방법 논문

산화아연 나노입자의 제조 및 항균 효과 평가

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DOI:

10.3791/66725

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2024년 9월 27일

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Integrative Engineering, Chung-Ang University, 2Feynman Institute of Technology, Nanomedicine Corporation, 3Department of Chemical Science and Engineering, Tokyo Institute of Technology, 4Department of Chemical Engineering, Kumoh National Institute of Technology

* These authors contributed equally

이 논문에서

요약

이 연구에서는 산화아연 나노입자를 침전방법을 사용하여 합성하였다. 합성된 입자의 항균 효과는 다제내성 메티실린 내성 황색포도상구균 (MRSA) 및 녹농 균 균주에 대해 테스트되었습니다.

초록

병원내 세균 감염은 항생제에 대한 내재적 내성으로 인해 점점 더 어려워지고 있습니다. 병원에서 다제내성 세균주의 출현은 항생제의 광범위하고 다양한 사용에 기인하며, 이는 항생제 내성 문제를 더욱 악화시키고 있습니다. 금속 나노 물질은 항생제 내성 박테리아 세포를 근절하기 위한 대체 솔루션으로 널리 연구되어 왔습니다. 금속 나노 입자는 항균 이온의 방출, 활성 산소 종의 생성 또는 박테리아가 저항력을 발달시킬 수 없는 물리적 파괴와 같은 다양한 메커니즘을 통해 박테리아 세포를 공격합니다. 활발히 연구되고 있는 항균 금속 나노입자 중 FDA 승인을 받은 산화아연 나노입자는 생체 적합성 및 항균 특성으로 알려져 있습니다. 본 연구에서는 산화아연 나노입자를 합성하기 위한 침전 방법을 성공적으로 개발하고, 이러한 나노입자의 특성을 분석하고, 항균 시험을 수행하는 데 중점을 두었습니다. 산화아연 나노입자는 투과 전자 현미경(TEM), 동적 광 산란(DLS), 자외선/가시광선 분광법 및 X선 회절(XRD)을 사용하여 특성화되었습니다. 항균 검사는 메티실린 내성 황색포도상구균 (MRSA) 및 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)의 다제내성 균주를 대상으로 육수 미세희석 검사를 사용하여 수행되었습니다. 이 연구는 항생제 내성 박테리아의 증식을 억제하는 산화아연 나노입자의 잠재력을 입증했습니다.

서론

다제내성(MDR) 세균 감염은 전 세계적으로 인간의 건강에 심각한 위협이 되고 있습니다1. 이러한 감염은 기저 질환이 있는 환자에게 치명적일 수 있기 때문에 이 문제를 해결하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다2. 박테리아는 다양한 약물의 작용을 회피하도록 진화해 왔습니다. 전 세계적으로 수백만 명의 생명을 구한 것으로 널리 알려지고 인정받는 페니실린은 박테리아 세포벽의 합성을 억제하는 β락탐 항생제이다3. 그러나 박테리아는 유출 펌프, 트랜스펩티다아제 변형 또는 투과성 감소와 같은 다양한 메커니즘을 통해 약물의 효능을 중화하도록 진화해 왔다4. 또한, 세균세포는 이러한 저항성 유전자를 다음 세대로 전달할 수 있어 다음 세대의 생존율을 높이고 저항성 균주의 문제를 강화할 수 있다5.

항생제 내성 세균의 증가는 일반적으로 여러 항생제에 내성을 보이는 MDR 세균의 출현으로 이어졌습니다. MDR 균주는 여러 박테리아 균주가 다양한 항생제에 노출되어 결과적으로 다양한 항생제에 대한 내성이 생기는 병원 환경에서 가장 빈번하게 발생한다6. 황색포도상구균, 특히 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA)은 인간의 약 30%의 피부에 군집을 형성하는 그람 양성 공생 박테리아입니다 7,8. 1960년대에 처음 발견된 MRSA는 β-락탐 항생제에 대한 민감성이 감소하여 1990년대 이후 감염률이 급격히 증가하고 있다9. 그람 음성 박테리아 중 녹농균(P. aeruginosa)은 병원에서 획득하는 가장 흔한 균주 중 하나입니다. 이 종은 통성 막대 모양의 박테리아로 인간에게 기회 감염을 일으킨다10. 특히, 인체 건강에 직접적인 영향을 미치는 MDR 균주는 의료 관련 감염의 50% 이상을 차지한다11. 이 연구에서는 병원에서 가장 흔하게 발견되는 다제내성 균주인 MRSA와 녹농균(P. aeruginosa)을 활용했습니다.

