Summary

Herstellung von Zinkoxid-Nanopartikeln und die Bewertung ihrer antibakteriellen Wirkung

Published: September 27, 2024
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Summary

In dieser Studie wurden Zinkoxid-Nanopartikel mit Hilfe eines Fällungsverfahrens synthetisiert. Die antibakterielle Wirkung der synthetisierten Partikel wurde gegen multiresistente Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) und Pseudomonas aeruginosa Bakterienstämme getestet.

Abstract

Nosokomiale bakterielle Infektionen sind aufgrund ihrer inhärenten Resistenz gegen Antibiotika immer schwieriger geworden. Das Auftreten multiresistenter Bakterienstämme in Krankenhäusern wird auf den umfangreichen und vielfältigen Einsatz von Antibiotika zurückgeführt, der das Problem der Antibiotikaresistenz weiter verschärft. Metall-Nanomaterialien wurden umfassend als alternative Lösung zur Ausrottung antibiotikaresistenter Bakterienzellen untersucht. Metallische Nanopartikel greifen Bakterienzellen durch verschiedene Mechanismen an, wie z. B. die Freisetzung antibakterieller Ionen, die Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies oder physikalische Störungen, gegen die Bakterien keine Resistenz entwickeln können. Unter den aktiv erforschten antimikrobiellen Metall-Nanopartikeln sind Zinkoxid-Nanopartikel, die von der FDA zugelassen sind, für ihre Biokompatibilität und antibakteriellen Eigenschaften bekannt. In dieser Studie konzentrierten wir uns auf die erfolgreiche Entwicklung einer Fällungsmethode zur Synthese von Zinkoxid-Nanopartikeln, die Analyse der Eigenschaften dieser Nanopartikel und die Durchführung antimikrobieller Tests. Zinkoxid-Nanopartikel wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), dynamischer Lichtstreuung (DLS), Ultraviolett-/Sichtspektroskopie und Röntgenbeugung (XRD) charakterisiert. Antibakterielle Tests wurden unter Verwendung des Bouillon-Mikrodilutionstests mit den multiresistenten Stämmen des Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus (MRSA) und Pseudomonas aeruginosa durchgeführt. Diese Studie zeigte das Potenzial von Zinkoxid-Nanopartikeln bei der Hemmung der Vermehrung von antibiotikaresistenten Bakterien.

Introduction

Multiresistente (MDR) bakterielle Infektionen stellen eine erhebliche globale Bedrohung für die menschliche Gesundheitdar 1. Da diese Infektionen bei Patienten mit Grunderkrankungen tödlich verlaufen können, versucht die aktive Forschung, dieses Problem anzugehen2. Bakterien haben sich so entwickelt, dass sie sich der Wirkung verschiedener Medikamente entziehen. Penicillin, weithin bekannt und für die Rettung von Millionen von Menschenleben weltweit verantwortlich, ist ein β-Lactam-Antibiotikum, das die Synthese der bakteriellen Zellwand hemmt3. Bakterien haben sich jedoch so entwickelt, dass sie die Wirksamkeit von Arzneimitteln durch verschiedene Mechanismen wie Effluxpumpen, Transpeptidase-Veränderungen oder verminderte Permeabilität neutralisieren4. Darüber hinaus können Bakterienzellen diese Resistenzgene an die nächste Generation weitergeben, was die Überlebensraten der nachfolgenden Generation erhöht und das Problem resistenter Stämme verstärkt5.

Die Zunahme antibiotikaresistenter Bakterien hat zum Auftreten von MDR-Bakterien geführt, die häufig Resistenzen gegen mehrere Antibiotika aufweisen. MDR-Stämme sind am häufigsten in Krankenhäusern anzutreffen, wo mehrere Bakterienstämme verschiedenen Antibiotika ausgesetzt sind und daher Resistenzen gegen sie entwickeln6. Staphylococcus aureus, insbesondere der Methicillin-resistente S. aureus (MRSA), ist ein grampositives kommensales Bakterium, das bei etwa 30 % der Menschen Cluster auf der Haut bildet 7,8. MRSA, das erstmals in den 1960er Jahren identifiziert wurde, weist eine verminderte Empfindlichkeit gegenüber β-Lactam-Antibiotika auf, was zu einem starken Anstieg der Infektionsraten seit den 1990er Jahren führte9. Unter den gramnegativen Bakterien ist Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) einer der am weitesten verbreiteten Stämme, die in Krankenhäusern erworben werden. Diese Spezies, ein fakultatives stäbchenförmiges Bakterium, verursacht beim Menschen opportunistische Infektionen10. Insbesondere MDR-Stämme, die sich direkt auf die menschliche Gesundheit auswirken, sind für über 50 % der nosokomialen Infektionen verantwortlich11. In dieser Studie haben wir die in Krankenhäusern am häufigsten vorkommenden multiresistenten Stämme, MRSA und P. aeruginosa, verwendet.

Die Verwendung von Nanopartikeln (NPs) für antimikrobielle Zwecke wurde umfassend untersucht, um das Problem der Antibiotikaresistenz anzugehen. Insbesondere metallische NPs induzieren den bakteriellen Zelltod durch verschiedene Mechanismen und bieten eine mögliche Lösung für das Problem der Arzneimittelresistenz. Metallische NP üben eine antimikrobielle Aktivität durch mehrere Mechanismen aus, darunter die Freisetzung antimikrobieller Ionen, die Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und die physikalische Zerstörung von Zellen,unter anderem 12. NPs, die aus Silber, Kupfer, Zinkoxid (ZnO) und Titanoxid bestehen, besitzen eine hohe antimikrobielle Wirksamkeit und werden daher aktiv erforscht13.

