Antimikrobiální aktivita extraktů rostlinných druhů GRAS proti ústním patogenním mikroorganismům

Ing. Jindřiška Pilná

Doctoral thesis

Antimicrobial activity of extract from GRAS plant species agains oral pathogenic microorganisms

Abstract:

Onemocnění dutiny ústní způsobené mikrobiální infekcí, například zubní kazy a parodontóza, se řadí mezi nejčastější lidské infekce. Chemické antiseptické přípravky běžně využívané pro jejich léčbu a prevenci jsou však často spojeny s negativními vedlejšími účinky, což omezuje především jejich dlouhodobou aplikaci. Třebaže rostliny považujeme za perspektivní zdroj nových antimikrobiálních látek, víme stále jen málo o jejich inhibičních vlastnostech proti ústním patogenům, stejně tak jako o jejich bezpečnosti z hlediska každodenního používání. Cílem této práce bylo prozkoumat in vitro antimikrobiální aktivitu etanolových extraktů rostlin ze seznamu "Všeobecně považované za bezpečné" (GRAS) a superkritických CO2 chmelových extraktů proti planktonickým kulturám patogenů způsobujících zubní kaz, parodontózu a kandidózu, jmenovitě proti Aggregatibacter actinomycetemcomitans, Bifidobacterium dentium, B. longum, Candida albicans, Eikenella corrodens, Fusobacterium nucleatum subsp. vincentii, Lactobacillus salivarius subsp. salivarius, Porphyromonas gingivalis, Streptococcus mutans, S. salivarius subsp. salivarius a S. sobrinus, za použití bujónové mikrodiluční metody. Výsledky ukázaly, že všechny etanolové extrakty 109 GRAS rostlinných druhů inhibovaly růst alespoň jednoho z testovaných mikroorganismů na minimální inhibiční koncetraci (MIK) rovné nebo nižší než 4096 ug/mL. Pouze 6 z nich ale vykazovalo velmi zajímavé antiseptické účinky proti ústním patogenům na MIK < 100 ug/mL. Tři další druhy pak prokázaly dobrou inhibiční aktivitu na MIK = 128 ug/mL. Co se týká konkrétních výsledků, nejlepší antiseptický efekt byl pozorován u CO2 superkritického a etanolového extraktu druhu Humulus lupulus, které inhibovaly růst všech mikroorganismů na MIK větší nebo rovno 8 ug/mL a MIK větší nebo rovno 16 ug/mL. Metoda CO2 superkritické extrakce tak byla stanovena jako účinnější pro extrakci účinných složek H. lupulus. Etanolové extrakty druhů Capsicum annuum a C. frutescens ukázaly významný antiseptický účinek proti S. sobrinus a S. salivarius (MIK 64 až 128 ug/mL). Orální streptokoky byly také inhibovány Zanthoxylum clava-herculis (MIK větší nebo rovno 64 ug/mL), Helichrysum angustifolium a druhem Myristica fragrans (MIK větší nebo rovno 128 ug/mL), který dále prokázal antimikrobiální aktivitu vůči F. nucleatum (MIK = 64 ug/mL). Zajímavý inhibiční efekt vykázal také extrakt druhu Punica granatum proti C. albicans (MIK = 128 ug/mL) a F. nucleatum (MIK = 64 ug/mL). Růst F. nucleatum byl dále inhibován extrakty druhů Pimenta officinalis a Thea sinensis (MIK = 128 ug/mL). Chemická analýza CO2 superkritických H. lupulus extraktů ukázala, že alfa a beta hořké kyseliny představují 2 hlavní skupiny látek. Převládající alfa hořkou kyselinou byl kohumulon, zatímco kolupulon byl hlavní složkou beta hořkých kyselin. Naše výsledky prokázaly, že 6 rostlinných druhů GRAS, jmenovitě C. annuum, C. frutescens, H. lupulus, M. fragrans, P. granatum a Z. clava-herculis, má dobrý potenciál stát se novými bezpečnými antiseptickými prostředky, které by mohly být používány při výrobě přípravků ústní hygieny, jako jsou například zubní pasty a ústní vody.

Abstract:

Microbial oral diseases such as caries and periodontitis are among the most frequent human infections. Conventional chemical antiseptics used for their treatment and prevention often produce adverse side-effects, which restrict their long-term use. Although plants are considered as perspective sources of novel antimicrobial compounds, little is still known about their inhibitory properties against oral pathogens and about their safety while used on a daily basis. The objective of this study was to investigate in vitro growth-inhibitory effects of ethanol Generally Recognised as Safe (GRAS) plant and supercritical CO2 hop extracts on planktonic cultures of cariogenic, periodontal and candidal human pathogens, namely Aggregatibacter actinomycetemcomitans, Bifidobacterium dentium, B. longum, Candida albicans, Eikenella corrodens, Fusobacterium nucleatum subsp. vincentii, Lactobacillus salivarius subsp. salivarius, Porphyromonas gingivalis, Streptococcus mutans, S. salivarius subsp. salivarius and S. sobrinus using the broth microdilution method. The findings showed that ethanol extracts of all 109 GRAS plant species inhibited the growth of at least one microorganism under study with minimum inhibitory concentration (MIC) equal or lower than 4096 ug/mL. However, only six of them possessed very interesting antiseptic potential against the oral pathogens with MIC < 100 ug/mL. Additionally, three GRAS plant species showed good inhibitory activity with MIC = 128 ug/mL. As far as the particular results are concerned, the best antiseptic effect was observed for both Humulus lupulus CO2 supercritical and ethanol extracts that inhibited the growth of all microorganisms at MICs higher or equal to 8 ug/mL and MICs higher or equal to 16 ug/mL, respectively. Hence, the CO2 supercritical extraction proved to be superior for extraction of active constituents of H. lupulus. Further, the ethanol extracts of Capsicum annuum and C. frutescens showed significant antiseptic potential against S. sobrinus and S. salivarius (MICs from 64 to 128 ug/mL). The oral streptococci were also inhibited by Zanthoxylum clava-herculis (MIC higher or equal to 64 ug/mL), Helichrysum angustifolium and Myristica fragrans (MIC higher or equal to 128 ug/mL) which further showed the antimicrobial activity against F. nucleatum (MIC = 64 ug/mL). Interesting inhibitory effects exhibited an extract of Punica granatum against C. albicans (MIC = 128 ug/mL) and F. nucleatum (MIC = 64 ug/mL). Moreover, the growth of F. nucleatum was inhibited by extracts of Pimenta officinalis and Thea sinensis (MIC = 128 ug/mL). The chemical analysis of the CO2 supercritical H. lupulus extracts revealed that alpha and beta bitter acids represented the two major groups of constituents. Cohumulone was the predominant compound of the alpha acids, whereas colupulone was the prevalent constituent of the beta acids. Our results suggest that the six GRAS plant species, namely C. annuum, C. frutescens, H. lupulus, M. fragrans, P. granatum and Z. clava-herculis have good potential to become new safe antiseptic agents that might be used for incorporation into oral care products such as toothpastes and mouthrinses.

Keywords

parodontální onemocnění, kandidóza, mikrodiluční metoda, inhibiční vlastnosti, Humulus lupulus, CO2 superkritický extrakt, zubní kaz

Keywords

dental caries, periodontal disease, candidiasis, microdilution method, inhibitory properties, Humulus lupulus, CO2 supercritical extract

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 10. 2015

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Ladislav Kokoška, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Tropical AgriSciences

Doctoral programme / field:
Agricultural Specialization / Tropical and Subtropical Agriculture