Methodenartikel

Bereiding van zinkoxide nanodeeltjes en de evaluatie van hun antibacteriële effecten

3.5K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/66725

⸱

27 september 2024

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

In dit artikel

Samenvatting

In deze studie werden zinkoxide nanodeeltjes gesynthetiseerd met behulp van een precipitatiemethode. Het antibacteriële effect van de gesynthetiseerde deeltjes werd getest tegen multiresistente meticilline-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) en Pseudomonas aeruginosa.

Samenvatting

Nosocomiale bacteriële infecties zijn een steeds grotere uitdaging geworden vanwege hun inherente resistentie tegen antibiotica. De opkomst van multiresistente bacteriestammen in ziekenhuizen wordt toegeschreven aan het uitgebreide en gevarieerde gebruik van antibiotica, waardoor het probleem van antibioticaresistentie verder wordt verergerd. Metalen nanomaterialen zijn op grote schaal bestudeerd als een alternatieve oplossing voor het uitroeien van antibioticaresistente bacteriële cellen. Metalen nanodeeltjes vallen bacteriële cellen aan via verschillende mechanismen, zoals het vrijkomen van antibacteriële ionen, het genereren van reactieve zuurstofsoorten of fysieke verstoring, waartegen bacteriën geen resistentie kunnen ontwikkelen. Onder de actief onderzochte antimicrobiële metaalnanodeeltjes staan zinkoxide-nanodeeltjes, die door de FDA zijn goedgekeurd, bekend om hun biocompatibiliteit en antibacteriële eigenschappen. In deze studie hebben we ons gericht op het succesvol ontwikkelen van een precipitatiemethode voor het synthetiseren van zinkoxide nanodeeltjes, het analyseren van de eigenschappen van deze nanodeeltjes en het uitvoeren van antimicrobiële tests. Zinkoxide nanodeeltjes werden gekarakteriseerd met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), dynamische lichtverstrooiing (DLS), ultraviolette/zichtbare spectroscopie en röntgendiffractie (XRD). Antibacteriële tests werden uitgevoerd met behulp van de bouillon-microverdunningstest met de multiresistente stammen van methicilline-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) en Pseudomonas aeruginosa. Deze studie toonde het potentieel van zinkoxide nanodeeltjes aan bij het remmen van de proliferatie van antibioticaresistente bacteriën.

Inleiding

Multiresistente (MDR) bacteriële infecties vormen een aanzienlijke wereldwijde bedreiging voor de menselijke gezondheid1. Aangezien deze infecties dodelijk kunnen zijn bij patiënten met onderliggende aandoeningen, probeert actief onderzoek dit probleem aan te pakken2. Bacteriën zijn geëvolueerd om de werking van verschillende medicijnen te ontwijken. Penicilline, algemeen bekend en gecrediteerd voor het redden van miljoenen levens wereldwijd, is een β-lactam antibioticum dat de synthese van de bacteriële celwand remt. Bacteriën zijn echter geëvolueerd om de werkzaamheid van geneesmiddelen te neutraliseren via verschillende mechanismen, zoals effluxpompen, transpeptidaseveranderingen of verminderde permeabiliteit4. Bovendien kunnen bacteriële cellen deze resistentiegenen doorgeven aan de volgende generatie, waardoor de overlevingskansen van de volgende generatie toenemen en het probleem van resistente stammen wordt versterkt.

De toename van antibioticaresistente bacteriën heeft geleid tot de opkomst van MDR-bacteriën, die vaak resistent zijn tegen meerdere antibiotica. MDR-stammen worden het vaakst aangetroffen in ziekenhuisomgevingen, waar meerdere bacteriestammen worden blootgesteld aan en bijgevolg resistentie ontwikkelen tegen verschillende antibiotica6. Staphylococcus aureus, met name methicilline-resistente S. aureus (MRSA), is een grampositieve commensale bacterie die clusters vormt op de huid van ongeveer 30% van de mensen 7,8. MRSA, dat voor het eerst werd geïdentificeerd in de jaren 1960, vertoont een verminderde gevoeligheid voor β-lactam-antibiotica, wat resulteert in een sterke toename van het aantal infecties sindsde jaren 1990. Onder gramnegatieve bacteriën is Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) een van de meest voorkomende stammen die in ziekenhuizen worden verworven. Deze soort, een facultatieve staafvormige bacterie, veroorzaakt opportunistische infecties bij de mens10. Met name MDR-stammen die rechtstreeks van invloed zijn op de menselijke gezondheid zijn verantwoordelijk voor meer dan 50 % van de zorggerelateerde infecties11. In deze studie hebben we gebruik gemaakt van de meest voorkomende multiresistente stammen in ziekenhuizen, MRSA en P. aeruginosa.

