Evaluierung der antimikrobiellen Aktivitäten von Nanopartikeln und nanostrukturierten Oberflächen in vitro

Summary

Wir stellen vier Methoden vor, um die antimikrobielle Aktivität von Nanopartikeln und nanostrukturierten Oberflächen mit Hilfe von in vitro Techniken zu bewerten. Diese Methoden können angepasst werden, um die Wechselwirkungen verschiedener Nanopartikel und nanostrukturierter Oberflächen mit einem breiten Spektrum mikrobieller Spezies zu untersuchen.

Abstract

Die antimikrobiellen Aktivitäten von Nanopartikeln und nanostrukturierten Oberflächen wie Silber, Zinkoxid, Titandioxid und Magnesiumoxid wurden bereits in klinischen und umweltbedingten Umgebungen sowie in konsumierbaren Lebensmitteln untersucht. Mangelnde Konsistenz in den verwendeten experimentellen Methoden und Materialien hat jedoch zu widersprüchlichen Ergebnissen geführt, selbst bei Studien mit denselben Nanostrukturtypen und Bakterienarten. Für Forscher, die Nanostrukturen als Additiv oder Beschichtung in einem Produktdesign einsetzen möchten, schränken diese widersprüchlichen Daten ihre Verwendung im klinischen Umfeld ein.

Um diesem Dilemma zu begegnen, stellen wir in diesem Artikel vier verschiedene Methoden vor, um die antimikrobiellen Aktivitäten von Nanopartikeln und nanostrukturierten Oberflächen zu bestimmen, und diskutieren ihre Anwendbarkeit in verschiedenen Szenarien. Es wird erwartet, dass die Anpassung konsistenter Methoden zu reproduzierbaren Daten führt, die studienübergreifend verglichen und für verschiedene Nanostrukturtypen und mikrobielle Spezies implementiert werden können. Wir stellen zwei Methoden zur Bestimmung der antimikrobiellen Aktivität von Nanopartikeln und zwei Methoden zur Bestimmung der antimikrobiellen Aktivität von nanostrukturierten Oberflächen vor.

Für Nanopartikel kann die direkte Co-Kultur-Methode verwendet werden, um die minimalen inhibitorischen und minimalen bakteriziden Konzentrationen von Nanopartikeln zu bestimmen, und die direkte Expositionskulturmethode kann verwendet werden, um die bakteriostatische und bakterizide Aktivität in Echtzeit zu bewerten, die sich aus der Exposition gegenüber Nanopartikeln ergibt. Bei nanostrukturierten Oberflächen wird die Direktkulturmethode verwendet, um die Lebensfähigkeit von Bakterien indirekt und direkt in Kontakt mit nanostrukturierten Oberflächen zu bestimmen, und die Methode der fokussierten Kontaktexposition wird verwendet, um die antimikrobielle Aktivität auf einem bestimmten Bereich einer nanostrukturierten Oberfläche zu untersuchen. Wir diskutieren die wichtigsten experimentellen Variablen, die für das in vitro Studiendesign bei der Bestimmung der antimikrobiellen Eigenschaften von Nanopartikeln und nanostrukturierten Oberflächen zu berücksichtigen sind. Alle diese Methoden sind relativ kostengünstig, verwenden Techniken, die relativ einfach zu beherrschen und aus Gründen der Konsistenz wiederholbar sind, und sind auf ein breites Spektrum von Nanostrukturtypen und mikrobiellen Spezies anwendbar.

Introduction

Allein in den USA entwickeln jährlich 1,7 Millionen Menschen eine im Krankenhaus erworbene Infektion (HAI), wobei eine von 17 dieser Infektionen zum Tod führt¹. Darüber hinaus werden die Behandlungskosten für therapieassoziierte Infektionen auf 28 bis 45 Milliarden US-Dollar pro Jahr geschätzt ^1,2. Bei diesen therapieassoziierten Infektionen dominieren Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA)^3,4 und Pseudomonas aeruginosa^4, die häufig aus chronischen Wundinfektionen isoliert w....

Protocol

Um die direkten Kokultur- und Direktexpositionsmethoden vorzustellen, verwenden wir Magnesiumoxid-Nanopartikel (nMgO) als Modellmaterial, um bakterielle Interaktionen zu demonstrieren. Um die Methoden der direkten Kultur und des fokussierten Kontakts zu präsentieren, verwenden wir eine Mg-Legierung mit nanostrukturierten Oberflächen als Beispiele.