항생제 내성 문제를 해결하기 위해 항균 목적으로 나노 입자(NP)를 사용하는 것이 광범위하게 조사되었습니다. 특히 금속 NP는 다양한 메커니즘을 통해 박테리아 세포 사멸을 유도하여 약물 내성 문제에 대한 잠재적인 해결책을 제공합니다. 금속 NP는 항균 이온의 방출, 활성산소종(ROS)의 생성, 세포의 물리적 파괴 등 여러 메커니즘을 통해 항균 활성을 발휘합니다12. 은, 구리, 산화아연(ZnO) 및 산화티타늄으로 구성된 NP는 높은 항균 효능을 가지고 있어 활발히 연구되고 있습니다13.

ZnO NP는 미국 식품의약국(FDA)의 인체 사용 승인을 받았습니다. 반대로, 높은 항균 효능에도 불구하고 인체에 대한 은 및 구리 NP의 사용은 높은 세포 독성으로 인해 제한됩니다. 그러나, ZnO NPs는 일상 생활에서 흔히 발견되며, 널리 사용되는 자외선 차단제 제제에도 존재한다14. 주목할 점은, ZnO NP에서 방출되는 Zn2+ 이온은 세균 처리에 매우 효과적이며, ROS 및 기타 물리적 손상 메커니즘의 생성을 통해 세균 세포 사멸을 유도한다15.

이 연구는 침전 방법을 사용하여 ZnO 나노 입자(NP)를 합성하기 위한 프로토콜을 간략하게 설명하고 MRSA 및 녹농균의 임상 샘플과 함께 미세 브로스 희석 방법을 사용하는 항균 테스트 접근 방식을 소개합니다. ZnO NP의 침전 방법은 아연 아세테이트 또는 질산 아연16과 같은 용해성 전구체를 사용하여 pH와 온도를 조정하여 불용성 고체 ZnO NP를 합성하는 것을 포함합니다. 상대적으로 쉽고 신속한 생산과 함께 이 방법은 합성의 반복성을 보장하고 입자 크기 및 형태에 대한 제어를 용이하게 합니다17. 이 합성 프로토콜에서는 가장 일반적으로 사용되는 침전제 중 하나인 수산화나트륨(NaOH)을 사용하여 아연 아세테이트를 침전시켰고, 소량의 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB)를 사용하여 나노입자18의 제어되지 않은 합성을 억제했습니다. 다양한 항균 시험 중 ZnO 나노 입자의 항균 활성은 금속 산화물 나노 입자의 광학 간섭을 피하고 MIC19를 결정하기 위한 직접 콜로니 측정을 가능하게 하는 미세 브로스 희석 방법을 사용하여 평가되었습니다.

프로토콜

이 연구에 사용된 시약 및 장비는 재료 표에 나열되어 있습니다.

1. 산화 아연 나노 입자의 제조

  1. 200mL의 절대 에틸 알코올을 측정하여 둥근 바닥 플라스크에 붓습니다.
  2. 둥근 바닥 플라스크를 가열 맨틀에 놓고 25-40 °C에서 교반을 유지합니다.
  3. 50mL 바이알에서 500mg의 CTAB를 측정하고 플라스크의 에틸 알코올에 추가합니다. CTAB가 완전히 녹을 때까지 저어줍니다.
  4. 용액에 아연 아세테이트 1.4g을 넣고 완전히 녹을 때까지 저어줍니다.
  5. 가열 맨틀 온도를 70 °C로 설정하여 용액의 온도를 높입니다.
  6. 혼합물에 25mL의 0.5M NaOH 용액을 넣고 투명 용액이 흰색이 될 때까지 1시간 동안 반응시킵니다.
  7. 용액을 50mL 코니컬 튜브에 분취하고 실온에서 15분 동안 15000× g 으로 원심분리한 다음 상층액을 버립니다.
  8. 원뿔형 튜브 중 하나에 증류수 10mL를 추가하고 용액을 초음파 처리하여 나노 입자를 재현탁시킵니다. 현탁액을 ZnO 펠릿이 들어있는 다른 원추형 튜브로 옮기고 모든 ZnO 용액이 하나의 원뿔형 튜브에 수집될 때까지 반복합니다.
  9. 15000× g 에서 원심분리를 통해 나노입자를 15분(실온) 동안 세척하고 상층액을 제거하고 증류수에 재현탁시킵니다. pH 시험지를 사용하여 상층액 용액의 pH를 확인하고 용액의 pH가 중성이 될 때까지 반복합니다.
    알림: 상층액 용액의 pH가 중성(pH = 7)이 되면 상층액 용액을 버리고 증류수로 재현탁하지 마십시오.
  10. 샘플 팔레트를 60°C에서 24시간 동안 진공 건조하고 ZnO NP 분말을 얻습니다.

