Tutaj wprowadzamy nanokompozyty tlenek grafenu i miedź (GO/Cu) jako nanomateriał antybakteryjny. Skuteczność przeciwbakteryjną nanokompozytów GO/Cu oceniano zarówno wobec bakterii Gram-dodatnich, jak i opornych na antybiotyki.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Tutaj wprowadzamy nanokompozyty tlenek grafenu i miedź (GO/Cu) jako nanomateriał antybakteryjny. Skuteczność przeciwbakteryjną nanokompozytów GO/Cu oceniano zarówno wobec bakterii Gram-dodatnich, jak i opornych na antybiotyki.
Antybiotyki są obecnie najczęściej stosowanym sposobem leczenia przeciwbakteryjnego do zabijania bakterii. Jednak bakterie rozwijają oporność, gdy są stale nadmiernie narażone na antybiotyki. Opracowanie środków przeciwdrobnoustrojowych, które mogą zastąpić istniejące antybiotyki, jest niezbędne, ponieważ bakterie oporne na antybiotyki mają mechanizmy oporności na wszystkie obecnie stosowane antybiotyki i mogą sprzyjać zakażeniom szpitalnym. Aby sprostać temu wyzwaniu, w niniejszym badaniu proponujemy nanokompozyty tlenek grafenu i miedź (GO/Cu) jako materiały przeciwbakteryjne, które mogą zastąpić istniejące antybiotyki. Nanokompozyty GO/Cu charakteryzują się transmisyjną mikroskopią elektronową oraz skaningową mikroskopią elektronową. Pokazują one, że nanocząstki miedzi (Cu) są dobrze rozwinięte na arkuszach tlenku grafenu. Dodatkowo stosuje się metodę bulionu mikrorozcieńczonego w celu potwierdzenia skuteczności substancji przeciwdrobnoustrojowej przeciwko opornemu na metycylinę Staphylococcus aureus (MRSA) i Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa), które często są związane z zakażeniami szpitalnymi. W szczególności 99,8% MRSA i 84,7% P. aeruginosa jest eliminowane przez 500 μg/ml nanokompozytów GO/Cu. Nanokompozyty metalowe mogą eliminować bakterie oporne na antybiotyki poprzez uwalnianie jonów, tworzenie reaktywnych form tlenu i fizyczne uszkadzanie bakterii. Badanie to pokazuje potencjał przeciwbakteryjnych nanokompozytów GO/Cu w zwalczaniu bakterii opornych na antybiotyki.
Infekcje bakteryjne mają znaczący wpływ na zdrowie publiczne. W szczególności bakterie chorobotwórcze mogą omijać mechanizmy ochronne organizmu i powodować choroby1. Antybiotyki są szeroko stosowane w leczeniu infekcji bakteryjnych. Jednak niewłaściwe stosowanie antybiotyków przyspieszyło pojawienie się bakterii opornych na antybiotyki. Obecnie zakażenia szpitalne związane z bakteriami opornymi na antybiotyki powodują znaczące powikłania w placówkach opieki zdrowotnej2. Niestety, bakterie mają mechanizmy oporności na wszystkie obecne antybiotyki3. W związku z tym niezbędne jest opracowanie nowych antybiotyków, choć istnieje również duże prawdopodobieństwo, że pojawią się mechanizmy oporności.
Nanocząstki metali okazały się obiecującymi środkami do zwalczania bakterii opornych na antybiotyki ze względu na ich skuteczne właściwości przeciwbakteryjne4,5,6. Bakteriom trudno jest rozwinąć mechanizmy odporności na nanocząstki metali, ponieważ nie wiążą się one z żadnymi specyficznymi receptorami bakteryjnymi7. W szczególności nanocząstki srebra, miedzi i tlenku są przedmiotem szeroko zakrojonych badań ze względu na ich niezwykłą skuteczność przeciwbakteryjną8,9,10,11,12,13. Toksyczność nanocząstek metali w stosunku do bakterii przypisuje się trzem podstawowym mechanizmom: 1) uwalnianiu jonów metali, 2) wytwarzaniu reaktywnych form tlenu (ROS), takich jak •OH i •O2−, oraz 3) fizycznej interakcji i przyłączeniu4,14.
W tym badaniu, nanokompozyty tlenek grafenu i miedź (GO/Cu) zostały opracowane jako środek przeciwdrobnoustrojowy. Miedź (Cu) skutecznie zabija patogeny, które napotykają jej powierzchnię i zakłóca replikację genów bakteryjnych. Jest to jednak niezbędny mikroelement w ludzkim ciele i jest mniej toksyczny dla komórek ssaków, ponieważ posiada mechanizmy homeostatyczne, które regulują stężenie Cu wewnątrz komórek4. Kiedy nanocząstki Cu są utleniane, generują jony Cu, które mają stosunkowo wysokie powinowactwo do ujemnie naładowanych bakterii15,16. Jony Cu wiążą się ze strukturami komórkowymi (np. białkami, błonami i DNA), zaburzając funkcje komórki17. Poprzez syntezę nanocząstek Cu na powierzchni tlenku grafenu (GO), można kontrolować szybkość uwalniania jonów metali18,19,20. GO wykazuje również działanie przeciwbakteryjne, zapobiegając przyleganiu bakterii do szorstkiej powierzchni w wyniku stresu oksydacyjnego lub tworząc ROS21,22. Co więcej, nanokompozyty GO/Cu uwalniają więcej ROS niż GO poprzez chemiczne działanie Cu2+, które uszkadza białka bakteryjne i DNA, prowadząc do śmierci bakterii23,24.
