In vitro and in vivo Antibacterial Activities of 1,4-naphthoquinone Derivatives in Silkworm Model

Abstract

Background:The 1,4-naphthoquinone pharmacophore is known to impart several pronounced biological and pharmacological activities. Objective: The objective of this study was to investigate the in vitro and in vivo antibacterial activities of napthoquinone derivatives against Staphylococcus aureus (MSSA1), methicillin-resistant S. aureus (MRSA4), and Escherichia coli (O157), with the in vivo investigation performed in the invertebrate silkworm model. Methods: Sensitivity of S. aureus (MSSA1), S. aureus (MRSA4), and E. coli (O157) to 1,4-naphthoquinone and derivatives were determined in vitro using broth microdilution method.  Toxicity and antibacterial activity of 1,4-naphthoquinone derivatives were evaluated in silkworm model.  Results: The 1,4-naphthoquinone exhibited the most significant in vitro antibacterial activity against both gram-positive and gram-negative bacteria. The MIC values for S. aureus (MSSA1), S. aureus (MRSA4), and E. coli (O157) were 6.3, 8.3, and 25 µg/ml, respectively.  The 1,4-naphthoquinone showed significant antibacterial activity in silkworm infected S. aureus (MSSA1) by oral administration with an ED₅₀ of 0.3 + 0.07 (mean + SD) mg/larvae.  Plumbagin and 5-hydroxy-1,4-naphthoquinone did not show activity at any dose level.  Conclusion:  Results of this preliminary screening in an invertebrate animal model suggested that 1,4-naphthoquinone could be a promising candidate for further development as an antibacterial drug against S. aureus as well as E. coli infections. 

การทดสอบฤทธิ์ในการต้านเชื้อแบคทีเรียของ 1,4-naphthoquinone และสารอนุพันธ์ในหลอดทดลองและในหนอนไหมที่ติดเชื้อแบคทีเรีย

บทคัดย่อ: 1,4-naphthoquinone เป็นโครงสร้างที่มีอยู่ในสมุนไพรและพืชหลายชนิด ซึ่งโครงสร้างหลักนี้เป็นส่วนสำคัญที่ทำให้สารหล่านี้แสดงฤทธิ์ทางชีวภาพและเภสัชวิทยา วัตถุประสงค์ของการวิจัยครั้งนี้คือเพื่อศึกษาฤทธิ์ในการต้านเชื้อแบคทีเรียในหลอดทดลองและในสัตว์ทดลองของ1,4-naphthoquinone และอนุพันธ์   วิธีการทดลอง ทดสอบฤทธิ์ในการต้านเชื้อแบคทีเรีย S. aureus สายพันธุ์ MSSA1, MRSA4 และเชื้อแบคทีเรีย E. coli สายพันธุ์ O157 ของ 1,4-naphthoquinone และ อนุพันธ์ โดยวิธี Broth microdilution และศึกษาความเป็นพิษและฤทธิ์ต้านเชื้อแบคทีเรีย ในหนอนไหมที่ติดเชื้อ S. aureus สายพันธุ์ MSSA1  ผลการทดลอง 1,4-naphthoquinone ที่ความเข้มข้น 6.3, 8.3 และ 25 µg/ml แสดงฤทธิ์ในการยับยั้งการเจริญเติบโต ของแบคทีเรีย S. aureus สายพันธุ์ MSSA1,  MRSA4 และเชื้อแบคทีเรีย E. coli สายพันธุ์ O157 ในหลอดทดลองได้  นอกจากนี้ 1,4-naphthoquinone ยังแสดงฤทธิ์ต้านแบคทีเรียในหนอนไหมที่ติดเชื้อ S. aureus สายพันธุ์  MSSA1 ได้ด้วยการให้ทางปาก โดยค่า ED₅₀ คือ 0.3 + 0.07 (ค่าเฉลี่ย + ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน) mg/larvae ในขณะที่ plumbagin and 5-hydroxy-1,4-naphthoquinone ไม่มีฤทธิ์อย่างมีนัยสำคัญ จากผลการวิจัยแสดงว่า 1,4-naphthoquinone น่าจะเป็นสารที่จะสามารถนำไปพัฒนาไปเป็นยารักษาโรคติดเชื้อแบคทีเรียทั้งชนิดแกรมบวกและลบต่อไป