2. MRSA와 녹농균을 이용한 항균 시험

  1. 세균 배양
    참고: 임상 MDR 박테리아 균주는 한국 서울의 중앙대학교병원에서 획득했습니다.
    1. TSB(Tryptic Soy Broth)에 비축된 MRSA 및 녹농균 박테리아 균주를 급속 냉동고에서 꺼냅니다.
    2. 박테리아 용액을 해동한 후 일회용 접종 루프를 사용하여 TSA(Tryptic Soy Agar) 플레이트에 용액을 줄무늬 줄무늬를 만듭니다. 줄무늬가 있는 한천 플레이트를 인큐베이터에 넣고 24시간 동안 배양합니다.
      참고: TSA 플레이트에서 채취한 단일 콜로니를 박테리아 접종 루프를 사용하여 50mL 원추형 튜브에 있는 10mL의 TSB 배지에 첨가했습니다. 박테리아를 24시간 동안 배양하였다. 박테리아는 37°C의 호기성 배양 조건에서 배양하였다.
    3. 박테리아 용액의 농도를 측정하려면 증류수를 사용하여 10배 연속 희석을 사용하여 배양 용액을 10-6 으로 희석합니다. 그런 다음 희석된 용액 50μL를 TSA 플레이트에 놓고 L자형 스프레더를 사용하여 용액을 펴 바릅니다.
    4. 인큐베이터에서 플레이트를 24시간 동안 배양합니다.
      참고: 콜로니는 광학적으로 계수되었으며, 배양된 용액의 농도는 희석 인자에 계수된 콜로니의 수를 곱하여 계산되었습니다.
  2. 세균 샘플링
    1. 광범위한 ZnO 농도를 테스트하려면 Dulbecco의 DPBS(Phosphate-Buffered Saline)를 사용하여 2mg/mL ZnO NP 용액을 준비하고 2배 연속 희석을 수행하여 다른 농도를 만듭니다.
      참고: 1000 μg/mL, 500 μg/mL, 250 μg/mL, 125 μg/mL 및 62.5 μg/mL를 테스트했습니다.
    2. 테스트된 ZnO NP 농도 각각에 대해 100μL를 96웰 플레이트에 추가합니다.
      참고: 웰의 각 샘플은 100μL의 박테리아 배양액을 추가하여 희석되므로 최종 원하는 ZnO NP 농도의 두 배(2x)를 사용합니다. 2% 항생제-항진균제(A/A) 용액을 양성 대조군으로 사용하고 DPBS를 음성 대조군으로 사용합니다. A/A는 페니실린과 스트렙토마이신 항생제 복합체로 각각 그람 양성 및 그람 음성 박테리아에 효과적입니다.
    3. TSB 배지를 사용하여 박테리아 배양액을 1 × 106 CFU/mL로 희석하고 서로 다른 농도의 ZnO NP를 포함하는 각 웰에 100μL를 추가합니다.
      참고: 초기 MRSA 및 녹농균 배양 용액 농도는 3 x 109 CFU/mL였습니다. 박테리아 배양 농도 1 x 106 CFU/mL는 배양 용액을 1/20 및 1/150 희석하여 만들었습니다. 100 μL의 ZnO NP와 혼합 한 후 박테리아의 최종 농도는 5 × 105 CFU / mL가됩니다.
    4. 96웰 플레이트를 37°C 인큐베이터에 넣고 24시간 동안 배양합니다.
  3. 세균 확산
    1. 각 웰에서 100μL를 피펫팅하고 10-6까지 다양한 10배 연속 희석액을 준비합니다.
      알림: 박테리아 용액이 포함된 ZnO NP 100μL를 멸균 증류수 900μL에 넣고 6회 반복합니다.
    2. 4개의 희석된 용액에서 50μL를 피펫팅하고 TSA 배지 플레이트에 추가합니다. L자형 세포 스프레더를 사용하여 박테리아 현탁액을 한천 플레이트에 펴 바릅니다.
      참고: 100, 10-2, 10-4 및 10-6 희석액을 사용합니다. 모든 실험을 삼중으로 수행하십시오. 모든 박테리아 용액이 한천 플레이트에 흡수될 때까지 펴 바릅니다.
    3. 한천 플레이트를 37°C 인큐베이터에 넣고 24시간 동안 배양합니다.
  4. 세균 CFU 계수
    1. 각 그룹에 대해 계산할 수 있는 희석 계수를 선택합니다. 계산 가능한 희석 플레이트에 모든 콜로니를 표시하고 농도가 CFU/mL의 #이 되도록 다시 계산합니다.
      알림: 계산 가능한 희석 계수는 개별 플레이트에 20-100 CFU가 있는 플레이트를 나타냅니다. 초기에 계수된 농도 결과 # 계수 CFU/50 μL. 희석되지 않은 박테리아 용액과 함께 스프레드 플레이트를 사용하여 잠재적인 최소 살균 농도를 결정합니다.
    2. 얻은 데이터를 사용하여 음성 대조군에 있는 박테리아에 대한 살아있는 박테리아의 비율을 나타냅니다.
      참고: 살아있는 박테리아의 비율(%) =figure-protocol-1

