 억제하는 능력과 관련이 있다134. 또 다른 흥미로운 화합물인 아라노로신은 Macella aurantiaca FKI-6588에서 분리되었으며, 아미노글리코사이드와 시너지 효과를 보인다. 가능한 기전은 β-락타마제와 같은 내성 관련 효소 억제와 관련이 있습니다71. 또한, A. baumannii 파지에서 유래한 파지 유래 효소인 디폴리머레이스-Dpo71은 A. baumannii의 콜리스틴 감수성을 향상시킵니다. 이 시너지 효과의 정확한 기전은 아직 명확하지 않지만, 디폴리머레이스 작용을 통한 세균 외막 불안정화와 관련이 있을 수 있습니다135.

Synthetic agents for antibiotic potentiation

In the fight against MDR pathogens, drug combinations such as antibiotics and β-lactamase inhibitors are some of the effective strategies. Synthetic peptides and peptidomimetics, which resemble natural antimicrobial peptides in their physical, chemical, and biological properties, have gained attention as potential antibiotic potentiators. These include peptoids, AApeptides, peptides with non-natural amino acids, and stapled peptides136. For example, polymyxin B nonapeptide, which is free of fatty acid chains, has demonstrated synergy with antibiotics like rifampicin, clarithromycin, and mupirocin. They act against E. coli, A. baumannii, and K. pneumoniae137. Furthermore, studies have shown that this potentiation is due to the perturbation of the bacterial outer membrane and the upregulation of stress response sensors138. Scientists have found that short peptides such as S, S1-Nal, and S1-Nal-Nal enhance the activity of vancomycin against E. faecium, A. baumannii, and E. coli. They can alter the membrane permeability to the antibiotic139. Additionally, another peptidomimetic, dUSTBP, potentiates novobiocin and rifampicin against A. baumannii and E. coli. It acts by modifying the outer membrane permeability and thus facilitating antibiotic uptake140. Moreover, CEP-136, which is a peptidomimetic, also modifies membrane permeability and helps to increase the effectiveness of clarithromycin and azithromycin against pathogens like E. coli, A. baumannii, and K. pneumoniae17.

Nanoparticles are solid particles with distinct properties compared to their metal counterparts, ranging in size from 10 to 1000 nm, and they have emerged as promising drug delivery systems with significant antibacterial activity141,142. Their antibacterial properties are attributed to several mechanisms, including gene expression‎ modulation, metabolic pathway alteration, membrane structure modification, reactive oxygen species (ROS) generation, and enzyme inhibition143. For instance, silver nanoparticles (AgNP) have been shown to reduce the minimum inhibitory concentration (MIC) of amikacin against MDR pathogens such as K. pneumoniae, P. aeruginosa, and E. coli144. Moreover, zinc oxide nanoparticles exhibit synergistic effects with a broad range of antibiotics, including chloramphenicol, amikacin, tetracycline, and ampicillin. They are effective against both Gram-positive and Gram-negative pathogens like E. coli, P. aeruginosa, K. pneumoniae, S. typhimurium, B. cereus, B. subtilis, and S. aureus145. Recent studies have also explored the use of gold (AuNP) and copper nanoparticles (CuNP) as antibiotic potentiators. For example, CuNP derived from ginger and garlic showed synergistic effects with doxycycline against E. coli and P. aeruginosa146. AuNP has been found to enhance the activity of ciprofloxacin and cefotaxime against Salmonella species by promoting ROS production60.

Acids and their derivatives such as phthalic acid, succinic acid, and carboxylic acid have shown potential as antibiotic potentiators against MDR pathogens. Alkyl and amino-substituted phthalic acids, for example, possess β-lactamase inhibiting properties. Additionally, 3-amino phthalic acid has been shown to enhance the effectiveness of carbapenem antibiotics against P. aeruginosa. Similarly, substituted succinic acid reverses P. aeruginosa resistance to imipenem. Another example is cyclopropane, a carboxylic acid derivative that, when combined with colistin, potentiates the antibiotic against both gram-positive and gram-negative bacteria147,148,149.

