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Plant-derived antimicrobial agents and their synergistic interaction against drug-sensitive and -resistant pathogens

Mulyaningsih, Sri

German Title: Pflanzliche antimikrobielle Wirkstoffe und ihre synergistischen Wechselwirkungen gegen wirkstoffempfindliche und -resistente Krankheitserreger

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Abstract

Resistance toward antibiotics has become a problem on a global scale. Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and vancomycin-resistant Enterococcus faecalis (VRE) are a major cause of morbidity and mortality in hospitalized patients. To overcome resistance, many antimicrobial agents have been investigated and Traditional Chinese Medicinal (TCM) plants were also examined as source of alternative agents. Eucalyptus globulus Labill (Myrtaceae) was the most active plant among the 84 TCM plants tested against multidrug-resistant bacteria. The results indicate that non-volatile compounds contributed to the antimicrobial activity, instead of the essential oil. However, the essential oil of fruits of E. globulus exerted a strong inhibition against MRSA and VRE, in comparison to the oils of the leaves of E. globulus, E. radiata and E. citriodora. The fruit oil contained mainly aromadendrene, 1,8-cineole and globulol, which was determined by GLC/MS. Aromadendrene might be responsible for the antimicrobial properties, whereas 1,8-cineole and globulol exhibited low activities. Furthermore, the checkerboard assay demonstrated that combinations of 1,8-cineole and aromadendrene reduce the MIC in most cases in an additive way, whereas the time-kill assay indicates a synergistic effect. Chemical investigation of the essential oil of Kadsura longipedunculata Finet et Gagnep (Schisandraceae) detected delta-cadinene, camphene and borneol as the major components. The oil of K. longipedunculata exerted good antimicrobial and trypanocidal activities. Additionally, the oil was confirmed to have antioxidant and cytotoxic activities. Lipoxygenase inhibition and prostaglandin E2 production inhibition accounted for anti-inflammatory activity of the oil. Two major components of the oil, camphene and borneol, might contribute partially to the biological activity. Furthermore, the combination of camphene and borneol act synergistically against the tested bacteria observed by the checkerboard and time-kill methods. Bioassay-guided fractionation of Siegesbeckia pubescens Makino (Asteraceae) substantiated five bioactive compounds identified as daucosterol, pubetallin, siegeskaurolic acid, ent-16beta,17-dihydroxy-kauran-19-oic acid and 16alpha-(–)-kauran-17,19-dioic acid. The isolated compounds showed some different degrees of antimicrobial activity. Additionally, the combination of pubetallin and ent-16beta,17-dihydroxy-kauran-19-oic acid enhanced the inhibitory effect against MRSA observed by the checkerboard method. Antimicrobial activity of some TCM plants has been confirmed and the results validated the use of plants as infection remedies. The essential oils or isolated compounds either given alone or in combination could be promising agents to combat multidrug-resistant pathogenic microorganisms.

Translation of abstract (German)

Antibiotikaresistenz stellt ein zunehmendes globales Problem dar. Der Methicillinresistente Keim Staphylococcus aureus (MRSA) und der Vancomycinresistente Erreger Enterococcus faecalis (VRE) sind die Hauptverursacher von Krankenhausinfektionen, was weltweit zu vielen Todesfällen führt. Um diese Resistenzen zu umgehen wurden bereits viele antimikrobielle Stoffe geprüft. In dieser Studie wurden Pflanzen aus der Traditionellen Chinesischen Medizin (TCM) auf ihre Nutzbarkeit als Quelle alternativer Heilmittel untersucht. Von den 84 untersuchten Pflanzen zeigte Eucalyptus globulus Labill (Myrtaceae) die stärkste Aktivität gegen multiresistente Bakterien. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass nicht das ätherische Öl die Wirksamkeit bedingt, sondern die nicht-flüchtigen Bestandteile des Extraktes. Allerdings wies das ätherische Öl, das aus den Früchten von E. globulus gewonnen wurde, eine starke Inhibition gegen MRSA und VRE auf. Dieser Effekt konnte in den ätherischen Ölen aus den Blättern von E. globulus, E. radiata und E. citriodora nicht beobachtet werden. Mittels GLC/MS konnte nachgewiesen werden, dass das Öl aus den Früchten von E. globulus überwiegend aus Aromadendren, 1,8-Cineol und Globulol besteht. Aromadendren könnte für den antimikrobiellen Effekt verantwortlich sein, wohingegen 1,8-Cineol und Globulol nur eine geringe Aktivität zeigten. Darüber hinaus konnte im Checkerboard-Assay gezeigt werden, dass eine Kombination aus 1,8-Cineol und Aromadendren den MIC reduziert. Diese Analysemethode legt in den meisten Fällen eine additive Wirkung der beiden Stoffe nahe, wohingegen der Time-Kill-Assay einen synergistischen Effekt vermuten lässt. Durch die chemische Untersuchung des ätherischen Öles aus Kadsura longipedunculata Finet et Gagnep (Schisandraceae) konnten die Hauptinhaltsstoffe delta-Cadinene, Camphen und Borneol identifiziert werden. Das Öl aus K. longipedunculata zeigte eine gute antimikrobielle und trypanozide Aktivität. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass das Öl antioxidativ und zytotoxisch wirkt. Der entzündungshemmende Effekt des Öles beruht auf der Inhibition sowohl von Lipoxygenase als auch der Produktion von Prostaglandin E2. Zwei Hauptinhaltsstoffe des Öles, Camphen und Borneol, könnten teilweise zur biologischen Aktivität beitragen. Außerdem konnte sowohl im Checkerboard- als auch im Time-Kill-Assay nachgewiesen werden, dass die Kombination aus diesen beiden Stoffen synergistisch gegen die getesteten Bakterien wirkt. Durch die Bioassay-gelenkte Fraktionierung von Siegesbeckia pubescens Makino (Asteraceae) konnten fünf bioaktive Substanzen identifiziert werden: Daucosterol, Pubetallin, Siegeskaurolische Säure, ent-16beta,17-dihydroxy-kauran-19-oische Säure und 16alpha-(–)-kauran-17,19-dioische Säure. Die isolierten Substanzen zeigten unterschiedliche antimikrobielle Aktivität. Weiterhin konnte im Checkerboard-Assay gezeigt werden, dass eine Kombination von Pubetallin und ent-16beta,17-dihydroxy-kauran-19-oischer Säure den hemmenden Effekt gegen MRSA erhöht. Hiermit konnte die antimikrobielle Aktivität verschiedener TCM-Pflanzen nachgewiesen werden und die Ergebnisse bestätigen, dass Pflanzen als Heilmittel gegen Infektionen eingesetzt werden können. Sowohl die ätherischen Öle als auch die Reinsubstanzen könnten entweder als Monopräparate oder in Kombination Anwendung finden und scheinen viel versprechende Mittel zu sein, um multiresistente Krankheitskeime zu bekämpfen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Wink, Prof. Dr. Michael
Date of thesis defense: 22 July 2010
Date Deposited: 29 Jul 2010 14:05
Date: 2010
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Institute of Pharmacy and Molecular Biotechnology
Subjects: 570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: antimicrobial agents , essential oil , MRSA , terpenoid , synergism
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