1. Sterilisation von Nanomaterialien

HINWEIS: Alle Nanomaterialien müssen vor der mikrobiellen Kultur sterilisiert oder desinfiziert werden. Zu den Methoden, die verwendet werden können, gehören Hitze, Druck, Strahlung und Desinfektionsmittel, aber die To....

Results

Die Identifizierung der antibakteriellen Aktivität von Magnesiumoxid-Nanopartikeln und nanostrukturierten Oberflächen wurde anhand von vier In-vitro-Methoden vorgestellt, die auf verschiedene Materialtypen und mikrobielle Spezies anwendbar sind.

Methode A und Methode B untersuchen bakterielle Aktivitäten, wenn sie Nanopartikeln in einer Verzögerungsphase (Methode A) und einer logarithmischen Phase (Methode B) für einen Zeitraum von 24 Stunden oder länger ausgesetzt werden. Methode A l.......

Discussion

Wir haben vier in vitro Methoden (A-D) vorgestellt, um die antibakteriellen Aktivitäten von Nanopartikeln und nanostrukturierten Oberflächen zu charakterisieren. Während jede dieser Methoden das Wachstum und die Lebensfähigkeit von Bakterien im Laufe der Zeit als Reaktion auf Nanomaterialien quantifiziert, gibt es einige Unterschiede bei den Methoden, die zur Messung der anfänglichen bakteriellen Aussaatdichte, des Wachstums und der Lebensfähigkeit im Laufe der Zeit verwendet werden. Drei dieser Methoden, die di.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
1,5 mL Mikrozentrifugenröhrchen	Milipore Sigma	Z336777
80 L NTRL zertifizierter Konvektionstrockenofen	MTI Corporation	BPG-7082	https://www.mtixtl.com/BPG-7082.aspx
(Hydroxymethyl)-Aminomethanpuffer, pH 8,5; Tris-Puffer	Sigma-Aldrich	42457
AnaSpec  THIOFLAVIN T ULTRAPURE GRADE	Fisher Scientific	50-850-291
Elektronenvermehrende, ladungsgekoppelte Digitalkamera	Hamamatsu	C9100-13
Falcon 15 mL konische Röhrchen	Fisher Scientific	14-959-49B
Gluteraldehyd	Sigma-Aldrich	G5882
Hämozytometer	Brightline, Hausser Scientific	1492
Induktiv gekoppeltes Plasma - optische Emissionsspektrometrie (ICP-OES)	PerkinElmer	8000
Inverses Mikroskop	Nikon	Eclipse Ti-S
Luria Bertani Bouillon	Sigma Life Science	L3022
Luria Bertani Bouillon + Agar	Sigma Life Science	L2897
MacroTube 5.0	Benchmark Scientific	C1005-T5-ST
Magnesiumoxid-Nanopartikel	US Research Nanomaterials, Inc	Aktie #:  US3310      M	MgO, 99+%, 20 nm
MS Semi-Mikrowaage	Mettler Toledo	MS105D
Nitrozellulosepapier	Fisherbrand	09-801A
gewebebehandelte 12-Well-Polystyrolplatte	Falcon Corning Marke
Nicht gewebebehandelte 48-Well-Polystyrolplatte	der Marke Falcon Corning
Nicht gewebebehandelte 96-Well-Polystyrolplatte	der Marke Falcon Corning
Petrischale 100 mm	VWR	470210-568
Petrischale, 15 mm	Fisherbrand	FB0875713A pH-Messgerät
	VWR	SP70P
Rasterelektronenmikroskopie (REM)	TESCAN	Vega3 SBH
Ultraschallgerät	VWR	97043-936
Tischzentrifuge	Fisher Scientific	accuSpin Micro 17
Tischzentrifuge	Eppendorf	Zentrifuge 5430
Tryptic Soja Agar	MP	1010617
Tryptic Soja Broth	Sigma-Aldrich	22092-500G
UV-Vis Spektralphotometer	Tecan	Infinite 200 PRO	https://lifesciences.tecan.com/plate_readers/infinite_200_pro
VWR Benchmark Incu-Shaker 10L	VWR	N/A
Röntgenleistungsabbruch	Panalytical	N/A	PANalytical Empyrean Reihe 2