Удосконалення четвертинних амонієвих протимікробних засобів для потреб охорони здоров'я та стоматології. Огляд літератури
DOI:
https://doi.org/10.32782/2786-7684/2025-1-11Ключові слова:
четвертинні аміни, охорона здоров'я, стоматологія, антисептики, поверхнево активні речовини, композитиАнотація
Вступ. Протягом тривалого часу четвертинні амонієві сполуки (ЧАС) виступають активною речовиною більшості антисептиків та деззасобів для охорони здоров'я та інших галузей економічної діяльності. Поверхнево активні ЧАС часто поєднують в собі дезінфікуючі, змочувальні, піноутворюючі, антикорозійні властивості. Мета роботи: проаналізувати доступні джерела науково-медичної інформації, яка стосується розвитку та застосування в охороні здоров'я та стоматології четвертинних амонієвих сполук. Матеріали та методи дослідження – було проведено інформаційно-патентний пошук в мережі інтернет на сайтах електронних бібліотек PubMed, MedLine, SciFinder, HEP Search, Jstor за ключовими словами «бі-четвертинні амонії», «антисептики», «протимікробні засоби», «іонні рідини» та «поверхнево активні речовини». Глибина пошуку становила 10 років. Результати досліджень та їх обговорення. У природі ЧАС можна знайти у складі ряду рослинних алкалоїдів, терпеноїдів, ацетиленів, кумаринів та ін. Враховуючи ізомерію та легку модифікацію ЧАС, їх протимікробні, токсичні та поверхнево активні властивості можуть бути успішно змінені шляхом основних модифікацій молекулярної структури – зміни числа заряджених атомів азоту (моно-, біс-, мульти-ЧАС), зміни структури «головки» молекули (негетероциклічна, гетероциклічна, ароматична), види зв'язків (аліфатичні, ароматичні, насичені, ненасичені, змішані та ін.) та структура «хвостів» (насичені, ненасичені, розгалужені, нерозгалужені), також на властивості різко впливає довжина аліфатичних ланцюгів. Окремий вид модифікації ЧАС це є заміна молекули-замісника. Окрім зниження токсичних та подразнювальних властивостей ЧАС (при збереженні їх протимікробних та вірулоцидних властивостей) окремим перспективним шляхом їх удосконалення став синтез «гібридних» речовин шляхом утворення їх комплексів із раніше відомими протимікробними засобами. Наприклад, комбінація ЧАС з напівсинтетичними пеніцилінами. Окремим перспективним напрямком удосконалення впровадження ЧАС у медичну практику є розробка полімерних ЧАС та їх солей, як іонних рідин нового типу. І це відкрило цілий новий напрямок у розробці нових протимікробних засобів місцевого впливу. Включення ЧАС до складу стоматологічних композитних пломбувальних матеріалів знижує ризик біодеградації композитів, що підвищує довговічність реставрацій зубів та перешкоджає розвитку вторинного карієсу зубів. Карієс-статичний ефект реалізується шляхом бактеріостатичним та протибіоплівкотворним ефектами. Удосконалення технології стоматологічних композитів полягає в фіксації самих ЧАС у якості малофункціональних груп на метакрилатні мономери. Епокси-функціоналізовані ЧАС є новими напрямками розвитку. Вказані сполуки з'єднують з епоксидними смолами, які в подальшому можуть бути полімеризовані. Такі ЧАС можуть бути просто включені до складу полімерів і зберігають тривалий бактеріостатичний вплив. Висновки. ЧАС є важливими речовинами для медичної практики та стоматології зокрема. Новітні речовини є перспективними антисептиками та протимікробними засобами, які можна включати до складу багатьох видів медичних виробів. Прогресивним напрямком є модифікація епокидних смол та метакрилатних мономерів у стоматологічних композитних матеріалах шляхом включенням до структури модифікованих ЧАС.