Het gebruik van nanodeeltjes (NP's) voor antimicrobiële doeleinden is uitgebreid onderzocht om het probleem van antibioticaresistentie aan te pakken. Met name metallische NP's induceren bacteriële celdood via verschillende mechanismen, wat een mogelijke oplossing biedt voor het probleem van resistentie tegen geneesmiddelen. Metallische NP's oefenen antimicrobiële activiteit uit via meerdere mechanismen, waaronder de afgifte van antimicrobiële ionen, het genereren van reactieve zuurstofsoorten (ROS) en fysieke verstoring van cellen, naastandere middelen. NP's bestaande uit zilver, koper, zinkoxide (ZnO) en titaniumoxide hebben een hoge antimicrobiële werkzaamheid en worden daarom actief onderzocht13.

ZnO NP's zijn goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) voor gebruik bij mensen. Omgekeerd wordt het gebruik van zilver en koper NP's, ondanks hun hoge antimicrobiële werkzaamheid, beperkt door hun hoge cytotoxiciteit. ZnO NP's worden echter vaak aangetroffen in het dagelijks leven en zijn zelfs aanwezig in veelgebruikte zonnebrandcrèmeformuleringen14. Merk op dat Zn2+- ionen die vrijkomen uit ZnO NP's zeer effectief zijn bij de behandeling van bacteriën, waarbij bacteriële celdood wordt geïnduceerd door het genereren van ROS en andere fysieke schademechanismen15.

Deze studie schetst het protocol voor het synthetiseren van ZnO-nanodeeltjes (NP's) met behulp van een precipitatiemethode en introduceert een antimicrobiële testbenadering met behulp van een microbouillonverdunningsmethode met klinische monsters van MRSA en P. aeruginosa. De precipitatiemethode voor ZnO NP's omvat het synthetiseren van onoplosbare vaste ZnO NP's door pH en temperatuur aan te passen met behulp van oplosbare precursoren zoals zinkacetaat of zinknitraat16. Samen met een relatief gemakkelijke en snelle productie, zorgt deze methode voor herhaalbaarheid in de synthese en vergemakkelijkt het de controle over de deeltjesgrootte en morfologie17. In dit syntheseprotocol werd natriumhydroxide (NaOH), een van de meest gebruikte precipitatiemiddelen, gebruikt om zinkacetaat neer te slaan, en een kleine hoeveelheid hexadecyltrimethylammoniumbromide (CTAB) werd gebruikt om de ongecontroleerde synthese van denanodeeltjes te remmen. Onder verschillende antimicrobiële tests werd de antibacteriële activiteit van ZnO-nanodeeltjes geëvalueerd met behulp van de microbouillonverdunningsmethode, die optische interferentie van metaaloxide-nanodeeltjes vermijdt en directe koloniemeting mogelijk maakt voor het bepalen van MIC19.

Protocol

De reagentia en apparatuur die in dit onderzoek zijn gebruikt, staan vermeld in de materiaaltabel.