Ten artykuł przedstawia protokół syntezy nanokompozytów GO/Cu i przedstawia podejście do testowania przeciwbakteryjnego przeciwko klinicznym bakteriom MRSA i P. aeruginosa, najpowszechniejszym wielolekoopornym szczepom bakterii, które powodują infekcje szpitalne25. Protokół ten ma na celu wprowadzenie łatwej metody redukcji chemicznej do syntezy nanokompozytów GO/Cu, które mogą hamować rozwój bakterii opornych na antybiotyki. Używamy chlorku miedzi(II) (CuCl2) i borowodorku sodu (NaBH4) odpowiednio jako prekursora i środka redukującego. W protokole opisano również specyfikę stosowania tych nanokompozytów do bakterii metodą bulionu mikrorozcieńczalnego. Aby wykluczyć błędy wynikające z interferencji absorpcyjnej nanocząstek metalu i dokonać dokładnej oceny, zdolność przeciwbakteryjną ocenia się za pomocą metody zliczania kolonii.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie nanokompozytów GO/Cu
UWAGA: Rozmiar i morfologia nanocząstek Cu, które wzrostą na nanoarkuszach GO, są określone przez stopień utlenienia GO, stężenie prekursora Cu oraz stężenie reduktora26.
2. Przygotowanie bakterii do testu przeciwbakteryjnego
OSTROŻNIE: Procedurę tę należy przeprowadzać w komorze bezpieczeństwa biologicznego z użyciem lampy alkoholowej. Odpady bakteryjne muszą zostać poddane autoklawowaniu przed utylizacją. Podczas pracy z bakteriami opornymi na antybiotyki należy stosować rękawiczki, fartuchy i maski, a po zakończeniu eksperymentu należy umyć ręce mydłem lub użyć środka do dezynfekcji rąk. Zawsze należy przeprowadzać dokładną dezynfekcję; w przypadku skażenia obszaru eksperymentalnego należy go niezwłocznie zdezynfekować 70% etanolem.
(1)3. Test przeciwbakteryjny z wykorzystaniem metody mikrorozcieńczeń w pożywce płynnej
(2)Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
W celu potwierdzenia powstania nanokompozytów GO/Cu przeprowadzono analizy za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) oraz spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii (EDS). Rysunek 1A,B pokazuje, że na arkuszach GO wyrosły heterogeniczne nanocząstki Cu. Jak pokazano na Rysunku 1C, mapowanie EDS potwierdziło, że cząstki na arkuszu GO były nanocząstkami Cu.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
W niniejszym artykule przedstawiamy tanią i prostą metodę przygotowania nanoarkuszy GO osadzonych nanocząstkami Cu, która byłaby potencjalnie skuteczną metodą zwalczania bakterii opornych na antybiotyki. Krytycznym etapem syntezy nanokompozytów GO/Cu jest dokładne zdyspergowanie GO i CuCl2 w roztworze i utrzymanie podwyższonej temperatury podczas ich mieszania. Ponadto etap redoks musi być przeprowadzony szybko, ponieważ czynnik redukujący powoduje reakcję redukcji, gdy tylko wejdzie w kontakt z wodą. Ogólnie ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dr Jonghoon Choi jest dyrektorem generalnym/założycielem, a dr Yonghyun Choi jest dyrektorem technicznym Feynman Institute of Technology w Nanomedicine Corporation.
Te badania były wspierane przez grant badawczy Uniwersytetu Chung-Ang w 2022 roku (podczas urlopu naukowego profesora Jonghoon Choi). Badania te były również wspierane przez Program Badań Podstawowych za pośrednictwem Narodowej Fundacji Badawczej Korei (NRF), finansowany przez Ministerstwo Edukacji (No. RS-2023-00275006) oraz grant Koreańskiego Instytutu Przemysłu i Technologii Środowiska (KEITI) finansowany przez Ministerstwo Środowiska Korei (MOE) (nr 2022002980003). Kliniczne MRSA i P. aeruginosa uzyskano ze Szpitala Uniwersyteckiego Chung-Ang.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Antybiotykowo-przeciwgrzybiczo | Gibco | 15240062 | |
| Kliniczne szczepy bakteryjne MDR | Szpital Uniwersytecki Chung-Ang (Seul, Korea Południowa) | ||
| Dwuwodny chlorek miedzi(II) | Duksan | 10125-13-0 | |
| Skaningowy mikroskop elektronowy z emisją w polu (FE-SEM) | Carl Zeiss | SIGMA | |
| Tlenek grafenu | Sigma | 796034 | |
| Bowodorek sodu | Sigma | 71320 | |
| Transmisyjna mikroskopia elektronowa Panie przewodniczący, panie i panowie! | JEOL | JEM-2100 | |
| Tryptyczny agar sojowy | BD difco | 236950 | |
| Tryptyczny bulion sojowy | BD difco | 211825 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.