Due to the recent approval of platinum-containing compounds as anti-cancer agents, there is a rising interest in the use of metals against MDR pathogens150. Metallopolymers, which are synthetic molecules composed of metals and polymers, have shown promise in this regard151. A recent study suggested that combinations of metallopolymers with ineffective antibiotics exhibit synergy against MDR pathogens like E. coli and P. aeruginosa. For example, the combination of cobaltocenium-based polymers with ceftazidime, rifampicin, and minocycline resulted in a significant reduction in antibiotic resistance. These reductions were about 2-fold, 18-fold, and 16-fold against E. coli, respectively. The potentiation mechanism involves inhibition of β-lactamase hydrolysis by ceftazidime, alteration of outer membrane permeability by rifampicin, and membrane perturbation by minocycline150. Another cobaltocenium polymer exhibits synergy with different beta-lactam antibiotics through the formation of ionic complexes152. Additionally, synthetic amphiphiles, which alter membrane permeability, have shown potential as antibiotic potentiators. Furthermore, the combinations of benzyl hydrophile with norfloxacin and tetracycline demonstrate synergistic effects against E. coli and S. aureus153. These findings highlight the diverse strategies employed to overcome MDR pathogens, underscoring the importance of combining natural and synthetic antibiotic potentiators in the fight against antimicrobial resistance. Various natural and synthetic antibiotic potentiators are discussed in Table 1.

항생제 효능 증강을 위한 합성 제제

다제내성 병원체와의 싸움에서 항생제와 β-락타마제 억제제 같은 약물 조합은 효과적인 전략 중 일부입니다. 물리적, 화학적, 생물학적 특성에서 천연 항균 펩타이드와 유사한 합성 펩타이드 및 펩티도미메틱은 잠재적 항생제 효능 증강제로 주목받고 있습니다. 여기에는 펩토이드, AA펩타이드, 비천연 아미노산을 포함한 펩타이드, 스테이플드 펩타이드 등이 포함됩니다136. 예를 들어, 지방산 사슬이 없는 폴리믹신 B 9펩타이드(polymyxin B nonapeptide)는 리팜피신(rifampicin), 클라리스로마이신(clarithromycin), 무피로신(mupirocin)과 같은 항생제와의 시너지 효과를 입증했다. 이들은 대장균(E. coli), 녹농균(A. baumannii), 폐렴간균(K. pneumoniae)에 대해 작용한다137. 또한 연구에 따르면 이러한 증강 효과는 세균 외막의 교란과 스트레스 반응 센서의 상향 조절에 기인한다138.

과학자들은 S, S1-Nal, S1-Nal-Nal과 같은 짧은 펩타이드가 반코마이신의 E. faecium, A. baumannii, E. coli에 대한 활성을 증강시킨다는 사실을 발견했습니다. 이들은 항생제에 대한 막 투과성을 변화시킬 수 있습니다139. 또한, 또 다른 펩티도미메틱인 dUSTBP는 A. baumannii 및 E. coli에 대한 노보비오신과 리팜피신의 효과를 증강시킵니다. 이는 외막 투과성을 수정하여 항생제 흡수를 촉진함으로써 작용한다140. 또한 펩티도미메틱인 CEP-136 역시 막 투과성을 수정하여 클라리트로마이신과 아지트로마이신의 대장균(E. coli), 녹농균(A. baumannii), 폐렴간균(K. pneumoniae) 같은 병원체에 대한 효과를 높이는 데 도움을 준다17.