Посилання
Fedorowicz J, Sączewski J. Advances in the synthesis of biologically active quaternary ammonium compounds. International Journal of Molecular Sciences. 2024; 25(9):4649. doi: 10.3390/ijms25094649
Marzullo P, Gruttadauria M, D’Anna F. Quaternary Ammonium Salts-Based Materials: A Review on Environmental Toxicity, Anti-Fouling Mechanisms and Applications in Marine and Water Treatment Industries. Biomolecules. 2024; 14(8):957. doi: 10.3390/biom14080957
Jiao Y, Niu LN, Ma S, Li J, Tay FR, Chen JH. Quaternary ammonium-based biomedical materials: State-of-the-art, toxicological aspects and antimicrobial resistance. Prog Polym Sci. 2017;71:53-90. doi: 10.1016/j.progpolymsci.2017.03.001
Hora PI, Pati SG, McNamara PJ, Arnold WA. Increased Use of Quaternary Ammonium Compounds during the SARSCoV- 2 Pandemic and Beyond: Consideration of Environmental Implications. Environ Sci Technol Lett. 2020;7(9):622-31. doi: 10.1021/acs.estlett.0c00437
Joondan N, Caumul P, Jackson G, Jhaumeer Laulloo S. Novel quaternary ammonium compounds derived from aromatic and cyclic aminoacids: Synthesis, physicochemical studies and biological evaluation. Chem Phys Lipids. 2021;235:105051. doi: 10.1016/j.chemphyslip.2021.105051
Joyce MD, Jennings MC, Santiago CN, Fletcher MH, Wuest WM, Minbiole KP. Natural product-derived quaternary ammonium compounds with potent antimicrobial activity. The Journal of Antibiotics. 2015;69(4):344-7. doi: 10.1038/ja.2015.107
Odžak R, Crnčević D, Sabljić A, Primožič I, Šprung M. Synthesis and biological evaluation of 3-Amidoquinuclidine quaternary ammonium compounds as new soft antibacterial agents. Pharmaceuticals. 2023;16(2):187. doi: 10.3390/ph16020187
Markova A, Hympanova M, Matula M, Prchal L, Sleha R, Benkova M, et al. Synthesis and decontamination effect on chemical and biological agents of Benzoxonium-Like salts. Toxics. 2021;9(9):222. doi: 10.3390/toxics9090222
Ali I, Burki S, El-Haj BM, et al. Synthesis and characterization of pyridine-based organic salts: Their antibacterial, antibiofilm and wound healing activities. Bioorganic Chemistry. 2020;100:103937. doi: 10.1016/j.bioorg.2020.103937
Bureš F. Quaternary Ammonium Compounds: Simple in Structure, Complex in Application. Top Curr Chem (Cham). 2019;377(3):14. doi: 10.1007/s41061-019-0239-2.
Fu X, Zhang Y, Jia X, Wang Y, Chen T. Research Progress on Typical Quaternary Ammonium Salt Polymers. Molecules. 2022;27(4):1267. doi: 10.3390/molecules27041267
Mikláš R, Miklášová N, Bukovský M. Synthesis and Correlation of Aggregation and Antimicrobial Properties of Homochiral Quaternary Ammonium Bromides Derived from Camphoric Acid. European Pharmaceutical Journal. 2021;68(1):10-6. doi: 10.2478/afpuc-2020-0017
Morrison KR, Allen RA, Minbiole KPC, Wuest WM. More QACs, more questions: Recent advances in structure activity relationships and hurdles in understanding resistance mechanisms. Tetrahedron Lett. 2019;60(37):150935. doi: 10.1016/j.tetlet.2019.07.026
Ning C, Li L, Logsetty S, Ghanbar S, Guo M, Ens W, et al. Enhanced antibacterial activity of new “composite” biocides with both N-chloramine and quaternary ammonium moieties. RSC Advances. 2015;5(114):93877-87. doi: 10.1039/c5ra15714e
Ogilvie BH, Solis-Leal A, Lopez JB, Poole BD, Robison RA, Berges BK. Alcohol-free hand sanitizer and other quaternary ammonium disinfectants quickly and effectively inactivate SARS-CoV-2. J Hosp Infect. 2021;108:142-5. doi: 10.1016/j.jhin.2020.11.023.
Mohapatra S, Yutao L, Goh SG, Ng C, Luhua Y, Tran NH, Gin KY. Quaternary ammonium compounds of emerging concern: Classification, occurrence, fate, toxicity and antimicrobial resistance. J Hazard Mater. 2023;445:130393. doi: 10.1016/j.jhazmat.2022.130393
Osimitz TG, Droege W. Quaternary ammonium compounds: perspectives on benefits, hazards, and risk. Toxicology Research and Application. 2021;5. doi: 10.1177/23978473211049085
Schrank CL, Minbiole KPC, Wuest WM. Are Quaternary Ammonium Compounds, the Workhorse Disinfectants, Effective against Severe Acute Respiratory Syndrome-Coronavirus-2? ACS Infect Dis. 2020;6(7):1553-7. doi: 10.1021/acsinfecdis.0c0026
Siopa F, Figueiredo T, Frade RFM, Neto I, Meirinhos A, Reis CP, et al. Choline‐Based ionic liquids: improvement of antimicrobial activity. ChemistrySelect. 2016;1(18):5909-16. doi: 10.1002/slct.201600864
Sowmiah S, Esperança JMSS, Rebelo LPN, Afonso C a. M. Pyridinium salts: from synthesis to reactivity and applications. Organic Chemistry Frontiers. 2017;5(3):453-93. doi: 10.1039/c7qo00836h
Zhao X, Li Y, Yuan H, Yin J, Hu M. Antibacterial Mechanism of Octamethylene‐1,8‐Bis (Dodecyldimethylammonium Bromide) Against E. coli. Journal of Surfactants and Detergents. 2017;20(3):717-23. doi: 10.1007/s11743-017-1942-z
Florio W, Rizzato C, Becherini S, Guazzelli L, D'Andrea F, Lupetti A. Synergistic activity between colistin and the ionic liquids 1-methyl-3-dodecylimidazolium bromide, 1-dodecyl-1-methylpyrrolidinium bromide, or 1-dodecyl-1-methylpiperidinium bromide against Gram-negative bacteria. J Glob Antimicrob Resist. 2020;21:99-104. doi: 10.1016/j.jgar.2020.03.022.
