Бджолиний отрута: огляд основних сполук та біоактивності для терапевтичних інтересів

Rim Wehbe

1 Лабораторія прикладних біотехнологій (LBA3B), Центр досліджень в галузі біотехнологій та їх застосування, EDST, Ліванський університет, Тріполі 1300, Ліван

Жасинте Франджі

2 Мітохондріальна та серцево-судинна патофізіологія - MITOVASC, Команда 2, Серцево-судинна механотрансдукція, UMR CNRS 6015, INSERM U1083, Університет Анже, 49045 Анже, Франція

Мохамад Ріма

3 Департамент нейронауки, Інститут біології Паризької Сени (IBPS), INSERM, CNRS, Університет Сорбони, F-75005 Париж, Франція

4 Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire (IGBMC), INSERM U964, CNRS U7104, Університет Страсбурга, 67400 Ілкірх, Франція

Дані Ель Обейд

5 Факультет сільського господарства та ветеринарних наук, Ліванський університет, Декване, Бейрут 2832, Ліван

Жан-Марк Сабатьє

6 Інститут нейрофізіопатології, UMR 7051, Faculté de Médecine Secteur Nord, 51, Boulevard Pierre Dramard-CS80011, 13344-Marseille Cedex 15, Франція

Зіад Файлун

7 факультет наук 3, містечко Мішеля Слеймана Тріполі, Ліванський університет, Рас-Маска 1352, Ліван

Анотація

Апітерапія є альтернативною терапією, яка покладається на вживання продуктів бджільництва, головне бджолиної отрути для лікування багатьох захворювань людини. Отрута може бути введена в організм людини шляхом ручного введення або шляхом прямого укусу бджіл. Бджолина отрута містить кілька активних молекул, таких як пептиди та ферменти, які мають сприятливий потенціал для лікування запалення та захворювань центральної нервової системи, таких як хвороба Паркінсона, хвороба Альцгеймера та бічний аміотрофічний склероз. Більше того, бджолиний отрута показав перспективні переваги проти різних типів раку, а також противірусну активність, навіть проти складного вірусу імунодефіциту людини (ВІЛ). Багато досліджень описували біологічну активність компонентів бджолиної отрути та запускали доклінічні випробування з метою покращення потенційного використання апітоксину та його складових як наступного покоління ліків. Метою цього огляду є узагальнення основних сполук бджолиної отрути, їх основних біологічних властивостей, механізмів дії та терапевтичних значень у альтернативних стратегіях терапії.

1. Загальні відомості про медоносних бджіл

Серед медоносних бджіл Apis mellifera (рис. 1) є основним видом, що використовується для запилення сільськогосподарських культур у світі [1]. Використання всіх продуктів бджільництва, включаючи бджолину отруту та мед, датується тисячоліттями, оскільки їх лікувальні властивості цитувались у таких релігійних книгах, як Біблія та Коран [2,3,4]. Апітерапія - це галузь нетрадиційної медицини, яка спирається на вживання продуктів бджільництва, що складаються з меду, пилку, прополісу, маточного молочка та головним чином бджолиної отрути (BV), який також відомий як апітоксин [5,6].

Apis mellifera (авторські права Dany El Obeid).

Терапія бджолиною отрутою (BVT) - це лікарське застосування BV від медоносних бджіл в організм людини для лікування деяких захворювань, таких як артрит ревматизму [7]. Ця стратегія застосовується в альтернативній медицині більше 5000 років. Він полягає або в непрямому застосуванні, шляхом вилучення BV за допомогою електричного подразника з подальшим введенням його в організм або безпосередньо через укуси бджіл [8] (рис. 2). Ідея використання BV у лікарській галузі була висунута з переконання, що бджолярі навряд чи страждають на ревматизм або проблеми із суглобами.

Застосування бджолиної отрути прямими укусами бджіл в організм.