1. Bereiding van zinkoxide nanodeeltjes

  1. Meet 200 ml absolute ethylalcohol af en giet deze in een glazen kolf met ronde bodem.
  2. Plaats de kolf met ronde bodem op een verwarmingsmantel en blijf roeren op 25-40 °C.
  3. Meet 500 mg CTAB af in een injectieflacon van 50 ml en voeg dit toe aan de ethylalcohol in de kolf. Roer tot CTAB volledig is opgelost.
  4. Voeg 1,4 g zinkacetaat toe aan de oplossing en roer tot het volledig is opgelost.
  5. Verhoog de temperatuur van de oplossing door de temperatuur van de verwarmingsmantel in te stellen op 70 °C.
  6. Voeg 25 ml 0,5 M NaOH-oplossing toe aan het mengsel en laat het 1 uur reageren tot de heldere oplossing wit van kleur is.
  7. Aliquot de oplossing aan conische buizen van 50 ml, centrifugeer bij 15000 × g gedurende 15 minuten bij kamertemperatuur en gooi de supernatant vervolgens weg.
  8. Voeg 10 ml gedestilleerd water toe aan een van de conische buizen en resuspendeer de nanodeeltjes door de oplossing te soniseren. Breng de gesuspendeerde oplossing over in een andere conische buis met de ZnO-pellet en herhaal dit totdat alle ZnO-oplossingen in één conische buis zijn verzameld.
  9. Was de nanodeeltjes door centrifugatie bij 15000 × g gedurende 15 minuten (kamertemperatuur), verwijder het supernatant en resuspendeer in gedestilleerd water. Controleer de pH van de bovendrijvende oplossing met behulp van pH-testpapier en herhaal dit totdat de pH van de oplossing neutraal wordt.
    OPMERKING: Wanneer de pH van de supernatansoplossing neutraal wordt (pH = 7), gooi de supernatansoplossing dan weg en repuseer deze niet opnieuw met gedestilleerd water.
  10. Droog de monsterpallet gedurende 24 uur vacuüm bij 60 °C en verkrijg het ZnO NP-poeder.

2. Antibacteriële tests met MRSA en P. aeruginosa

  1. Bacteriecultuur
    OPMERKING: Klinische MDR-bacteriestammen werden verkregen uit het Chung-Ang University Hospital, Seoul, Zuid-Korea.
    1. Haal MRSA- en P. aeruginosa-bacteriestammen opgeslagen in tryptische sojabouillon (TSB) uit de diepvriezer.
    2. Na het ontdooien van de bacteriële oplossingen, veegt u de oplossing op een Tryptic Soy Agar (TSA) plaat met behulp van een wegwerpinoculatielus. Plaats de gestreepte agarplaten in de broedmachine en broed ze 24 uur incuberen.
      OPMERKING: Een enkele kolonie geplukt van de TSA-plaat werd toegevoegd aan 10 ml TSB-media in een conische buis van 50 ml met behulp van een bacteriële inoculatielus. Bacteriën werden gedurende 24 uur gekweekt. Bacteriën werden gekweekt onder aërobe kweekomstandigheden bij 37 °C.
    3. Om de concentratie van de bacterieoplossing te meten, verdunt u de gekweekte oplossing met behulp van 10-voudige seriële verdunning tot 10-6 met gedestilleerd water. Plaats daarna 50 μL van de verdunde oplossing op TSA-platen en verdeel de oplossing met behulp van een L-vormige spreider.
    4. Incubeer de platen 24 uur in de incubator.
      OPMERKING: Kolonies werden optisch geteld en de concentratie van de gekweekte oplossing werd berekend door de verdunningsfactoren te vermenigvuldigen met het aantal getelde kolonies.
  2. Bacteriële bemonstering
    1. Om een breed scala aan ZnO-concentraties te testen, bereidt u 2 mg/ml ZnO NPs-oplossing met behulp van Dulbecco's fosfaatgebufferde zoutoplossing (DPBS) en voert u 2-voudige seriële verdunning uit om verschillende concentraties te maken.
      OPMERKING: 1000 μg/ml, 500 μg/ml, 250 μg/ml, 125 μg/ml en 62,5 μg/ml werden getest.
    2. Voeg 100 μL toe voor elk van de geteste concentraties van ZnO NP's aan een plaat met 96 putjes.
      OPMERKING: Gebruik het dubbele (2x) van de uiteindelijk gewenste concentratie ZnO NP's, aangezien elk monster in de put wordt verdund met de toevoeging van 100 μL bacteriecultuur. Gebruik een 2% antibiotica-antimycoticum (A/A) oplossing als positieve controle en DPBS als negatieve controle. A/A is een antibioticumcomplex van penicilline en streptomycine, dat effectief is tegen respectievelijk grampositieve en gramnegatieve bacteriën.
    3. Verdun de bacteriecultuur tot 1 ×10 6 kve/ml met behulp van TSB-media en voeg 100 μl toe aan elk putje dat verschillende concentraties ZnO NP's bevat.
      OPMERKING: De initiële concentraties van MRSA- en P. aeruginosa-kweekoplossing waren 3 x 109 kve/ml. Bacteriecultuurconcentratie 1 x 106 kve/ml werd gemaakt door 1/20 en 1/150 verdunning van de kweekoplossing. Na menging met 100 μL ZnO NP's zal de uiteindelijke concentratie bacteriën 5 × 105 kve/ml zijn.
    4. Plaats de plaat met 96 putjes in een incubator van 37 °C en incubeer gedurende 24 uur.
  3. Bacteriële verspreiding
    1. Pipetteer 100 μL uit elk putje en bereid verschillende 10-voudige seriële verdunningen voor tot 10-6.
      OPMERKING: Voeg 100 μL ZnO NP's met bacteriële oplossing toe aan 900 μL gesteriliseerd gedestilleerd water en herhaal 6 keer.
    2. Pipetteer 50 μl uit vier verdunde oplossingen en voeg toe aan TSA-mediaplaten. Gebruik een L-vormige celverdeler om de bacteriële suspensie op de agarplaat te verspreiden.
      OPMERKING: Gebruik de verdunningen 100, 10-2, 10-4 en 10-6 . Voer alle experimenten in drievoud uit. Spreid uit totdat alle bacteriële oplossing op de agarplaat is opgenomen.
    3. Plaats de agarplaten in een incubator van 37 °C en incubeer gedurende 24 uur.
  4. Bacteriële CFU tellen
    1. Selecteer een verdunningsfactor die voor elke groep telbaar is. Markeer alle kolonies in de telbare verdunningsplaat en bereken opnieuw zodat de concentratie # kve/ml wordt.
      OPMERKING: De telbare verdunningsfactor geeft platen aan die 20-100 CFU op een individuele plaat hebben. Aanvankelijk getelde concentratieresultaten # van getelde kve/50 μl. Bepaal met behulp van de uitgespreide plaat met de onverdunde bacterieoplossing de potentiële minimale bacteriedodende concentratie.
    2. Gebruik de verkregen gegevens om het percentage levende bacteriën weer te geven ten opzichte van die in de negatieve controlegroep.
      OPMERKING: Percentage levende bacteriën (%) =figure-protocol-1