Rembe JD, Thompson VD, Stuermer EK. Antimicrobials cetylpyridinium-chloride and miramistin demonstrate noninferiority and no "protein-error" compared to established wound care antiseptics in vitro. AIMS Microbiol. 2022;8(4):372-87. doi: 10.3934/microbiol.2022026
Swingler S, Gupta A, Gibson H, Heaselgrave W, Kowalczuk M, Adamus G, Radecka I. The Mould War: Developing an Armamentarium against Fungal Pathogens Utilising Thymoquinone, Ocimene, and Miramistin within Bacterial Cellulose Matrices. Materials (Basel). 2021;14(10):2654. doi: 10.3390/ma14102654.
Rezki N, Al-Sodies SA, Ahmed HEA, Ihmaid S, Messali M, Ahmed S, et al. A novel dicationic ionic liquids encompassing pyridinium hydrazone-phenoxy conjugates as antimicrobial agents targeting diverse high resistant microbial strains. Journal of Molecular Liquids. 2019;284:431-44. doi: 10.1016/j.molliq.2019.04.010
Hao J, Qin T, Zhang Y, Li Y, Zhang Y. Synthesis, surface properties and antimicrobial performance of novel gemini pyridinium surfactants. Colloids Surf B Biointerfaces. 2019;181:814-821. doi: 10.1016/j.colsurfb.2019.06.028
Liu F, He D, Yu Y, Cheng L, Zhang S. Quaternary ammonium Salt-Based Cross-Linked micelles to combat biofilm. Bioconjugate Chemistry. 2019;30(3):541-6. doi: 10.1021/acs.bioconjchem.9b00010
Al-Khalifa SE, Jennings MC, Wuest WM, Minbiole KP. The Development of Next-Generation Pyridinium-Based multiQAC Antiseptics. ChemMedChem. 2017;12(4):280-283. doi: 10.1002/cmdc.201600546
Denysko TV, Nazarchuk OA, Gruzevskyi O, Bahniuk NÀ, Dmytriiev DV, Chornopyschuk RM, Bebyk VV. In vitro evaluation of the antimicrobial activity of antiseptics against clinical Acinetobacter baumannii strains isolated from combat wounds. Front Microbiol. 2022; 13:932467. doi: 10.3389/fmicb.2022.932467
Chornopyshchuk R, Nagaichuk V, Gerashchenko I, Nazarchuk H, Kukolevska O, Chornopyshchuk N, Sidorenko S. Antimicrobial properties of a new polymeric material based on poly (2-hydroxyethyl methacrylate). Acta Biomed. 2022;93(1):e2022012. doi: 10.23750/abm.v93i1.12243
Kasian NA, Pashynska VA, Vashchenko OV, Krasnikova AO, Gömöry A, Kosevich MV, Lisetski LN. Probing of the combined effect of bisquaternary ammonium antimicrobial agents and acetylsalicylic acid on model phospholipid membranes: differential scanning calorimetry and mass spectrometry studies. Mol Biosyst. 2014;10(12):3155-62. doi: 10.1039/c4mb00420e
Petrunyk IO. Pidvyshchennia antybakterial'noï aktyvnosti in vitro kompozytsiĭ antybiotykiv z etoniiem [Increased antibacterial activity of antibiotics with etonium in vitro]. Mikrobiol Z. 2000;62(4):43-6. Ukrainian. PMID: 11421003.