BV виробляється робочими бджолами-самками і, як відомо, містить багато активних компонентів, включаючи: (i) пептиди, такі як меліттин, апамін, пептид, що дегранулює тучні клітини (MCD), і адолапін, (ii) ферменти, такі як фосфоліпаза A2 (PLA2) та гіалуронідаза та (iii) амінокислоти та леткі сполуки. Кілька досліджень оцінювали терапевтичний потенціал цих компонентів у лікуванні запальних захворювань людини, а також захворювань центральної нервової системи, таких як хвороба Паркінсона (PD), хвороба Альцгеймера (AD) та бічний аміотрофічний склероз (ALS), а також багато інших станів [9,10]. Цікаво, що бджолина отрута, подібно до інших отрут тварин, також виявила корисний протираковий та противірусний потенціал проти раку яєчників та передміхурової залози, а також ВІЛ [11,12,13,14].

Бджолина отрута характеризується індукуванням алергічних реакцій після укусу. Ці реакції можуть відбуватися в шкірі, дихальних шляхах, серцево-судинній системі та шлунково-кишковому тракті. Згодом важкий анафілактичний шок може призвести до ішемії головного мозку або міокарда [15,16]. Ці алергічні реакції зумовлені наявністю в отруті множинних білкових алергенів, більшість з яких мають ферментативну активність [9]. Основними алергенами BV та специфічними індукторами імуноглобуліну Е (IgE) є PLA2, меліттин та гіалуронідаза. Окрім опосередкованих IgE механізмів, дослідження показують, що алергени можуть також включати IgE-незалежні реакції, такі як медіатор брадикініну (BK), що призводить до різних анафілактичних симптомів [17,18]. Виробництво цього неімунного медіатора може бути індуковано меліттином, відомим як активатор PLA2, який може імітувати вплив BK на тонус трахеї [17,19]. Крім того, MCD-пептид або пептид 401 здатний викликати анафілактоїдну реакцію шляхом дегрануляції тучних клітин [9,20].

Окрім молекулярних досліджень, що вивчають можливі механізми реакцій запального укусу бджіл, багато клінічних досліджень глибоко вивчають потенційне використання BV для лікування хронічних захворювань. Отже, наступні частини огляду мають на меті висвітлити первинні біологічні властивості BV та його біоактивних молекул, які мають потенціал у розробці терапевтичних стратегій.

2. Основні сполуки бджолиного отрути

BV - це прозора рідина без запаху, що містить гідролітичну суміш білків з кислотним рН (4,5-5,5), яку бджоли часто використовують як захисний засіб від хижаків. Одна крапля BV складається з 88% води та лише 0,1 мкг сухої отрути [10]. Останній є надзвичайно складною сумішшю пептидів, включаючи меліттин, адалапін, апамін та MCD-пептид. Він також містить ферменти, найголовніше PLA2, та сполуки з низькою молекулярною масою, такі як біоактивні аміни (наприклад, гістамін та адреналін) та мінерали [9].

2.1. Меліттин

2.2. Апамін

Апамін - це 18-амінокислотний пептид, що містить два дисульфідні містки. Це найменший нейротоксин у BV [28]. Цей поліпептид здатний долати гематоенцефалічний бар’єр, а отже, впливає на функціонування центральної нервової системи за допомогою різних способів дії. Наприклад, це викликає нейротоксичні ефекти на спинному мозку ссавців, що призводить до гіперактивності та судом, як це було показано у щурів. Блокуючи активовані кальцієм K + -канали, апамін також здатний впливати на проникність клітинної мембрани щодо іонів калію (K +). У судинних гладких м’язах токсин здатний інгібувати проліферацію та міграцію клітин гладком’язових м’язів судин за допомогою сигнальних шляхів Akt та Erk [29]. Цей висновок підкреслює потенціал апаміну в стратегіях терапії атеросклерозу. Інше дослідження оцінило наслідки чутливості каналів K + до апаміну і показало, що нейротоксин може інгібувати індуковане NO-розслаблення спонтанної скорочувальної активності міометрія у невагітних жінок [30].