나노 입자는 금속 입자와 비교하여 뚜렷한 특성을 지닌 고체 입자로, 크기는 10~1000nm이며, 상당한 항균 활성을 지닌 유망한 약물 전달 시스템으로 부상하고 있다141,142. 나노 입자의 항균 특성은 유전자 발현 조절, 대사 경로 변경, 막 구조 수정, 활성산소종(ROS) 생성, 효소 억제 등 여러 메커니즘에 기인한다143. 예를 들어, 은 나노 입자(AgNP)는 K. pneumoniae, P. aeruginosa 및 E. coli와 같은 다제내성 병원체에 대한 아미카신의 최소억제농도(MIC)를 감소시키는 것으로 나타났습니다144. 또한, 산화아연 나노입자는 클로람페니콜, 아미카신, 테트라사이클린, 암피실린을 포함한 광범위한 항생제와 시너지 효과를 나타냅니다. 이들은 대장균(E. coli), 녹농균(P. aeruginosa), 폐렴균(K. pneumoniae), 살모넬라 티피무리움(S. typhimurium), 보늬버섯(B. cereus), 포도상구균(B. subtilis), 황색포도상구균(S. aureus)과 같은 그람양성균 및 그람음성균 병원체 모두에 효과적입니다145. 최근 연구에서는 금(AuNP) 및 구리 나노입자(CuNP)를 항생제 증강제로 활용하는 방안도 탐구되었다. 예를 들어 생강과 마늘 유래 CuNP는 대장균(E. coli) 및 녹농균(P. aeruginosa)에 대해 독시사이클린과 시너지 효과를 나타냈다146. AuNP는 활성산소(ROS) 생성을 촉진함으로써 살모넬라(Salmonella) 종에 대한 시프로플록사신 및 세포탁심 활성을 증강시키는 것으로 밝혀졌다60.

프탈산, 숙신산, 카르복실산과 같은 산 및 그 유도체들은 다제내성 병원체에 대한 항생제 효능 증강제로서 잠재력을 보여주고 있다. 예를 들어, 알킬 및 아미노 치환 프탈산은 β-락타마제 억제 특성을 지닌다. 또한, 3-아미노 프탈산은 녹농균(P. aeruginosa)에 대한 카르바페넴계 항생제의 효과를 증강시키는 것으로 나타났다. 마찬가지로 치환된 숙신산은 녹농균의 이미페넴 내성을 역전시킵니다. 또 다른 예로 카르복실산 유도체인 사이클로프로판은 콜리스틴과 결합할 때 그람양성균과 그람음성균 모두에 대한 항생제 효과를 증강시킵니다147,148,149.

백금 함유 화합물이 항암제로 최근 승인됨에 따라 다제내성 병원체에 대한 금속 활용에 대한 관심이 증가하고 있다150. 금속과 중합체로 구성된 합성 분자인 금속중합체는 이 점에서 유망함을 보여주고 있다151. 최근 연구에 따르면, 효과 없는 항생제와 금속중합체의 조합은 대장균(E. coli) 및 녹농균(P. aeruginosa)과 같은 다제내성 병원체에 대해 시너지 효과를 나타낸다. 예를 들어, 코발토세늄 기반 중합체와 세프타지딤, 리팜피신, 미노사이클린의 조합은 항생제 내성을 현저히 감소시켰다. 이러한 감소 효과는 대장균에 대해 각각 약 2배, 18배, 16배에 달했다. 이 증강 메커니즘은 세프타지딤에 의한 β-락타마제 가수분해 억제, 리팜피신에 의한 외막 투과성 변화, 미노사이클린에 의한 막 교란을 포함한다150. 또 다른 코발토세늄 폴리머는 이온 복합체 형성을 통해 다양한 베타-락탐 항생제와 시너지 효과를 나타낸다152. 또한 막 투과성을 변화시키는 합성 양친매성 물질은 항생제 증강제로서의 잠재력을 보여주고 있다. 또한 벤질 친수성 물질과 노르플록사신, 테트라사이클린의 조합은 대장균(E. coli)과 황색포도상구균(S. aureus)에 대해 시너지 효과를 나타낸다153. 이러한 연구 결과는 다제내성 병원체를 극복하기 위해 활용되는 다양한 전략을 보여주며, 항생제 내성 퇴치를 위해 천연 및 합성 항생제 증강제를 병용하는 것의 중요성을 강조한다. 다양한 천연 및 합성 항생제 증강제는 표 1에 논의되어 있다.