Xin J, He L, Li Y, Pu Q, Du X, Ban F, Han D. Sanguinarine chloride hydrate mitigates colitis symptoms in mice through the regulation of the intestinal microbiome and metabolism of short-chain fatty acids. Biochim Biophys Acta Mol Basis Dis. 2025;1871(2):167579. doi: 10.1016/j.bbadis.2024.167579
Ivanova M, Mochalov I, Brekhlichuk P, Heley V, Martynchuk O. Study of sensitivity to anti-microbial agents of microorganisms from zone of purulent inflammation among patients of maxillofacial hospital department. Georgian med news. 2019 dec;(297):57-63. PMID: 32011296.
Bai S, Li X, Zhao Y, Ren L, Yuan X. Antifogging/Antibacterial Coatings Constructed by N-Hydroxyethylacrylamide and Quaternary Ammonium-Containing Copolymers. ACS Appl Mater Interfaces. 2020;12(10):12305-16. doi: 10.1021/ acsami.9b21871
Guo J, Qin J, Ren Y, Wang B, Cui H, Ding Y, et al. Antibacterial activity of cationic polymers: side-chain or main-chain type? Polymer Chemistry. 2018;9(37):4611-6. doi: 10.1039/c8py00665b
Xie X, Cong W, Zhao F, Li H, Xin W, Hou G, Wang C. Synthesis, physiochemical property and antimicrobial activity of novel quaternary ammonium salts. J Enzyme Inhib Med Chem. 2018;33(1):98-105. doi: 10.1080/14756366.2017.1396456
Xue Y, Xiao H, Zhang Y. Antimicrobial polymeric materials with quaternary ammonium and phosphonium salts. Int J Mol Sci. 2015;16(2):3626-55. doi: 10.3390/ijms16023626
De Leo F, Marchetta A, Capillo G, Germanà A, Primerano P, Lo Schiavo S, et al. Surface active ionic liquids based coatings as subaerial Anti-Biofilms for stone built cultural heritage. Coatings. 2020;11(1):26. doi: 10.3390/coatings11010026
Ethirajan SK, Sengupta A, Jebur M, Kamaz M, Qian X, Wickramasinghe R. Single‐Step synthesis of novel polyionic liquids having antibacterial activity and showing Π‐Electron mediated selectivity in separation of aromatics. Chemistry Select. 2018;3(17):4959-68. doi: 10.1002/slct.201800101
Andreica BI, Cheng X, Marin L. Quaternary ammonium salts of chitosan. A critical overview on the synthesis and properties generated by quaternization. European Polymer Journal. 2020;139:110016. doi: 10.1016/j.eurpolymj.2020.110016
Arias-Moliz MT, Ruiz Linares M, Cassar G, Ferrer-Luque CM, Baca P, Ordinola-Zapata R,Camilleri J. The effect of benzalkonium chloride additions to AH Plus sealer. Antimicrobial, physical and chemical properties. J. Dent. 2015;43:846-54. doi: 10.1016/j.jdent.2015.05.003
Ghanbar S, Kazemian MR, Liu S. New Generation of N-Chloramine/QAC Composite Biocides: Efficient Antimicrobial Agents To Target Antibiotic-Resistant Bacteria in the Presence of Organic Load. ACS Omega. 2018;3(8):9699-709. doi: 10.1021/acsomega.8b00675.
Kougia E, Tselepi M, Vasilopoulos G, Lainioti G, Koromilas N, Druvari D, et al. Evaluation of antimicrobial efficiency of new polymers comprised by covalently attached and/or electrostatically bound bacteriostatic species, based on quaternary ammonium compounds. Molecules. 2015;20(12):21313-27. doi: 10.3390/molecules201219768
Makvandi P, Jamaledin R, Jabbari M, Nikfarjam N, Borzacchiello A. Antibacterial quaternary ammonium compounds in dental materials: A systematic review. Dent Mater. 2018;34(6):851-67. doi: 10.1016/j.dental.2018.03.014.
Mechken KA, Menouar M, Belkhodja M, Saidi-Besbes S. Synthesis, surface properties and bioactivity of novel 4-Substituted 1,2,3-Triazole quaternary ammonium surfactants. Journal of Molecular Liquids. 2021;338:116775. doi: 10.1016/ j.molliq.2021.116775
Beattie SR, Esan T, Zarnowski R, Eix E, Nett JE, Andes DR, Hagen T, Krysan DJ. Novel Keto-Alkyl-Pyridinium Antifungal Molecules Active in Models of In Vivo Candida albicans Vascular Catheter Infection and Ex Vivo Candida auris Skin Colonization. Antimicrob Agents Chemother. 2023;67(5):e0008123. doi: 10.1128/aac.00081-
Obłąk E, Piecuch A, Rewak-Soroczyńska J, Paluch E. Activity of gemini quaternary ammonium salts against microorganisms. Appl Microbiol Biotechnol. 2019;103(2):625-32. doi: 10.1007/s00253-018-9523-2