ZnO NPs wurden von der U.S. Food and Drug Administration (FDA) für die Anwendung beim Menschen zugelassen. Umgekehrt ist der Einsatz von Silber- und Kupfer-NPs beim Menschen trotz ihrer hohen antimikrobiellen Wirksamkeit durch ihre hohe Zytotoxizität begrenzt. ZnO-NPs sind jedoch häufig im Alltag zu finden und sogar in weit verbreiteten Sonnenschutzformulierungen enthalten14. Bemerkenswert ist, dass Zn2+ -Ionen, die von ZnO-NPs freigesetzt werden, bei der bakteriellen Behandlung hochwirksam sind und durch die Bildung von ROS und anderen physikalischen Schadensmechanismen den bakteriellen Zelltod induzieren15.

Diese Studie skizziert das Protokoll für die Synthese von ZnO-Nanopartikeln (NPs) unter Verwendung einer Fällungsmethode und stellt einen antimikrobiellen Testansatz unter Verwendung einer Mikrobouillon-Verdünnungsmethode mit klinischen Proben von MRSA und P. aeruginosa vor. Die Fällungsmethode für ZnO-NP umfasst die Synthese unlöslicher fester ZnO-NP durch Einstellen des pH-Werts und der Temperatur unter Verwendung löslicher Vorläufer wie Zinkacetat oder Zinknitrat16. Neben der relativ einfachen und schnellen Produktion gewährleistet diese Methode die Wiederholbarkeit in der Synthese und erleichtert die Kontrolle über Partikelgröße und Morphologie17. In diesem Syntheseprotokoll wurde Natriumhydroxid (NaOH), eines der am häufigsten verwendeten Fällungsmittel, zur Ausfällung von Zinkacetat verwendet, und eine kleine Menge Hexadecyltrimethylammoniumbromid (CTAB) wurde verwendet, um die unkontrollierte Synthese der Nanopartikelzu hemmen 18. Neben verschiedenen antimikrobiellen Tests wurde die antibakterielle Aktivität von ZnO-Nanopartikeln mit der Mikrobouillon-Verdünnungsmethode bewertet, die optische Interferenzen durch Metalloxid-Nanopartikel vermeidet und eine direkte Koloniemessung zur Bestimmung von MHK19 ermöglicht.

Protocol

Die in dieser Studie verwendeten Reagenzien und Geräte sind in der Materialtabelle aufgeführt. 1. Herstellung von Zinkoxid-Nanopartikeln Messen Sie 200 ml absoluten Ethylalkohol ab und gießen Sie ihn in einen Glaskolben mit rundem Boden. Den Rundkolben auf eine Heizhaube stellen und bei 25-40 °C weiterrühren. Messen Sie 500 mg CTAB in einer 50-ml-Durchstechflasche und fügen Sie es dem Ethyla…

Representative Results

Die erfolgreiche Synthese von ZnO-NPs wurde mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bestätigt, wie in Abbildung 1A dargestellt. Es wurde beobachtet, dass die erhaltenen ZnO-NPs eine runde Form haben, mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 35,35 nm und einer Standardabweichung von 6,81 nm. Die Ausfällung dieser Nanopartikel wurde durch eine Doppelverdrängungsreaktion durch Zugabe von NaOH-Lösung zu Zinkacetat beobachtet, wo Zn<sup…

Discussion

Die Synthese von ZnO NP über die Fällung ist relativ einfach und unkompliziert. Um ZnO-NPs mit dieser Methode erfolgreich zu synthetisieren, ist das Rühren entscheidend, um sicherzustellen, dass der Vorläufer (Zinkacetat) vollständig im Lösungsmittel gelöst ist. Darüber hinaus trägt eine Erhöhung der Temperatur dazu bei, eine erfolgreiche Doppelverdrängungsreaktion zu induzieren. Bei der Synthese von ZnO-NPs gibt es viele Faktoren, die die Größe und Form bestimmen, …

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Forschung wurde durch das Chung-Ang University Graduate Research Scholarship im Jahr 2022 (Frau Gahyun Lee) unterstützt. Diese Arbeit wurde auch durch das von der koreanischen Regierung finanzierte Stipendium der National Research Foundation of Korea (NRF) (Nr. 2020R1A5A1018052) und durch das Technology Development Program (RS202300261938) unterstützt, das vom Ministerium für KMU und Startups (MSS, Korea) finanziert wurde.

Materials

DLS Zetasizer Pro
Ethyl alcohol, absolute DAEJUNG 4023-2304
Microplate reader  BioTeck
Sodium Hydroxide Sigma-Aldrich 221465
TEM JEOL JEM-F200
TSA DB difco 236950
TSB DB difco 211825
XRD NEW D8-Advance
Zinc acetate Sigma-Aldrich 383317

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Park, J., Lee, G., Choi, Y., Kim, J., Park, S., Lee, H., Choi, J. Preparation of Zinc Oxide Nanoparticles and the Evaluation of their Antibacterial Effects. J. Vis. Exp. (211), e66725, doi:10.3791/66725 (2024).

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