표 1은 다양한 박테리아 분리균에 대한 주요 천연 및 합성 항생제 강화제와 시너지 효과를 위해 사용된 항생제를 보여줍니다.

Table 1 Shows major natural and synthetic antibiotic potentiators against various bacterial isolates and the antibiotic used for synergy

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Limitations and future perspectives

The use of an antibiotic potentiator in combination with antibiotics is still in the development stage. Candidates, such as SPR741 and pentamidine, are in clinical trials12. Moreover, since these involve the combination of two drugs, the potential side effects of drug-drug interactions remain unknown. For these reasons, a study on the pharmacokinetic and pharmacodynamic effects of the combination is needed154. Additionally, further studies should explore any off-target effects of the antibiotic potentiators that target cell membranes and efflux pumps12.

Additional limitations include toxicity, developed resistance, and the effect of the potentiator compound on the host cell. First, since most of the compounds are novel, their complete characteristics are not yet known, creating a need to understand their toxicology. Moreover, the combination of an antibiotic and its potentiator may produce some toxic byproducts. Combinations require optimal dispersion of the two compounds to achieve maximum efficacy; thus, any variation in dispersion at the target site can reduce the effectiveness of the combination155. Second, there is a chance that bacteria may develop resistance against the combination. Bacteria can develop chromosomal or acquired resistance to the new agents. For example, there have been reports of TEM-1 and SHV-2 ESBLs showing resistance to clavulanic acid156. Third, these compounds may impact the host cell, including its cellular metabolism. Therefore, more in vivo studies are needed to establish the effects on the host cell12. In addition, regulatory approval for clinical trials is challenging, as potentiators often lack inherent antibacterial activity157. Efforts should be taken to overcome these challenges in order to address AMR, as the combination of antibiotics and the antibiotic potentiator molecule can significantly contribute to combating AMR.

New and advanced technologies for antibiotic potentiation

Advancements in technology have significantly accelerated research on antibiotic potentiation. One important advancement is improved nanotechnology158. This cutting-edge technology will likely play a pivotal role in antibiotic potentiation research. For example, Khan et al.159 showed improved drug delivery and significant antibacterial activity with chitosan nanoparticles, a natural polymer typically found in the exoskeleton of crustaceans, such as shrimp. Anionic polysaccharides like alginates and various proteins, including albumin and ferritin, have also been identified as effective nanoparticles that can deliver either single or combinations of antimicrobial agents160,161. One key mechanism of action of this nanoparticle drug delivery system is its production of various reactive oxygen species (ROS), which may lead to a reduction in ATP levels and DNA damage. For instance, various metal-based nanoparticles, such as Zn and Ag, produce ROS by causing initial membrane damage162,163. Additionally, natural products with antibacterial properties are nanosized and used in drug delivery. For example, in wound healing, curcumin has been employed as a nano-drug delivery system and has proven to be highly effective164. Moreover, A. vera extracts and eucalyptol have also demonstrated effectiveness in drug delivery as nanoemulsions165,166. Most of these advanced technologies focus on ROS production as mentioned previously. Lv et al.167 identified the significance of heat shock and its role in antibiotic potentiation, particularly regarding aminoglycosides against E. coli, A. baumannii, and K. pneumoniae. CRISPR-based gene editing is gaining widespread acceptance, and various genomic approaches have demonstrated significant antibiotic potentiation effects. Otoupal et al.168 studied the synergistic interactions between different drugs and gene knockout models of an E. coli strain. The gene knockouts primarily targeted non-essential gene expressions based on CRISPR and found significant synergy with various combinations of antibiotics and knockouts. Another study identified the involvement of a transcriptional regulator, ampR, in β-lactamase overexpression‎. When this pathway was inhibited with an antibiotic potentiator, antibiotic resistance decreased, making the targeted P. aeruginosa population susceptible to the β-lactam antibiotic, Ceftazidime169. Furthermore, RecA is a critical factor in antibiotic resistance as it is involved in SOS-mediated DNA repair. Scientists have identified certain inhibitors, such as phthalocyanine tetra sulfonic acid, which inhibit RecA and enhance the effects of antibiotics on both gram-positive and gram-negative bacteria170. Therefore, genomic approaches in identifying potentiating targets are significant.

