Evaluatie van antimicrobiële activiteiten van nanodeeltjes en nanogestructureerde oppervlakken in vitro

Summary

We introduceren vier methoden om de antimicrobiële activiteiten van nanodeeltjes en nanogestructureerde oppervlakken te evalueren met behulp van in vitro technieken. Deze methoden kunnen worden aangepast om de interacties van verschillende nanodeeltjes en nanogestructureerde oppervlakken met een breed scala aan microbiële soorten te bestuderen.

Abstract

De antimicrobiële activiteiten van nanodeeltjes en nanogestructureerde oppervlakken, zoals zilver, zinkoxide, titaniumdioxide en magnesiumoxide, zijn eerder onderzocht in klinische en omgevingsomgevingen en in verbruiksartikelen. Een gebrek aan consistentie in de gebruikte experimentele methoden en materialen heeft echter geleid tot tegenstrijdige resultaten, zelfs tussen studies van dezelfde nanostructuurtypen en bacteriesoorten. Voor onderzoekers die nanostructuren willen gebruiken als additief of coating in een productontwerp, beperken deze tegenstrijdige gegevens hun gebruik in klinische omgevingen.

Om dit dilemma het hoofd te bieden, presenteren we in dit artikel vier verschillende methoden om de antimicrobiële activiteiten van nanodeeltjes en nanogestructureerde oppervlakken te bepalen en bespreken we hun toepasbaarheid in verschillende scenario's. Het aanpassen van consistente methoden zal naar verwachting leiden tot reproduceerbare gegevens die kunnen worden vergeleken tussen studies en geïmplementeerd voor verschillende nanostructuurtypen en microbiële soorten. We introduceren twee methoden om de antimicrobiële activiteiten van nanodeeltjes te bepalen en twee methoden voor de antimicrobiële activiteiten van nanogestructureerde oppervlakken.

Voor nanodeeltjes kan de directe cocultuurmethode worden gebruikt om de minimale remmende en minimale bacteriedodende concentraties van nanodeeltjes te bepalen, en de directe blootstellingscultuurmethode kan worden gebruikt om real-time bacteriostatische versus bacteriedodende activiteit als gevolg van blootstelling aan nanodeeltjes te beoordelen. Voor nanogestructureerde oppervlakken wordt de directe kweekmethode gebruikt om de levensvatbaarheid van bacteriën indirect en direct in contact met nanogestructureerde oppervlakken te bepalen, en de methode voor gerichte contactblootstelling wordt gebruikt om antimicrobiële activiteit op een specifiek gebied van een nanogestructureerd oppervlak te onderzoeken. We bespreken de belangrijkste experimentele variabelen waarmee rekening moet worden gehouden voor in vitro onderzoeksontwerp bij het bepalen van de antimicrobiële eigenschappen van nanodeeltjes en nanogestructureerde oppervlakken. Al deze methoden zijn relatief goedkoop, maken gebruik van technieken die relatief gemakkelijk te beheersen en herhaalbaar zijn voor consistentie, en zijn toepasbaar op een breed scala aan nanostructuurtypen en microbiële soorten.

Introduction

Alleen al in de VS ontwikkelen jaarlijks 1,7 miljoen mensen een ziekenhuisinfectie (HAI), waarbij één op de 17 van deze infecties resulteert in de dood¹. Bovendien wordt geschat dat de behandelingskosten voor zorginfecties variëren van $ 28 miljard tot $ 45 miljard per jaar ^1,2. Deze zorginfecties worden gedomineerd door methicilline-resistente Staphylococcus aureus (MRSA)^3,4 en Pseudomonas aeruginosa^4, die vaak geïsoleerd zijn van chronische wondinfecties en meestal uitgebreide behandel....

Protocol

Om de directe co-cultuur en directe blootstellingsmethoden te presenteren, gebruiken we magnesiumoxide nanodeeltjes (nMgO) als modelmateriaal om bacteriële interacties aan te tonen. Om de directe kweek- en gerichte contactblootstellingsmethoden te presenteren, gebruiken we een Mg-legering met nanogestructureerde oppervlakken als voorbeelden.