2.3. Пептид дегрануляції тучних клітин (MCD)

MCD-пептид, також відомий як пептид 401, є поліпептидом BV, що містить 22 амінокислоти зі структурою, подібною до апаміну, оскільки обидва вони містять два дисульфідні зв’язки. На його частку припадає 2–3% сухої маси БВ. Назва MCD відображає біологічну дію вивільнення гістаміну з тучних клітин. Це епілептогенний нейротоксин, важливий інгібітор К + каналів, і може спричинити значне зниження артеріального тиску щурів [31]. Деякі біологічні дії МЦД, схоже, мають різні механізми і можуть бути гарною ілюстрацією взаємозв'язку структура-функція. Дослідження описують МЦД як потужний протизапальний засіб і можуть слугувати потенційним кандидатом для вивчення секреторних механізмів запальних клітин, таких як тучні клітини, базофіли та лейкоцити, що веде до розробки сполук з терапевтичним застосуванням [32].

2.4. Адолапін

Адолапін - основний поліпептид із 103 залишками амінокислот. Це відповідає 1% сухої маси БВ. Дослідники показали, що адолапін має протизапальну, антиноцицептивну та жарознижувальну дію, блокуючи синтез простагландинів та пригнічуючи активність циклооксигенази [33]. Поліпептид може інгібувати ліпоксигеназу з тромбоцитів людини і може надавати знеболюючий ефект згідно з Юнгом та співавт. [34].

2.5. Фосфоліпаза А2

PLA2, найбільш смертельний фермент у BV, являє собою єдиний поліпептидний ланцюг із 128 амінокислот, що містить чотири дисульфідні містки. Фосфоліпаза бджолиної отрути А2 (bvPLA2) належить до ферментів III групи sPLA2 і може діяти як ліганд для специфічних рецепторів. BvPLA2 становить 12–15% сухої маси BV і надзвичайно лужний. BvPLA2 - гідролітичний фермент, здатний специфічно розщеплювати ацильний зв’язок sn-2 фосфоліпідів на межі розділу вода/ліпід [35]. Цікаво, що його активність може покращити меліттин. Було показано, що це відбувається під час процесу лізису еритроцитів, що доводить наявність синергетичної дії між bvPLA2 та меліттином [36,37]. Насправді було продемонстровано, що меліттин допомагає піддавати мембранні фосфоліпіди каталітичному ділянці ферментів шляхом відкриття індукованих меліттином каналів [38]. Крім того, нові експериментальні дані продемонстрували захисні імунні відповіді bvPLA2 проти широкого кола захворювань, таких як астма, хвороба Альцгеймера та хвороба Паркінсона [39,40,41]. BvPLA2 відіграє нейропротекторну роль, викликаючи дезактивацію мікроглії та зменшуючи інфільтрацію CD4 + Т-клітин у індукованій MPTP моделі миші PD (MPTP: 1-метил-4-феніл-1,2,3,6-тетрагідропіридин) [42].

2.6. Гіалуронідаза

Гіалуронідаза становить 1,5–2% сухої маси БВ і, як відомо, розщеплює гіалуронову кислоту в тканинах, наприклад, у синовіальній бурсі при ревматоїдному артриті. BV гіалуронідаза дозволяє активним компонентам BV ефективно дифундувати в тканину жертви, впливаючи на її структурну цілісність та збільшуючи кровотік у цій зоні. Ці дві дії поєднують для посилення широкого розповсюдження отрути [43,44].

3. Біоактивність та терапевтичне застосування бджолиного отрути та його основних сполук

3.1. Протизапальний потенціал

Запалення - це захисний процес для організму у відповідь на шкідливі подразники. Хронічне запалення може призвести до розвитку декількох захворювань, таких як ревматоїдний артрит (РА), діабет, серцево-судинні захворювання, ожиріння, астма, шкірні захворювання та захворювання, пов’язані з ЦНС, такі як PD, AD та ALS [45].