Resultaten

De succesvolle synthese van ZnO NP's werd bevestigd met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), zoals weergegeven in figuur 1A. De verkregen ZnO NP's bleken rond van vorm te zijn, met een gemiddelde deeltjesgrootte van 35,35 nm en een standaarddeviatie van 6,81 nm. De precipitatie van deze nanodeeltjes werd waargenomen door een dubbele verplaatsingsreactie door NaOH-oplossing toe te voegen aan zinkacetaat, waar Zn2+ -ionen hydrolyse ondergingen.

Met behulp van dynamische lichtverstrooiing (DLS) werden de gemiddelde grootte en zeta-potentiaal van de gesynthetiseerde nanodeeltjes bepaald op respectievelijk 130,4 nm en 28,92 mV, zoals weergegeven in figuur 1B. De discrepantie in de grootte van ZnO NP's gemeten met behulp van DLS vergeleken met die verkregen uit het TEM-beeld werd toegeschreven aan de aggregatie van kale nanodeeltjes. Het positieve zeta-potentiaal bevestigde indirect de verwerving van ZnO NP's, die elektrostatisch kunnen interageren met bacteriële celoppervlakken en mogelijk fysieke schade kunnen veroorzaken. De grootte van de zetapotentiaal geeft de potentiële stabiliteit van een colloïdaal systeem aan. Wanneer alle deeltjes in een suspensie grote positieve of negatieve zetapotentialen hebben, hebben ze de neiging elkaar af te stoten, waardoor aggregatie wordt voorkomen. Deeltjes met zetapotentialen groter dan +30 mV of minder dan -30 mV worden over het algemeen als stabiel beschouwd. De gesynthetiseerde ZnO NP's vertoonden een zetapotentiaal van +28,92 mV, wat wijst op relatieve stabiliteit in water20.