결과

ZnO NP의 성공적인 합성은 그림 1A와 같이 투과 전자 현미경(TEM)을 사용하여 확인되었습니다. 얻어진 ZnO NP는 평균 입자 크기가 35.35nm이고 표준 편차가 6.81nm인 둥근 모양으로 관찰되었습니다. 이러한 나노 입자의 침전은 아연 아세테이트에 NaOH 용액을 첨가하여 이중 변위 반응을 통해 관찰되었으며, 여기서 Zn2 + 이온은 가수 분해를 거쳤습니다.

동적 광 산란(DLS)을 사용하여 합성된 나노 입자의 평균 크기와 제타 전위는 그림 1B와 같이 각각 130.4nm 및 28.92mV로 측정되었습니다. TEM 이미지에서 얻은 것과 비교하여 DLS를 사용하여 측정한 ZnO NP의 크기 불일치는 베어 나노 입자의 응집에 기인합니다. 양성 제타 전위는 박테리아 세포 표면과 정전적으로 상호 작용하여 잠재적으로 물리적 손상을 일으킬 수 있는 ZnO NP의 획득을 간접적으로 확인했습니다. 제타 전위의 크기는 콜로이드 시스템의 잠재적 안정성을 나타냅니다. 현탁액의 모든 입자가 큰 양의 또는 음의 제타 전위를 가질 때, 입자가 서로 밀어내는 경향이 있어 응집을 방지합니다. 제타 전위가 +30mV보다 크거나 -30mV 미만인 입자는 일반적으로 안정적인 것으로 간주됩니다. 합성된 ZnO NP는 +28.92mV의 제타 전위를 나타냈으며, 이는 물에서 상대적 안정성을 나타낸다(20).

마이크로플레이트 리더를 사용하여 ZnO NP의 흡수 스펙트럼을 검사하여 360nm에서 ZnO에 대한 특정 흡수 피크를 나타냈습니다(그림 1C). 전구체 아연 아세테이트는 고유한 피크가 없는 반면 ZnO NP는 360-370nm에서 고유한 피크를 갖는 것으로 알려져 있습니다. 합성은 합성된 ZnO NP(21)에서 360nm 고유 피크의 존재에 의해 확인되었다. 이러한 특정 UV 흡수 특성은 ZnO NP의 직접 합성을 확인했습니다. 또한 X선 회절(XRD) 분석(그림 1D)을 통해 ZnO의 특징인 뚜렷한 결정질 피크가 나타났습니다. ZnO NPs의 대표적인 wurtzite 구조(JCPDS No. 36-1415)와 비교할 때, 모든 평면 (1, 0, 0), (0, 0, 2), (1, 0, 1), (1, 0, 0), (1, 0, 3), (2, 0, 0), (1, 1, 2) 및 (2, 0, 1)이정렬(22)에 있는 것으로 관찰되었습니다.