Additionally, proteomics approaches, along with transcriptomics and metabolomics, have significant possibilities in this research area171. For example, the cell membrane remodeling of K. pneumoniae was studied using techniques such as tandem mass tag (TMT) labeling, which is a chemical labeling technique used in mass spectrometry to identify relative protein abundance, and liquid chromatography mass spectrometry (LC-MS) metabolomics, which helps to separate, identify, and quantify metabolites. These techniques revealed possible mechanisms of polymyxin resistance172. Another study screened certain natural compounds showing anti-bacterial activity based on a chemical motif structure using the proteomics approach173. All the “omics” techniques provide a solid scientific foundation to pursue newer ideas regarding antibiotic potentiators or new targets.

Finally, machine learning and artificial intelligence are effective in medical research, including drug discovery174. Olcay et al.175 showed that a machine learning model called a hyperparameter-optimized light gradient-boosted machine classifier achieved an accuracy of 76.92% in predicting synergy between antimicrobial agents. This technology could save thousands of dollars per laboratory experiment. Moreover, machine learning-based screening has identified potentiators of β-lactams and other antibiotics against a wide variety of bacteria176,177,178. Artificial intelligence to predict drug targets is also a promising tool. Recently, new antibiotics were predicted against A. baumanii infections using a synergism prediction of demethoxycurcumin and colistin with a quantitative structure-activity relationship (QSAR) screening model179. Molecular docking is a very promising strategy in this aspect as it helps identify ligand-protein docking and predict the best interactions among the interacting compounds180,181,182. Overall, cutting-edge technologies have the potential to accelerate therapeutic drug discovery research, including antibiotic potentiators.

Conclusion

The rise in antibiotic resistance is a significant global issue that must be addressed urgently. Efforts should treat human and animal health as a single entity because antibiotic resistance has co-evolved alongside the introduction of newer antibiotics. New strategies to combat antibiotic resistance need to be implemented. Antibiotic potentiation presents a promising approach. A wide variety of natural and synthetic agents are effective in this area, including their action on biofilms. Additionally, most natural compounds have limited side effects and align with the concept of One Health. Meanwhile, technological advancements are facilitating the identification of new drug targets more efficiently and quickly. The capacity to identify new compounds that are safe and also produce synergistic effects with existing antibiotics against major bacterial pathogens will aid in controlling global antibiotic resistance and its associated increasing death toll.

한계 및 향후 전망

항생제 강화제를 항생제와 함께 사용하는 것은 아직 개발 단계에 있습니다. SPR741 및 펜타미딘과 같은 후보 물질들은 임상 시험 단계에 있다12. 또한, 두 약물의 병용을 수반하기 때문에 약물-약물 상호작용의 잠재적 부작용은 아직 알려지지 않았다. 이러한 이유로, 병용 요법의 약동학적 및 약력학적 효과에 대한 연구가 필요하다154. 또한, 세포막 및 배출 펌프를 표적으로 하는 항생제 증강제의 비표적 효과에 대한 추가 연구가 필요하다12.