De absorptiespectra van ZnO NP's werden onderzocht met behulp van een microplaatlezer, waarbij een specifieke absorptiepiek voor ZnO bij 360 nm werd onthuld (Figuur 1C). Het voorloper zinkacetaat heeft geen unieke piek, terwijl van ZnO NP's bekend is dat ze een unieke piek hebben bij 360-370 nm. De synthese werd bevestigd door de aanwezigheid van de unieke piek van 360 nm in de gesynthetiseerde ZnO NP's21. Deze specifieke UV-absorptie-eigenschappen bevestigden de directe synthese van ZnO NP's. Bovendien onthulde röntgendiffractieanalyse (XRD) (figuur 1D) duidelijke kristallijne pieken die kenmerkend zijn voor ZnO. In vergelijking met de representatieve wurtzietstructuur van ZnO NP's (JCPDS nr. 36-1415), werd waargenomen dat alle vlakken (1, 0, 0), (0, 0, 2), (1, 0, 1), (1, 0, 2), (1, 1, 0, 3), (2, 0, 0), (1, 1, 2) en (2, 0, 1) in lijn waren22.

De antimicrobiële werkzaamheid van de gesynthetiseerde ZnO NP's werd geëvalueerd met behulp van een microbouillonverdunningstest tegen klinische monsters van P. aeruginosa en MRSA, verkregen uit het Chung-Ang University Hospital in Seoul, Zuid-Korea. Beelden van bacterieculturen werden vastgelegd voor analyse. Om de antimicrobiële werkzaamheid van de nanodeeltjes visueel te beoordelen met behulp van dezelfde verdunningsfactor, werden verspreide platen met onverdunde bacteriële oplossing gebruikt (Figuur 2A,B). Spreidplaten met de oorspronkelijke oplossing werden gebruikt om de potentiële minimale bacteriedodende concentratie te bepalen. Aangezien bacteriekolonies zelfs in de hoogste concentratie voor beide stammen werden waargenomen, werd een volledig bacteriedodend effect niet bereikt. De bacterieconcentraties in elke groep werden berekend met behulp van telbare verdunningsfactoren. Bij het vergelijken van de overlevingspercentages van elke behandelingsgroep met de negatieve controlegroep, waren de antimicrobiële effecten van ZnO NP's duidelijk in zowel P. aeruginosa- als MRSA-stammen. Rekening houdend met het onderzochte cytotoxiciteitsbereik van ZnO NP's, werden verschillende ZnO-concentraties getest, beginnend bij de hoogste concentratie waarvan bekend is dat deze toxiciteit induceert, namelijk 1000 μg/ml, tot het niet-toxische bereik van 62,5 μg/ml, door seriële verdunning 23,24. In het geval van P. aeruginosa was de antimicrobiële activiteit van ZnO NP's op een concentratie-afhankelijke manier verhoogd (Figuur 2A). Een zichtbare afname van het aantal P. aeruginosa-bacteriekolonies uit de beginnende onverdunde (100) bacteriecultuur was echter niet evident.

Omgekeerd vertoonden ZnO NP's een hoge antimicrobiële activiteit tegen de grampositieve bacterie MRSA, met een merkbare afname van bacteriële kolonievormende eenheden (CFU), zoals bevestigd door beelden van verdunde bacterieculturen te vergelijken met die van de beginnende onverdunde (100) bacteriecultuur. Dit resultaat bevestigde dat de gesynthetiseerde ZnO NP's antimicrobiële activiteit vertoonden tegen beide bacteriestammen, met name tegen deMRSA-stam.

figure-results-1
Figuur 1: Karakterisering van zinkoxide nanodeeltjes. (A) Transmissie elektronenmicroscopie beelden van ZnO NP's onder verschillende vergrotingen. (B) Grootte (links) en zeta-potentiaalverdeling (rechts) door DLS-analyse. (C) Absorptiespectrum van ZnO NP's met behulp van een microplaatlezer. (D) XRD-analyse van ZnO NP's en hun kristallijne pieken. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-2
Figuur 2: Antibacteriële eigenschappen van ZnO NP's getest op 5 x 105 CFU/ml bacteriestammen. (A) Antibacteriële test tegen de P. aeruginosa-stam . (B) Antibacteriële test tegen de MRSA-stam . N = negatieve controle (DPBS), P = positieve controle (A/A). Sterretjes geven het statistisch significante verschil aan in vergelijking met de controles, ****p ≤ 0,0001. Gegevens gepresenteerd als gemiddelde ± SD van drie onafhankelijke experimenten die in drievoud zijn uitgevoerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussie

