ננו-חלקיקי נחושת פועלים כחומרים אנטי-מיקרוביאליים על ידי יצירת מיני חמצן תגובתיים. כאן, מוצגים נהלים המדגימים כי ננו-חלקיקי נחושת יעילים כנגד שלושה פתוגנים רלוונטיים מבחינה קלינית וכי מסלולי מוות תאי מתוכנתים מסוימים מעורבים בתהליך קוטל חיידקים זה.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
ננו-חלקיקי נחושת פועלים כחומרים אנטי-מיקרוביאליים על ידי יצירת מיני חמצן תגובתיים. כאן, מוצגים נהלים המדגימים כי ננו-חלקיקי נחושת יעילים כנגד שלושה פתוגנים רלוונטיים מבחינה קלינית וכי מסלולי מוות תאי מתוכנתים מסוימים מעורבים בתהליך קוטל חיידקים זה.
לאחרונה, החששות מפני פתוגנים עמידים לתרופות מרובות וזיהומים חשוכי מרפא גברו עקב שימוש יתר ושימוש לרעה באנטיביוטיקה. ננו-חומרים, כגון ננו-חלקיקי תחמוצת מתכתיים ומתכתיים, צברו פופולריות בתחום הביו-רפואי כאסטרטגיות חדשות פוטנציאליות למאבק בפתוגנים עמידים לתרופות מרובות. מחקר זה חקר את השימוש בננו-חלקיקי נחושת (CuNPs) כקוטל חיידקים כנגד שלושה פתוגנים אופורטוניסטיים נפוצים שנרכשו בבתי חולים - Escherichia coli (E. coli), Acinetobacter baumannii (A. baumannii) ו-Staphylococcus aureus (S. aureus) - המפתחים יותר ויותר עמידות לתרופות. מוצגים פרוטוקולים מפורטים לסינתזה של CuNPs בשני גדלים (20 ננומטר ו-60 ננומטר) ולהערכת יעילותם קוטל החיידקים באמצעות מבחני מושבה. מנגנוני הפעולה האנטי-מיקרוביאלית העומדים בבסיס CuNPs נחקרו על ידי הערכת שינויים בייצור מיני חמצן תגובתיים. בנוסף, ארבעה מודולטורים המעכבים את תפקודי החלבון האנושי יושמו כדי לחקור את המעורבות הפוטנציאלית של מסלולי מוות תאי מתוכנת (PCD) בהרג חיידקים. באמצעות גישה זו, מוצעת הופעתם הפוטנציאלית של זנים עמידים לנחושת, תוך התבססות על מחקר על חלבוני הומאוסטזיס נחושת, כולל מווסתי שעתוק תלויי נחושת. ממצאים אלה מספקים מתודולוגיה מקיפה לחקר ההשפעות החיידקיות של CuNPs ותפקידם הפוטנציאלי בהתמודדות עם עמידות לאנטיביוטיקה.
חיידקים עמידים לתרופות הם סיבה רצינית לדאגה ברפואה. הופעתם המהירה הפחיתה את היעילות של אנטיביוטיקה קונבנציונלית, וכתוצאה מכך סיבוכים קליניים נוספים. הם מהווים איום גדול על בריאות הציבור ויוצרים צורך דחוף בתרופות אנטי-מיקרוביאליות חדשות. אחד מאפיקי המחקר הוא ננו-חומרים. לננו-חומרים יש תכונות פיזיקו-כימיות ייחודיות המאפשרות להם לקיים אינטראקציה עם חיידקים בדרכים הפוגעות בכדאיותם. לדוגמה, ננו-חלקיקי כסף (AgNPs) גורמים למתח חמצוני בחיידקים, וכתוצאה מכך לתפקוד לקוי של חלבונים, הפרעה בקרום, נזק ל-DNA ובסופו של דבר מוות של תאים1. ננו-חלקיקי זהב (AuNPs), לעומת זאת, ידועים בתכונותיהם האנטי-פטרייתיות ויכולים לשפר את ההשפעה החיידקית של אנטיביוטיקה על ידי שימוש כנשאים2.
בנוסף, ננו-חלקיקי נחושת (CuNPs) משכו גם הם תשומת לב רבה בשל השפעתם האנטי-מיקרוביאלית החזקה ועלות הייצור הנמוכה שלהם. מחקרים מצביעים על כך ש-CuNPs מציגים פעילות חיידקית רחבת טווח על ידי שיבוש הפעילות האנזימטית ויצירת מיני חמצן תגובתיים (ROS)3. המטען החיובי של CuNPs מקל על חדירתם לחיידקים, ומשפר את ספיגתם התאית4. מנגנון זה הופך את CuNPs לאופציה מבטיחה לציפוי פני השטח, כגון על שתלים, למניעת זיהומים3. עם זאת, ממצא מעניין אחד הוא שההשפעה החיידקית של CuNPs נראית תלויה בגודל. כמה מחקרים מצאו ש-CuNPs קטנים יותר מציגים פעילות אנטיבקטריאלית גבוהה יותר, כנראה בשל יחס שטח הפנים לנפח המעולה שלהם5.