합성된 ZnO NP의 항균 효능은 한국 서울의 중앙대학교병원에서 얻은 녹농균 및 MRSA의 임상 샘플에 대한 미세 브로스 희석 테스트를 사용하여 평가되었습니다. 분석을 위해 박테리아 배양 이미지를 캡처했습니다. 동일한 희석 인자를 사용하여 나노 입자의 항균 효능을 육안으로 평가하기 위해 희석되지 않은 박테리아 용액이 있는 스프레드 플레이트를 사용했습니다(그림 2A, B). 원래의 용액이 있는 스프레드 플레이트를 사용하여 잠재적인 최소 살균 농도를 측정했습니다. 박테리아 콜로니는 두 균주 모두에 대해 가장 높은 농도에서도 관찰되었기 때문에 완전한 살균 효과가 달성되지 않았습니다. 각 그룹의 박테리아 농도는 계산 가능한 희석 계수를 사용하여 계산되었습니다. 각 치료군의 생존율을 음성 대조군과 비교했을 때, ZnO NP의 항균 효과는 녹농균 및 MRSA 균주 모두에서 분명했습니다. ZnO NP의 연구된 세포 독성 범위를 고려하여 독성을 유발하는 것으로 알려진 가장 높은 농도인 1000μg/mL에서 시작하여 연속 희석을 통해 62.5μg/mL의 무독성 범위인23,24까지 다양한 ZnO 농도를 테스트했습니다. 녹농균(P. aeruginosa)의 경우, ZnO NPs의 항균 활성은 농도 의존적 방식으로 증가하였다(그림 2A). 그러나, 시작의 희석되지 않은(10:0) 세균 배양으로부터 녹농균 세균 콜로니의 수가 눈에 띄게 감소하는 것은 분명하지 않았다.

반대로, ZnO NP는 그람 양성 박테리아 MRSA에 대해 높은 항균 활성을 나타냈으며, 희석된 박테리아 배양물의 이미지를 시작 비희석(100) 박테리아 배양의 이미지와 비교함으로써 확인된 바와 같이 박테리아 콜로니 형성 단위(CFU)가 눈에 띄게 감소했습니다. 이 결과는 합성된 ZnO NP가 두 박테리아 균주에 대해 항균 활성을 나타냈으며, 특히 MRSA균주에 대해 향상된 효능을 나타냈다는 것을 확인했습니다.

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그림 1: 산화아연 나노입자의 특성화. (A) 다양한 배율에서 ZnO NP의 투과 전자 현미경 이미지. (B) DLS 분석에 의한 크기(왼쪽) 및 제타 전위 분포(오른쪽). (C) 마이크로플레이트 리더를 사용한 ZnO NP의 흡광도 스펙트럼. (D) ZnO NP 및 그 결정 피크의 XRD 분석. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 2: 5 x 105 CFU/mL 박테리아 균주에 대해 테스트한 ZnO NP의 항균 특성. (A) 녹농균 균주에 대한 항균 테스트. (B) MRSA 균주에 대한 항균 테스트. N = 네거티브 컨트롤(DPBS), P = 포지티브 컨트롤(A/A). 별표는 대조군과 비교하여 통계적으로 유의한 차이(****p ≤ 0.0001)를 나타냅니다. 세 번에 걸쳐 수행된 3개의 독립적인 실험의 평균 ± SD로 제시된 데이터. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

토론

침전을 통한 ZnO NP의 합성은 비교적 간단하고 간단합니다. 이 방법을 사용하여 ZnO NP를 성공적으로 합성하려면 전구체(아연 아세테이트)가 용매에 완전히 용해되도록 교반하는 것이 중요합니다. 또한 온도를 높이면 성공적인 이중 변위 반응을 유도하는 데 도움이 됩니다. ZnO NP의 합성에는 침전제, 침전제의 농도 및 계면활성제를 포함하여 크기와 모양을 결정하는 많은 요소가 있습니다. NaOH 이외의 침전제를 사용하면 입자 모양이 바뀔 수 있습니다. Gharpure et al.25에 의해보고 된 바와 같이, 수산화 암모늄 (NH4OH)을 사용하여 다른 계면 활성제로 아연 아연을 침전시켰을 때, 입자는 대부분 원뿔 및 삼각형 모양으로 합성되었습니다. 수산화칼륨(KOH)을 사용하여 합성하더라도 구형 입자를 보기가 어려웠습니다 26. 이 관찰은 NaOH를 사용한 침전이 둥근 모양의 ZnO 나노 입자의 합성을 촉진한다는 것을 확인했습니다.