При введенні мелітину у великих дозах викликає місцевий біль, свербіж та запалення. Однак низькі дози цієї сполуки BV можуть викликати широкі протизапальні ефекти. Багато звітів досліджували протизапальні механізми меліттину при різних захворюваннях, таких як RA та ALS [46,47]. Насправді він діє, пригнічуючи запальні цитокіни, такі як інтерлейкін-6 (IL-6), IL-8, фактор некрозу пухлини-α (TNF-α) та інтерферон-γ (IFN-γ). Більше того, меліттин зменшує сигнальні шляхи, що активують запальні цитокіни, включаючи ядерний фактор-каппа B (NF-κB), протеїнкіназу Akt та позаклітинні регульовані сигналом кінази (ERK1/2) у ліпополісахаридах (PgLPS), оброблених порфіромонасом ясен (PgLPS), кератиноцитах людини. Ці висновки вказують на те, що, блокуючи їх первинні сигнальні шляхи, меліттин інгібує запальні цитокіни, що призводить до зменшення запалення шкіри, печінки, суглобів та нейрональної тканини [48].

Що стосується шкірних захворювань, нещодавнє дослідження Kim et al. показав, що BV зменшує атопічний дерматит, найпоширеніше алергічне хронічне запальне захворювання шкіри [49]. Насправді отрута стимулює вироблення CD55, запускаючи шляхи ERK1/2, що призводить до полегшення симптомів захворювання [50]. Цікаво, що попереднє дослідження Shin et al. описав протизапальний потенціал bvPLA2 при шкірних захворюваннях, показавши, що фермент послаблює атопічне запалення шкіри шляхом взаємодії з CD206 [51].

3.2. Застосування BV для лікування нейродегенеративних захворювань

3.2.1. Хвороба Паркінсона

3.2.2. Хвороба Альцгеймера

3.2.3. Аміотрофічний бічний склероз

ALS - це захворювання ЦНС, яке спричиняє загибель рухових нейронів [65]. Важливою ознакою ALS є аномальне накопичення мутантних агрегатів білка SOD1 (mtSOD1) [66]. Модель мишей ALS на мишах, що несе мутований ген mtSOD1 із заміною гліцину на аланін (SOD1 G93A), була охарактеризована Jaarsma та співавт., Що полегшує розуміння етіології ALS [67]. Як дослідження in vitro, так і in vivo з використанням мутантних трансгенних мишей SOD1 продемонстрували різні клітинні патогенні події в рухових нейронах, такі як неправильне згортання білка, дисфункція мітохондрій та накопичення нейрофіламентів [67]. Цікаво, що BV виявив певний потенціал для протидії цій хворобі. Насправді введення BV на точній та симптоматичній стадії прогресування ALS призводить до збільшення рухової активності у мишей-мутантів SOD1 G93A та продовження тривалості життя порівняно з контрольними мишами, які відповідають віку. Це може бути викликано блокадою активованої мікроглії, яку зазвичай виявляють на мишачих моделях ALS [68]. Інше дослідження продемонструвало, що акупунктура бджолиної отрути (BVA) при ST36 пригнічує нейрозапалення в спинному мозку симптоматичних мишей ALS, значно знижуючи рівень запальних білків, таких як TLR4, CD14 та TNF-α [69].

3.3. Застосування BV та/або Melittin при раку

Схематичне зображення основних механізмів дії меліттину як протиракового агента.

Ці висновки свідчать про великий потенціал меліттину в лікуванні раку, діючи на різні ключові моменти захворювання, і їх слід надалі аналізувати.