추가적인 한계로는 독성, 내성 발생, 증강제 화합물이 숙주 세포에 미치는 영향 등이 있다. 첫째, 대부분의 화합물이 신규 물질이므로 완전한 특성이 아직 알려지지 않아 독성학적 이해가 필요하다. 또한 항생제와 증강제의 조합은 일부 독성 부산물을 생성할 수 있다. 최대 효능을 달성하려면 두 화합물의 최적 분산이 필요하므로, 표적 부위에서의 분산 변동은 조합의 효과를 저하시킬 수 있다155. 둘째, 세균이 조합에 대한 내성을 발달시킬 가능성이 있다. 세균은 새로운 약제에 대해 염색체적 또는 획득적 내성을 발달시킬 수 있다. 예를 들어, TEM-1 및 SHV-2 ESBL이 클라불란산에 내성을 보인다는 보고가 있다156. 셋째, 이러한 화합물은 숙주 세포의 세포 대사를 포함한 기능에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 숙주 세포에 미치는 영향을 규명하기 위해 더 많은 생체 내 연구가 필요합니다12. 또한, 증강제는 본질적인 항균 활성을 갖추지 못한 경우가 많아 임상 시험에 대한 규제 승인이 어렵습니다157. 항생제와 항생제 증강제 분자의 조합은 항생제 내성(AMR) 대응에 크게 기여할 수 있으므로, 이러한 과제를 극복하기 위한 노력이 필요합니다.

항생제 효능 증강을 위한 신기술 및 첨단 기술

기술 발전은 항생제 효능 증강 연구를 크게 가속화했다. 중요한 진전 중 하나는 개선된 나노기술이다158. 이 첨단 기술은 항생제 효능 증강 연구에서 중추적 역할을 할 것으로 보인다. 예를 들어, Khan 등159은 새우 등 갑각류의 외골격에서 주로 발견되는 천연 고분자인 키토산 나노입자를 사용하여 향상된 약물 전달과 상당한 항균 활성을 보여주었다. 알긴산염과 같은 음이온성 다당류와 알부민 및 페리틴을 포함한 다양한 단백질도 단일 또는 복합 항균제를 전달할 수 있는 효과적인 나노입자로 확인되었다160,161. 이 나노입자 약물 전달 시스템의 주요 작용 기전 중 하나는 다양한 활성산소종(ROS)을 생성하여 ATP 수준 감소와 DNA 손상을 유발할 수 있다는 점이다. 예를 들어 아연(Zn) 및 은(Ag)과 같은 다양한 금속 기반 나노입자는 초기 막 손상을 유발하여 ROS를 생성한다162,163. 또한 항균 특성을 지닌 천연물도 나노 크기로 제조되어 약물 전달에 활용된다. 예를 들어, 상처 치유에서 커큐민은 나노 약물 전달 시스템으로 활용되어 매우 효과적인 것으로 입증되었습니다164. 또한, 알로에 베라 추출물과 유칼립톨도 나노에멀젼 형태로 약물 전달에 효과적임을 보여주었습니다165,166. 앞서 언급한 바와 같이, 이러한 첨단 기술 대부분은 ROS 생성에 초점을 맞추고 있습니다. Lv 등167은 열 충격의 중요성과 항생제 효능 증강, 특히 E. coli, A. baumannii 및 K. pneumoniae에 대한 아미노글리코사이드 항생제에서의 역할을 확인했습니다. CRISPR 기반 유전자 편집은 널리 수용되고 있으며, 다양한 유전체 접근법이 상당한 항생제 효능 증강 효과를 입증했습니다. Otoupal 등168은 서로 다른 약물과 E. coli 균주의 유전자 녹아웃 모델 간의 시너지적 상호작용을 연구했습니다. 유전자 결손은 주로 CRISPR 기반 비필수 유전자 발현을 표적으로 삼았으며, 다양한 항생제와 결손 조합 간 상당한 시너지 효과를 확인했다. 또 다른 연구에서는 전사 조절인자 ampR이 β-락타마제 과발현에 관여함을 규명했다. 항생제 증강제로 이 경로를 억제했을 때 항생제 내성이 감소하여 표적화된 P. aeruginosa 집단이 β-락탐계 항생제인 세프타지딤169에 감수성을 보였다. 또한 RecA는 SOS 매개 DNA 복구에 관여하는 항생제 내성의 핵심 요소이다. 과학자들은 프탈로시아닌 테트라 설폰산과 같은 특정 억제제를 확인했는데, 이는 RecA를 억제하고 그람 양성균과 그람 음성균 모두에 대한 항생제의 효과를 증강시킨다170. 따라서 증강 표적 식별을 위한 게놈 접근법은 중요하다.