이 연구에서는 생물 의학 응용 분야에서의 잠재적 응용 프로그램 및 신속한 합성 방법 개발로 인해 소량의 계면 활성제와 NaOH를 사용하여 ZnO NP를 합성했습니다. 그 결과, 둥근 모양의 나노 스케일 입자의 합성이 가능했음에도 불구하고, 균질한 구형 입자의 합성은 추가적인 수정 없이는 제한되었다27. ZnO NP는 비극성 용매 또는 극성 및 비극성이 혼합된 용매에 잘 분산되는 것으로 알려져 있어 물28,29에서 제한된 안정성 및 응집 문제를 일으킵니다. ZnO NP가 DPBS에 분산되어 있기 때문에 응집 현상이 관찰되었으며, 이는 TEM 이미지와 DLS 측정 간의 크기 차이에서 분명했습니다. 3-아미노프로필트리에톡시실란(APTES)과 같은 캡핑제 및 커플링제의 도입은 물에서의 분산을 향상시킬 것으로 예상되지만, 이 연구에서는 ZnO NPs30의 고유한 항균 특성을 평가하기 위해 수정이 수행되지 않았습니다.

본 연구에서 제시된 ZnO NP의 합성 방법은 고압이나 열이 필요하지 않고 소량의 계면활성제31,32 이외의 링커를 포함하지 않는다는 점에서 마이크로파 보조 또는 용매열 기술과 다릅니다. 합성 반응 시간이 2시간에 불과하여 누구나 쉽게 접근할 수 있습니다. 생물의학 응용 관점에서 본 연구는 중앙대학교에서 얻은 MDR 임상 시료를 사용하여 ZnO NP의 항균 특성을 평가함으로써 실제 환경에서 박테리아를 박멸하는 데 필요한 ZnO 농도를 결정할 수 있었습니다. 녹농균에 대해 60μg/mL 농도 범위에서 대부분의 박테리아를 박멸한 Khan 등의 연구와 비교했을 때, 이 연구에 사용된 MDR 임상 균주는 더 높은 생존율을 보인 것으로 나타났습니다33.

합성된 ZnO NP의 항균 효능은 녹농균 및 MRSA 균주에 대해 평가되었습니다. 실험 중 박테리아의 짧은 배증 시간을 감안할 때 먼저 나노입자 용액을 96웰 플레이트에 넣은 다음 박테리아 용액을 즉시 추가하는 것이 중요합니다. 또한, 배양을 위해 다양한 희석액을 사용하는 것은 나노 입자의 항균 활성을 정확하게 결정하는 데 중요합니다. 10배 연속 희석액을 생성하는 동안 박테리아 용액을 철저히 혼합하는 것도 중요합니다. 따라서 신중한 피펫팅과 볼텍싱이 필요합니다. 그러나 이 실험 절차는 시간이 많이 걸린다는 점에 유의해야 합니다. 따라서 600nm에서 흡광도 측정을 사용한 예비 평가는 배양 전에 항균 활성의 대략적인 추정치를 제공할 수 있습니다.

합성된 ZnO NP는 MRSA 균주에 대해 더 높은 항균 활성을 나타냈는데, 이는 박테리아 구조의 차이로 인한 것으로 보입니다. 녹농균(P. aeruginosa)과 같은 그람 음성 박테리아는 세포막 구조, 특히 MRSA의 단층 두꺼운 펩티도글리칸 막과 달리 지질다당류를 포함하는 이중막의 형성에서 MRSA와 다릅니다. 이 이중막 구조는 잠재적으로 항균 Zn2+ 이온의 침투를 방해하여 녹농균의 생존율을 증가시킵니다. ZnO NP는 항균 특성으로 활용되며 자외선 차단제 및 피부 재생에도 적극적으로 사용됩니다. 따라서 ZnO NP를 활용한 다양한 연구는 앞으로도 계속될 것으로 예상됩니다.

ZnO NP는 표면 개질 및 다양한 재료 접합을 통해 다양한 분야에 적용할 수 있습니다. ZnO는 약물 전달, 항균 코팅, 암 치료 및 상처 치유 등에 잠재적인 응용 분야를 보유하고 있습니다34. ZnO NP는 항체와 같은 표적 분자를 접합하여 약물 전달에 적용할 수 있으며, 이를 통해 특정 세포 또는 조직으로의 표적 전달을 가능하게 할 수 있습니다35. 또한 활성산소종의 생성을 통해 ZnO NP는 박테리아 세포뿐만 아니라 암세포도 표적으로 삼을 수 있습니다. 또한, ZnO 나노 입자로부터의 Zn2 + 이온의 방출 및 활성 산소 종에 의한 과산화수소 (H2O2 )의 생성은 상처 부위(36)에서 상처 치유 과정을 촉진 할 수 있습니다. 이러한 잠재력은 다양한 분야에서 ZnO NP의 사용을 탐구하는 수많은 연구로 이어질 것으로 예상됩니다.

