Proregeneracyjne, przeciwdrobnoustrojowe i immunomodulujące właściwości piomelaniny Pseudomonas aeruginosa

Abstract

Piomelanina (PyoM) wytwarzana przez bakterie Pseudomonas aeruginosa z racji swoich unikalnych właściwości fizykochemicznych i biologicznych, jest rozważana jako substancja o działaniu przeciwoksydacyjnym, cytoprotekcyjnym, przeciwbakteryjnym, a także stymulującym regenerację uszkodzonych tkanek i aktywującą komórki odpornościowe. W niniejszej rozprawie doktorskiej scharakteryzowano właściwości fizykochemiczne i biologiczne dwóch wariantów naturalnej PyoM: rozpuszczalnej (PyoMsol) lub nierozpuszczalnej w wodzie (PyoMinsol), oraz syntetycznego odpowiednika tego polimeru. Zoptymalizowano sposób ich wytwarzania. W naturalnej i syntetycznej PyoM wykazano obecność grup funkcyjnych charakterystycznych dla związków melaninowych oraz wysoką termoodporność PyoM. Bakteryjne PyoM w przeciwieństwie do wariantu syntetycznego cechowały się wysoką cytokompatybilnością względem komórek oraz bezpieczeństwem in vivo na modelu Galleria mellonella. Na modelu komórek nabłonkowych żołądka wykazano działanie przeciwbakteryjne naturalnych PyoM wobec pałeczek Helicobacter pylori (H. pylori), zarówno wobec szczepów wzorcowych jak i klinicznych, a także zdolność PyoM do neutralizacji stresu oksydacyjnego, ograniczenia apoptozy i przywracania barierowości komórek. PyoMsol nasilała aktywność fagocytarną monocytów zahamowaną przez komponenty H. pylori i aktywowała czynnik NF-κB. Uzyskane wyniki wskazują na potencjał PyoM w ograniczaniu zakażenia H. pylori i jego negatywnych skutków dla nabłonka żołądka. W przeprowadzonych badaniach wykazano istotną rolę bakteryjnej PyoM we wspomaganiu migracji komórek kościotwórczych, a także ograniczaniu apoptozy indukowanej doksorubicyną. W środowisku osteoblastów bakteryjne PyoM nasilały aktywność fosfatazy alkalicznej i sekrecję osteokalcyny, inteleukiny (IL)-6, IL-10 oraz czynnika martwicy guza-α, które stanowią kluczowe markery osteoindukcji i osteokondukcji. W pracy wykazano także przeciwbakteryjne właściwości PyoM przeciwko klinicznym szczepom Staphylococcus sp. wyizolowanym z zakażonej tkanki kostnej.

Pyomelanin (PyoM) produced by Pseudomonas aeruginosa, due to its unique physicochemical and biological properties, has been considered a stimulator of tissue regeneration and an immunomodulator, as well as an antibacterial, antioxidant, and cytoprotective biomolecule. This doctoral dissertation characterizes the physicochemical and biological properties of two variants of natural PyoM: soluble or water-insoluble, as well as the synthetic form of this polymer. The study revealed the presence of hydroxyl and carboxyl groups in PyoM molecules, which are representative of melanin compounds. The thermogravimetric analysis showed high heat resistance of the tested PyoM. Bacterial PyoM, unlike the synthetic variant, exhibited high cytocompatibility against cells and safety for the Galleria mellonella. The antibacterial effect of natural PyoM against Helicobacter pylori (H. pylori), including the reference and clinical strains was showed, as well as the ability of PyoM to neutralize the oxidative stress, limit apoptosis and restore the gastric cell barrier. The study demonstrated that bacterial PyoM improve the phagocytic activity of monocytes inhibited by H. pylori components and activate the NF-κB transcription factor. The studies demonstrated the important role of PyoM in supporting the migration of bone-forming cells and limiting apoptosis induced by doxorubicin. In the cell cultures of osteoblasts, bacterial PyoM increased the activity of alkaline phosphatase and the secretion of osteocalcin, interleukin (IL)-6, IL-10 and tumour necrosis factor-α, which are the key markers of osteoinduction and osteoconduction. The study also presented the antibacterial properties of PyoM against clinical strains of Staphylococcus sp. isolated from infected bone tissue.