Незважаючи на переконливі дані щодо потенційного використання BV, більш конкретно меліттину, проти різних типів раку, його придатність для людей залишається дуже складною через його неспецифічну цитотоксичність [80]. Сучасні методи оптимізації зосереджені на доставці меліттину на основі наночастинок, щоб уникнути таких проблем. Завдяки нанотехнологіям вдалося розробити та ефективно протестувати кон’югати меліттину проти широкого кола типів раку людини на доклінічних моделях [81]. Cheng та співавт. спрямований на розробку ефективної, але безпечної системи доставки меліттину, яка може зменшити його гемолітичну активність, зберігаючи при цьому його цитотоксичні переваги. Тому було створено подвійне захищене нано-жало (DSNS) за допомогою комбінації цвіттеріонного гліколевого хітозану та дисульфідних зв’язків. ДСНС, навантажений меліттином, продемонстрував майже повну цитотоксичну дію на багато типів ракових клітин при дуже низьких концентраціях, залишаючи еритроцити неушкодженими [82]. Крім того, було показано, що внутрішньовенне введення наночастинок, навантажених проліками меліттину, з використанням наночастинок фторуглероду, на моделі миші меланоми ефективно знижує швидкість росту пухлини порівняно з фізіологічним розчином та обробкою наночастинок [83].

3.4. Противірусні та антибактеріальні властивості

Загальновідомо, що BV та два його основні компоненти (меліттин та PLA2) мають антимікробну активність і, отже, можуть бути використані як додаткові антибактеріальні засоби [84,85,86,87]. Ці сполуки впливають на бактерії, індукуючи пори через мембрани, що призводить до їх розщеплення, а потім лізису [36].

Тим не менше, про противірусну дію BV мало згадується в літературі. Нещодавнє дослідження досліджувало противірусний потенціал BV і виявило цікаві результати як in vivo, так і in vitro. Це дослідження показало, що BV та меліттин мають значний противірусний ефект проти численних вірусів, що мають оболонку (вірус везикулярного стоматиту, вірус грипу А, вірус простого герпесу та ін.) Та вірусів без оболонки (ентеровірус-71 та вірус коксакі) in vitro [88]. Дослідження також показало, що меліттин захищав мишей, які зазнавали смертельних доз вірусу грипу A H1N1. Хоча точний механізм дії, яким BV та меліттин діють як противірусні засоби, залишається незрозумілим, було підтверджено, що BV взаємодіє безпосередньо з вірусною поверхнею. Більше того, BV та його компоненти можуть стимулювати інтерферон I типу (IFN), а отже, пригнічувати реплікацію вірусу в клітині-хазяїні [89].

Крім того, дослідники Медичної школи Вашингтонського університету в Сент-Луїсі повідомили про можливе застосування наночастинок, завантажених меліттином, для знищення вірусу імунодефіциту людини, залишаючи незаражені клітини неушкодженими. У цьому підході автори пропонують превентивну стратегію, при якій ці наночастинки використовуються у розробці вагінального гелю, який інгібує поширення ВІЛ. Його теоретичний принцип полягає в наступному: молекули меліттину, що знаходяться на наночастинках, зливаються з вірусною оболонкою, утворюючи пороподібні атакуючі комплекси, порушуючи таким чином вірусну оболонку [14]. Інше дослідження показало, що bvPLA2 також може блокувати реплікацію вірусу. Ця ж команда далі визначила пептидну послідовність bvPLA2, відповідальну за інгібування реплікації ВІЛ [89,90,91,92].

4. Висновки

Подяка

Автори висловлюють подяку Елі Н. Махфуду за його старанну коректуру статті. Вони також дякують Сезару Маттею та Крістіану Легросу за корисну дискусію.

Внески автора

Концептуалізація, З.Ф. та J.-M.S .; придбання фінансування, З.Ф. та D.E.O .; написання - підготовка оригінального проекту, R.W .; письмо - огляд та редагування, J.F., R.W., M.R. та Z.F.

Фінансування

Це дослідження фінансував Ліванський університет.

Конфлікт інтересів

Автори не заявляють конфлікту інтересів.