공개 사항

최종훈 박사는 CEO/설립자이며, 최용현 박사는 Nanomedicine Corporation의 파인만 공과대학(Feynman Institute of Technology)의 CTO입니다.

감사의 글

본 연구는 2022년 중앙대학교 대학원 연구장학금(Ms. Gahyun Lee)의 지원을 받아 수행되었다. 또한, 한국연구재단(National Research Foundation of Korea, NRF)의 국비지원금(과기정통부)(제2020R1A5A1018052호)과 중소벤처기업부(MSS, Korea)의 기술개발사업(RS202300261938)의 지원을 받았다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
DLSZetasizer Pro
에틸 알코올, 절대대정4023-2304
마이크로플레이트 리더 BioTeck
수산화나트륨시그마-알드리치221465
TEMJEOL JEM-F200
TSADB 디프코236950
TSBDB 디프코211825
XRDNEW D8-어드밴스
아연 아세테이트 시그마-알드리치383317

참고문헌

  1. Catalano, A., et al. Multidrug resistance (MDR): A widespread phenomenon in pharmacological therapies. Molecules. 27 (3), 616(2022).
  2. Bazaid, A. S., et al. Bacterial infections among patients with chronic diseases at a tertiary care hospital in Saudi Arabia. Microorganisms. 10 (10), 1907(2022).
  3. Miller, E. L. The penicillins: A review and update. J Midwifery Women's Health. 47 (6), 426-434 (2002).
  4. Martínez-Trejo, A., et al. Evasion of antimicrobial activity in acinetobacter baumannii by target site modifications: An effective resistance mechanism. Int J Mol Sci. 23 (12), 6582(2022).
  5. Jiang, J. -H., et al. Antibiotic resistance and host immune evasion in staphylococcus aureus mediated by a metabolic adaptation. Proc Natl Acad Sci U S A. 116 (9), 3722-3727 (2019).
  6. Lee, H. N., et al. A lateral flow assay for nucleic acid detection based on rolling circle amplification using capture ligand-modified oligonucleotides. BioChip J. 16 (4), 441-450 (2022).
  7. Craft, K. M., Nguyen, J. M., Berg, L. J., Townsend, S. D. Methicillin-resistant staphylococcus aureus (MRSA): Antibiotic-resistance and the biofilm phenotype. Med Chem Comm. 10 (8), 1231-1241 (2019).
  8. Tieu, M. -V., Pham, D. T., Le, H. T. N., Hoang, T. X., Cho, S. Rapid and ultrasensitive detection of Staphylococcus aureus using a gold-interdigitated single-wave-shaped electrode (AU-ISWE) electrochemical biosensor. BioChip J. 17, 1-10 (2023).
  9. Turner, N. A., et al. Methicillin-resistant Staphylococcus aureus: An overview of basic and clinical research. Nat Rev Microbiol. 17 (4), 203-218 (2019).
  10. Tuon, F. F., Dantas, L. R., Suss, P. H., Tasca Ribeiro, V. S. Pathogenesis of the Pseudomonas aeruginosa biofilm: A review. Pathogens. 11 (3), 300(2022).
  11. Sarabhai, S., Sharma, P., Capalash, N. Ellagic acid derivatives from terminalia chebula retz. Downregulate the expression of quorum sensing genes to attenuate pseudomonas aeruginosa pao1 virulence. PLoS One. 8 (1), e53441(2013).
  12. Dizaj, S. M., Lotfipour, F., Barzegar-Jalali, M., Zarrintan, M. H., Adibkia, K. Antimicrobial activity of the metals and metal oxide nanoparticles. Mat Sci Eng: C. 44, 278-284 (2014).
  13. Ribeiro, A. I., Dias, A. M., Zille, A. Synergistic effects between metal nanoparticles and commercial antimicrobial agents: A review. ACS App Nano Mater. 5 (3), 3030-3064 (2022).
  14. Newman, M. D., Stotland, M., Ellis, J. I. The safety of nanosized particles in titanium dioxide-and zinc oxide-based sunscreens. J Am Acad Dermatol. 61 (4), 685-692 (2009).
  15. Sivakumar, P., Lee, M., Kim, Y. -S., Shim, M. S. Photo-triggered antibacterial and anticancer activities of zinc oxide nanoparticles. J Mater Chem B. 6 (30), 4852-4871 (2018).
  16. Kołodziejczak-Radzimska, A., Jesionowski, T. Zinc oxide-from synthesis to application: A review. Materials. 7 (4), 2833-2881 (2014).
  17. Raoufi, D. Synthesis and microstructural properties of ZnO nanoparticles prepared by precipitation method. Renew Energy. 50, 932-937 (2013).