De synthese van ZnO NP's via neerslag is relatief eenvoudig en ongecompliceerd. Om ZnO NP's met succes te synthetiseren met behulp van deze methode, is roeren cruciaal om ervoor te zorgen dat de voorloper (zinkacetaat) volledig is opgelost in het oplosmiddel. Bovendien helpt het verhogen van de temperatuur om een succesvolle dubbele verplaatsingsreactie te induceren. Bij de synthese van ZnO NP's zijn er veel factoren die de grootte en vorm bepalen, waaronder het neerslagmiddel, de concentratie van het neerslagmiddel en de oppervlakteactieve stof. Het gebruik van andere precipitatiemiddelen dan NaOH kan de vorm van de deeltjes veranderen. Zoals gerapporteerd door Gharpure et al.25, toen ammoniumhydroxide (NH4OH) werd gebruikt om zinkacetaat met verschillende oppervlakteactieve stoffen te precipiteren, werden deeltjes meestal gesynthetiseerd in kegel- en driehoeksvormen. Zelfs wanneer gesynthetiseerd met behulp van kaliumhydroxide (KOH), was het moeilijk om bolvormige deeltjes te zien26. Deze waarneming bevestigde dat precipitatie met NaOH de synthese van ZnO-nanodeeltjes met afgeronde vormen vergemakkelijkte.

In deze studie hebben we ZnO NP's gesynthetiseerd met behulp van een kleine hoeveelheid oppervlakteactieve stof en NaOH vanwege hun potentiële toepassing in biomedische toepassingen en de ontwikkeling van een snelle synthesemethode. Hoewel de synthese van ronde deeltjes op nanoschaal mogelijk was, was de synthese van homogene bolvormige deeltjes beperkt zonder aanvullende wijzigingen27. Van ZnO NP's is bekend dat ze goed dispergeren in apolaire oplosmiddelen of gemengde polaire en niet-polaire oplosmiddelen, wat leidt tot beperkte stabiliteits- en aggregatieproblemen in water28,29. Aangezien de ZnO NP's in DPBS werden verspreid, werden aggregatieverschijnselen waargenomen, wat bleek uit het verschil in grootte tussen TEM-beelden en DLS-metingen. De introductie van afdekmiddelen en koppelingsmiddelen zoals 3-aminopropyltriethoxysilaan (APTES) zal naar verwachting de dispersie in water verbeteren, hoewel er in deze studie geen wijzigingen zijn aangebracht om de intrinsieke antimicrobiële eigenschappen van ZnO NP's30 te evalueren.

De synthesemethode van ZnO NP's die in deze studie wordt gepresenteerd, verschilt van microgolfondersteunde of solvothermische technieken in die zin dat er geen hoge druk of warmte voor nodig is en dat er geen andere linker bij betrokken is dan een kleine hoeveelheid oppervlakteactieve stof31,32. Met een synthesereactietijd van slechts 2 uur is hij voor iedereen gemakkelijk toegankelijk. Vanuit een biomedisch toepassingsperspectief evalueerde deze studie de antibacteriële eigenschappen van ZnO NP's met behulp van klinische MDR-monsters verkregen van de Chung-Ang University, waardoor de noodzakelijke concentratie ZnO kon worden bepaald voor het uitroeien van bacteriën in real-world omgevingen. Vergeleken met de studie van Khan et al., waarbij de meeste bacteriën werden uitgeroeid in het concentratiebereik van 60 μg/ml tegen P. aeruginosa, werd vastgesteld dat de klinische MDR-stammen die in deze studie werden gebruikt, hogere overlevingspercentages vertoonden.