יצירת ROS גורמת לנזק נרחב לתאים ולחיידקים, כולל חמצון שומנים, תפקוד לקוי של חלבונים, פיצול DNA ועיכוב גלוקונאוגנזה/גליקוגנוליזה, ומעורב בנמק או מוות תאי מתוכנת (PCD)6,7,8. מחקרים אחרונים גילו כי מערכות PCD קיימות בחיידקים, עם מצבי פעולה ואפקטורים דומים לאלה במערכות איקריוטיות9. קהילות חיידקים יכולות לגרום ל-PCD בתגובה ללחץ, כולל מתח חמצוני, באמצעות מערכת רעלן-אנטי-רעלן (TA)10. במילים פשוטות, מערכת הרעלנים-אנטי-רעלנים מורכבת מרעלנים שיכולים לשבש תהליכים תאיים חיוניים ואנטי-רעלנים שיכולים ליצור קומפלקסים יציבים עם הרעלים כדי לעכב את רעילותם בתנאי גידול רגילים. רוב החיידקים והארכאות מכילים מיקומי TA בגנום שלהם, הנמצאים לעתים קרובות בעותקים מרובים של DNA חוץ-כרומוזומלי וכרומוזומי. ישנם מספר סוגים של מערכות TA, כאשר TA מסוג II (המכונה מודול MazE/MazF) מעניין במיוחד. בתנאי עקה, נוגדי רעלנים מתפרקים, מה שמאפשר לרעלנים לעכב את המטרות התאיות שלהם. ב-E. coli ו-S. aureus, הרעלן MazF מופעל בתגובה למצבי עקה כגון מתח חמצוני, טמפרטורה גבוהה ורעב של חומצות אמינו. כתוצאה מכך, הביטוי של נוגד הרעלן MazE מצטמצם, ומשחרר את הרעלן MazF10. מחקרים מצאו כי MazF מאפשר סינתזה של חלבונים המאפשרים לתת-אוכלוסייה קטנה לשרוד בתנאים קשים, בעוד שרוב האוכלוסייה עוברת מוות תאי בתיווך mazEF. מוות תאים זה יכול להיות תלוי ROS, כאשר ROS גורם לעיכוב שעתוק או תרגום, או בלתי תלוי ב-ROS, כאשר נזק ל-DNA מפעיל את מסלולי המוות11.
מחקר זה בוחן את המנגנונים שבאמצעותם CuNPs גורמים למוות חיידקי. במקום להתמקד אך ורק במערכת TA, נעשה שימוש בארבעה מאפנני PCD, ששימשו בעבר במחקר שלנו 7,12, כדי לחקור מסלולי PCD פוטנציאליים בחיידקים.
על ידי בחינת ההשפעות החיידקיות של CuNPs בשני גדלים שונים (20 ו-60 ננומטר) בריכוזים משתנים, ושימוש בשיטות כגון מבחני מושבה, זיהוי ROS ומודולטורים של PCD (SBI, Z-VAD, NSA ו-Wortmannin), מחקר זה מדגיש כי PCD אינו בלעדי לאורגניזמים רב-תאיים אלא מתרחש גם בקהילות חיידקים תחת לחץ. על ידי מתן פרוטוקולים מפורטים, עבודה זו נועדה לאפשר לחוקרים להעריך את יעילות CuNP ומנגנוני קוטלי חיידקים במערכות שלהם. יתר על כן, ממצאים אלה מקדמים את ההבנה של PCD חיידקי ותומכים בפיתוח טיפולים מבוססי CuNP למאבק בחיידקים עמידים לאנטיביוטיקה.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הריאגנטים והציוד המשמשים במחקר זה מפורטים בטבלת החומרים.