또한 프로테오믹스 접근법은 전사체학 및 대사체학과 함께 이 연구 분야에서 상당한 가능성을 지닌다171. 예를 들어, K. pneumoniae의 세포막 재구성은 상대적 단백질 농도를 식별하기 위해 질량 분석에 사용되는 화학적 표지 기술인 탠덤 질량 태그(TMT) 표지법과 대사체를 분리, 식별 및 정량화하는 액체 크로마토그래피 질량 분석법(LC-MS) 대사체학 등의 기법을 사용하여 연구되었다. 이러한 기법들은 폴리믹신 내성의 가능한 메커니즘을 밝혀냈다172. 또 다른 연구에서는 프로테오믹스 접근법을 활용하여 화학적 모티프 구조를 기반으로 항균 활성을 보이는 특정 천연 화합물을 선별하였다173. 모든 “오믹스” 기법들은 항생제 증강제나 새로운 표적에 관한 새로운 아이디어를 추구하기 위한 견고한 과학적 기반을 제공한다.

마지막으로, 머신 러닝과 인공 지능은 신약 개발을 포함한 의학 연구에서 효과적이다174. Olcay 등175은 하이퍼파라미터 최적화 경사 증강 머신 분류기(LGBM)라는 머신 러닝 모델이 항균제 간 시너지 효과를 예측하는 데 76.92%의 정확도를 달성했음을 보여주었다. 이 기술은 실험실 실험당 수천 달러를 절약할 수 있다. 또한 머신 러닝 기반 스크리닝은 다양한 세균에 대한 β-락탐 및 기타 항생제의 증강제 식별에 활용되었다176,177,178. 약물 표적 예측을 위한 인공지능 역시 유망한 도구이다. 최근 데메톡시커큐민과 콜리스틴의 시너지 효과를 정량적 구조-활성 관계(QSAR) 스크리닝 모델로 예측하여 A. baumanii 감염에 대한 신약 항생제를 예측하였다179. 분자 도킹은 리간드-단백질 도킹을 식별하고 상호작용하는 화합물들 사이에서 최적의 상호작용을 예측하는 데 도움을 주므로 이 측면에서 매우 유망한 전략이다180,181,182. 전반적으로 첨단 기술들은 항생제 증강제를 포함한 치료용 약물 발견 연구를 가속화할 잠재력을 지닌다.

결론

항생제 내성의 증가는 시급히 해결해야 할 중대한 글로벌 문제이다. 항생제 내성은 새로운 항생제의 도입과 함께 공진화해 왔기 때문에, 인간과 동물 건강을 하나의 통합된 체계로 다루는 노력이 필요하다. 항생제 내성에 대응하기 위한 새로운 전략이 시행되어야 한다. 항생제 증강은 유망한 접근법을 제시한다. 생물막에 대한 작용을 포함하여, 다양한 천연 및 합성 물질이 이 분야에서 효과적이다. 또한 대부분의 천연 화합물은 부작용이 제한적이며 ‘원 헬스(One Health)’ 개념과 부합한다. 한편 기술 발전은 새로운 약물 표적의 효율적이고 신속한 식별을 용이하게 하고 있다. 주요 세균성 병원체에 대해 기존 항생제와 시너지 효과를 발휘하면서도 안전한 신규 화합물을 식별할 수 있는 능력은 전 세계적 항생제 내성 및 이에 따른 증가하는 사망자 수 통제에 기여할 것이다.

Data availability

No datasets were generated or analysed during the current study.

References

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