De antimicrobiële werkzaamheid van de gesynthetiseerde ZnO NP's werd beoordeeld tegen P. aeruginosa- en MRSA-stammen. Gezien de korte verdubbelingstijd van bacteriën tijdens het experiment, is het van cruciaal belang om eerst de nanodeeltjesoplossing in een plaat met 96 putjes te plaatsen en vervolgens de bacteriële oplossing onmiddellijk toe te voegen. Bovendien is het gebruik van verschillende verdunningen voor de kweek cruciaal voor het nauwkeurig bepalen van de antimicrobiële activiteit van nanodeeltjes. Grondige menging van de bacteriële oplossing tijdens het genereren van de 10-voudige seriële verdunningen is ook cruciaal; Daarom zijn zorgvuldig pipetteren en vortexen noodzakelijk. Men moet echter opmerken dat deze experimentele procedure tijdrovend is. Een voorlopige beoordeling met behulp van absorptiemetingen bij 600 nm kan dus een geschatte schatting geven van de antimicrobiële activiteit vóór de kweek.

De gesynthetiseerde ZnO NP's vertoonden een hogere antimicrobiële activiteit tegen de MRSA-stam, waarschijnlijk als gevolg van verschillen in de bacteriële structuur. Gramnegatieve bacteriën, zoals P. aeruginosa, verschillen van MRSA in hun celmembraanstructuur, met name in de vorming van een dubbel membraan dat lipopolysachariden bevat, in tegenstelling tot een enkellaags dik peptidoglycaanmembraan van MRSA. Deze dubbele membraanstructuur belemmert mogelijk de penetratie van de antimicrobiële Zn2+ -ionen, waardoor de overlevingskans van P. aeruginosa toeneemt. ZnO NP's worden gebruikt vanwege hun antimicrobiële eigenschappen en worden ook actief gebruikt in zonnebrandcrème en huidregeneratie. Daarom wordt verwacht dat diverse onderzoeken waarbij gebruik wordt gemaakt van ZnO NP's in de toekomst zullen worden voortgezet.

ZnO NP's kunnen op verschillende gebieden worden toegepast, door middel van oppervlaktemodificatie en verschillende materiaalvervoegingen. ZnO heeft potentiële toepassingen in onder andere medicijnafgifte, antibacteriële coatings, kankertherapie en wondgenezing34. ZnO NP's kunnen worden toegepast bij de toediening van geneesmiddelen door doelgerichte moleculen zoals antilichamen te conjugeren, waardoor gerichte afgifte aan specifieke cellen of weefsels mogelijkwordt35. Bovendien kunnen ZnO NP's door het genereren van reactieve zuurstofsoorten niet alleen gericht zijn op bacteriële cellen, maar ook op kankercellen. Bovendien kan de afgifte van Zn2+- ionen uit ZnO-nanodeeltjes en de vorming van waterstofperoxide (H2O2) als gevolg van reactieve zuurstofsoorten wondgenezingsprocessen op de wondplaats bevorderen36. Verwacht wordt dat deze mogelijkheden zullen leiden tot tal van onderzoeken naar het gebruik van ZnO NP's op verschillende gebieden.

Openbaarmakingen

Dr. Jonghoon Choi is de CEO/oprichter, en Dr. Yonghyun Choi is de CTO van het Feynman Institute of Technology bij de Nanomedicine Corporation.

Dankbetuigingen

Dit onderzoek werd ondersteund door de Chung-Ang University Graduate Research Scholarship in 2022 (mevrouw Gahyun Lee). Dit werk werd ook ondersteund door de subsidie van de National Research Foundation of Korea (NRF), gefinancierd door de Koreaanse regering (MSIT) (nr. 2020R1A5A1018052) en door het Technology Development Program (RS202300261938) gefinancierd door het ministerie van MKB en startups (MSS, Korea).

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
DLSZetasizer Pro
Ethyl alcohol, absoluteDAEJUNG4023-2304
Microplate reader BioTeck
Sodium HydroxideSigma-Aldrich221465
TEMJEOL JEM-F200
TSADB difco236950
TSBDB difco211825
XRDNEW D8-Advance
Zinc acetateSigma-Aldrich383317

Referenties

  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).

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Synthese van nanodeeltjesprecipitatiemethodetransmissie elektronenmicroscopiedynamische lichtverstrooiingr ntgendiffractiebouillonmicroverdunningstestmultidrug resistente bacteri nkolonievormende eenheden
Bereiding van zinkoxide nanodeeltjes en de evaluatie van hun antibacteriële effecten
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.