  18. Wang, Y. -X., Sun, J., Fan, X., Yu, X. A CTAB-assisted hydrothermal and solvothermal synthesis of ZnO nanopowders. Ceram Int. 37 (8), 3431-3436 (2011).
  19. Balouiri, M., Sadiki, M., Ibnsouda, S. K. Methods for in vitro evaluating antimicrobial activity: A review. J Pharm Anal. 6 (2), 71-79 (2016).
  20. Clogston, J. D., Patri, A. K. Zeta potential measurement. Characterization of nanoparticles intended for drug delivery. Methods Mol Biol. McNeil, S. , 63-70 (2011).
  21. Abdelbaky, A. S., Mohamed, A. M., Sharaky, M., Mohamed, N. A., Diab, Y. M. Green approach for the synthesis of ZnO nanoparticles using Cymbopogon citratus aqueous leaf extract: Characterization and evaluation of their biological activities. Chem Biol Technol Agric. 10 (1), 63(2023).
  22. Ankamwar, B. G., Kamble, V. B., Annsi, J. I., Sarma, L. S., Mahajan, C. M. Solar photocatalytic degradation of methylene blue by ZnO nanoparticles. J Nanosci Nanotechnol. 17 (2), 1185-1192 (2017).
  23. Babayevska, N., et al. Zno size and shape effect on antibacterial activity and cytotoxicity profile. Scientific Rep. 12 (1), 8148(2022).
  24. Hamidian, K., Sarani, M., Behjati, S., Mahjoub, M., Zafarnia, N. Cytotoxic performance of synthesized mn-doped ZnO nanorods in mcf-7 cells. ChemistrySelect. 8 (19), e202300292(2023).
  25. Gharpure, S., et al. Non-antibacterial and antibacterial ZnO nanoparticles composed of different surfactants. J Nanosci Nanotechnol. 21 (12), 5945-5959 (2021).
  26. Dhoke, S. K. Synthesis of nano-ZnO by chemical method and its characterization. Results Chem. 5, 100771(2023).
  27. Choi, K. -C., et al. Modifying hydrogen bonding interaction in solvent and dispersion of ZnO nanoparticles: Impact on the photovoltaic performance of inverted organic solar cells. RSC Adv. 4 (14), 7160-7166 (2014).
  28. Lee, W., et al. High colloidal stability ZnO nanoparticles independent on solvent polarity and their application in polymer solar cells. Scientific Rep. 10 (1), 18055(2020).
  29. Cozzoli, P. D., Kornowski, A., Weller, H. Colloidal synthesis of organic-capped ZnO nanocrystals via a sequential reduction-oxidation reaction. J Phy Chem B. 109 (7), 2638-2644 (2005).
  30. Roh, S., Jang, Y., Yoo, J., Seong, H. Surface modification strategies for biomedical applications: Enhancing cell-biomaterial interfaces and biochip performances. BioChip J. 17, 1-18 (2023).
  31. Chen, D., Jiao, X., Cheng, G. Hydrothermal synthesis of zinc oxide powders with different morphologies. Solid State Commun. 113 (6), 363-366 (1999).
  32. Hu, X. -L., Zhu, Y. -J., Wang, S. -W. Sonochemical and microwave-assisted synthesis of linked single-crystalline ZnO rods. Mater Chem Phys. 88 (2-3), 421-426 (2004).
  33. Ahamad Khan, M., et al. Phytogenically synthesized zinc oxide nanoparticles (ZnO-NPs) potentially inhibit the bacterial pathogens: In vitro studies. Toxics. 11 (5), 452(2023).
  34. Xie, J., et al. Recent advances in ZnO nanomaterial-mediated biological applications and action mechanisms. Nanomaterials. 13 (9), 1500(2023).
  35. Chawla, U., et al. A review on ZnO-based targeted drug delivery system. Lett Drug Des Discov. 21 (3), 397-420 (2024).
  36. Alavi, M., Nokhodchi, A. An overview on antimicrobial and wound healing properties of ZnO nanobiofilms, hydrogels, and bionanocomposites based on cellulose, chitosan, and alginate polymers. Carbohydr Polym. 227, 115349(2020).

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