1. הכנת ננו-חלקיקי נחושת
2. הכנת חיידקים
3. הערכת כדאיות התאים
4. איתור מיני חמצן תגובתיים
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
פעילויות אנטי-מיקרוביאליות של CuNPs בשני גדלים בשלושה פתוגנים
שלושה פתוגנים אופורטוניסטיים (E. coli, S. aureus ו-A. baumannii) שימשו לבדיקת הפעילות החיידקית של CuNPs. החיידקים טופלו ב-0 מיקרוגרם/מ"ל, 1 מיקרוגרם/מ"ל, 5 מיקרוגרם/מ"ל, 10 מיקרוגרם/מ"ל, 50 מיקרוגרם/מ"ל ו-100 מיקרוגרם/מ"ל של 20 ננומטר או 60 ננומטר CuNPs, והפעילויות קוטלי החיידקים נקבעו באמצעות ריכוז החיידקים המינימלי (MBC) שנגזר מספירת המושבות. התוצאות שלנו הראו השפעות חיידקיות חיוביות בשני הגדלים של
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
מחקר זה חקר את ההשפעות והמנגנונים האנטי-מיקרוביאליים של CuNPs בשני גדלים וריכוזים שונים כנגד E. coli, S. aureus ו-A. baumannii. באמצעות הפרוטוקולים שנקבעו, נצפה כי השפעות חיידקיות הנגרמות על ידי CuNP כוללות מתח חמצוני והפעלת PCD פוטנציאלית. עם זאת, יחסי הגומלין בין הומאוסטזיס מתכתי לתגובות עקה חיידקיות נותרו ברובם לא נחקרים. מחקרים קודמים זיהו אסטרטגיות עמידות חיידקים, כגון משאבות פליטת נחושת וחלבונים קושרי מתכת, שעשויות להשפיע על רגישות CuNP1...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
המחבר אינו מצהיר על ניגוד עניינים, כספי או אחר.
אנו אסירי תודה על התמיכה ממרכז מתקני הליבה, אוניברסיטת צו צ'י, טייוואן.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| Acinetobacter baumannii זן Bouvet ו-Grimont | אוסף תרביות סוג אמריקאי (ATCC), מנסס, וירג'יניה, ארה" | 17978 | חיידקים לניסוי טוקסוסיטי CuNP |
| Bio-Rad iMark Microplate Reader | מעבדות Bio-Rad, הרקולס, קליפורניה, ארה" | 168-1130 | משמש למדידת ספיגה במבחני כדאיות חיידקים. |
| תא פרום 2',7'-דיכלורודיהידרופלואורסצאין דיאצטט (H2DCFDA) | סיגמא-אולדריץ', סנט לואיס, מיזורי, ארה"ב | D6883 | משמש לאיתור מיני חמצן תגובתיים (ROS) בתאי חיידקים מטופלים. |
| ננו-חלקיקי נחושת (CuNPs) 25 ננומטר | סיגמא-אולדריץ', סנט לואיס, מיזורי, ארה"ב | 774081 | משמש להכנת תמיסת מלאי CuNP |
| ננו-חלקיקי נחושת (CuNPs) 60-80 ננומטר | סיגמא-אולדריץ', סנט לואיס, מיזורי, ארה"ב | 774103 | משמש להכנת תמיסת מלאי CuNP |
| Escherichia coli (Migula) Castellani and Chalmers | American Type Culture Collection (ATCC), Manassas, VA, USA | 25922 | חיידקים לניסוי טוקסוסיטי CuNP |
| ציטומטר זרימה | גליוס בקמן קולטר, בריאה, קליפורניה, ארה" | ב משמש לניתוח זרימה ציטומטרית בניסויים מרובים, כולל זיהוי מיני חמצן תגובתיים. | |
| LB אגר | FocusBio, Miaoli, טייוואן | LBA500 | משמש לתרבית חיידקים |
| מרק לוריא-ברטאני (LB) | Becton, Dickinson and Company, Sparks, MD, USA | 244620 | משמש לטיפוח חיידקים |
| Necrosulfonamide (NSA) | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | 480073 | משמש כמודולטור לטיפול מקדים במחקרי מסלול מוות חיידקים. |
| מגיב כדאיות תאים PrestoBlue | Invitrogen, קרלסבד, קליפורניה, ארה"ב | P50200 | משמש להערכת כדאיות התא באמצעות פלואורסצנטיות. |
| SBI-0206965 (SBI) | BioVision, מילפיטאס, קליפורניה, ארה" | 9580 | משמש כמודולטור לטיפול מקדים במחקרי מסלול מוות חיידקים. |
| נתרן דודציל סולפט (SDS) | סיגמא-אולדריץ', סנט לואיס, מיזורי, ארה"ב | L4509 | משמש כחומר מפזר לננו-חלקיקי נחושת להפחתת הצבירה. |
| Staphylococcus aureus | American Type Culture Collection (ATCC), Manassas, VA, USA Bioresource Collection and Research Center (BCRC), Hsinchu, Taiwan | 13567 | חיידקים לניסוי טוקסוסיטי CuNP |
| Varioskan LUX multimode microplate reader | Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | VLBLATGD2 | משמש למדידת פלואורסצנטיות במבחני כדאיות תאים |
| Wortmannin (Wort) | Abcam, MA, ארה" | ab120148 | משמש כמודולטור לטיפול מקדים במחקרי מסלול מוות חיידקים. |
| Z-VAD-FMK (Z-VAD) | סיגמא-אולדריץ', סנט לואיס, מיזורי, ארה" | V116 | משמש כמודולטור לטיפול מקדים במחקרי מסלול מוות חיידקים. |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.