1. Sterilisatie van nanomaterialen

OPMERKING: Alle nanomaterialen moeten worden gesteriliseerd of gedesinfecteerd voordat microbiële kweek plaatsvindt. De methoden die kunnen worden gebruikt, omvatten warmte, druk, straling en ontsmettingsmiddelen, maar de tole....

Results

De identificatie van de antibacteriële activiteit van magnesiumoxide nanodeeltjes en nanogestructureerde oppervlakken is gepresenteerd met behulp van vier in vitro methoden die toepasbaar zijn op verschillende materiaalsoorten en microbiële soorten.

Methode A en methode B onderzoeken bacteriële activiteiten bij blootstelling aan nanodeeltjes in een vertragingsfase (methode A) en logfase (methode B) gedurende een duur van 24 uur of langer. Methode A geeft resultaten met betrekking tot .......

Discussion

We hebben vier in vitro methoden (A-D) gepresenteerd om de antibacteriële activiteiten van nanodeeltjes en nanogestructureerde oppervlakken te karakteriseren. Hoewel elk van deze methoden de groei en levensvatbaarheid van bacteriën in de loop van de tijd kwantificeert als reactie op nanomaterialen, bestaat er enige variatie in de methoden die worden gebruikt om de initiële bacteriële zaaidichtheid, groei en levensvatbaarheid in de loop van de tijd te meten. Drie van deze methoden, de directe cocultuurmethode (A).......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
1.5 mL microcentrifuge tube	Milipore Sigma	Z336777
80 L NTRL Certified Convection Drying Oven	MTI Corporation	BPG-7082	https://www.mtixtl.com/BPG-7082.aspx
(hydroxymethyl) aminomethane buffer pH 8.5; Tris buffer	Sigma-Aldrich	42457
AnaSpec THIOFLAVIN T ULTRAPURE GRADE	Fisher Scientific	50-850-291
Electron-multiplying charge-coupled device digital camera	Hamamatsu	C9100-13
Falcon 15 mL conical tubes	Fisher Scientific	14-959-49B
Gluteraldehyde	Sigma-Aldrich	G5882
Hemocytometer	Brightline, Hausser Scientific	1492
Inductively coupled plasma - optical emission spectrometry (ICP-OES)	PerkinElmer	8000
Inverse microscope	Nikon	Eclipse Ti-S
Luria Bertani Broth	Sigma Life Science	L3022
Luria Bertani Broth + agar	Sigma Life Science	L2897
MacroTube 5.0	Benchmark Scientific	C1005-T5-ST
Magnesium oxide nanoparticles	US Research Nanomaterials, Inc	Stock #: US3310   M	MgO, 99+%, 20 nm
MS Semi-Micro Balance	Mettler Toledo	MS105D
Nitrocellulose paper	Fisherbrand	09-801A
Non-tissue treated 12-well polystyrene plate	Falcon Corning Brand	351143
Non-tissue treated 48-well polystyrene plate	Falcon Corning Brand	351178
Non-tissue treated 96-well polystyrene plate	Falcon Corning Brand	351172
Petri dish 100 mm	VWR	470210-568
Petri dish, 15 mm	Fisherbrand	FB0875713A
pH meter	VWR	SP70P
Scanning electron microscopy (SEM)	TESCAN	Vega3 SBH
Sonicator	VWR	97043-936
Table top centrifuge	Fisher Scientific	accuSpin Micro 17
Table top centrifuge	Eppendorf	Centrifuge 5430
Tryptic Soy Agar	MP	1010617
Tryptic Soy Broth	Sigma-Aldrich	22092-500G
UV-Vis spectrophotometer	Tecan	Infinite 200 PRO	https://lifesciences.tecan.com/plate_readers/infinite_200_pro
VWR Benchmark Incu-shaker 10L	VWR	N/A
X-ray power defraction	Panalytical	N/A	PANalytical Empyrean Series 2