МЕТАЛЕВІ НАНОЧАСТИНКИ ТА АНТИБІОТИКИ: ВАЛОРИЗАЦІЯ СИНЕРГЕТИЧНОЇ ВЗАЄМОДІЇ ТА ПЕРСПЕКТИВИ ВИКОРИСТАННЯ
DOI:
https://doi.org/10.58407/bht.2.24.3Ключові слова:
металеві наночастинки, антибіотики, антибактеріальна дія, антибіотикорезистентність, синергетична взаємодіяАнотація
Антибіотикорезистентність стала глобальною проблемою, що виникла внаслідок еволюційних механізмів адаптації мікроорганізмів. У зв'язку з цим постійно виникає необхідність пошуку новітніх рішень, таких як розробка нових препаратів або встановлення синергетичних взаємодій.
Мета досліжень: критичний аналіз сучасних публікацій у напрямку антимікробної дії наночастинок металів, випробовування їхньої активності у комбінаціях з антибіотиками різних класів і, як наслідок, оцінка синергетичної взаємодії.
Методологія. Розглянуто антибактеріальний механізм дії наночастинок різних металів та їх оксидів, біомедичне застосування, потенційну токсичність та методи одержання. Проаналізовано і систематизовано сучасні класи антибіотиків, включаючи як загальновживані, так і вузькоспеціалізовані групи, зокрема такі, що одержані методами генної інженерії. Розглянуто особливості будови молекул діючих речовин антибіотиків з функціональними групами атомів, які забезпечують механізми їх антибактеріальної дії. Проаналізовано інноваційні підходи до синтезу систем «антибіотик–металева НЧ» і виділено чотири основні способи одержання таких комплексів.
Наукова новизна. Проаналізовано робочі гіпотези щодо пояснення механізму синергетичної взаємодії НЧ та антибіотиків різних класів. Показано, що синергетичний ефект виникає за рахунок збільшення проникності клітинних стінок і мембран, підвищеної локальної концентрації іонів металів у цитоплазмі та сполучення комплексів «антибіотик-металева НЧ» з нуклеїновими кислотами бактерій.
Висновки. Одержані результати мають перспективу застосування в клінічній практиці для розвитку нових методів терапії та боротьби з антибіотикорезистентністю. Сформульовано висновки щодо вимог до створення комплексних лікарських засобів «антибіотик–металева НЧ». Очікується, що встановлений синергізм призведе до зниження ефективних доз, а отже, зменшення токсичності, і небажаних побічних ефектів іноваційного комплексу.
Завантаження
Посилання
Ambaye, T. G., Vaccari, M., & van Hullebusch, E. D. (2021). Photocatalytic nanomaterials for bacterial disinfection. In: Inamuddin, M.I. Ahamed, E. Lichtfouse (Eds) Water Pollution and Remediation: Photocatalysis. Environmental Chemistry for a Sustainable World, 57. Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-030-54723-3_7
Agreles, M., Cavalcanti, I., & Cavalcanti, I. (2022). Synergism between metallic nanoparticles and antibiotics. Appl. Microbiol. Biotechnol. 106, 3973–3984. https://doi.org/10.1007/s00253-022-12001-1
Bambeke, F., Glupczynski, Y., Mingeot-Leclercq M-P., & Tulkens, P. (2010). Chapter 130: Mechanisms of action. In G. Cohan (Ed), Infectious Diseases. (3d Ed. pp.1288–1307). Elsevier/Mosby. https://www.farm.ucl.ac.be/Full-texts-FARM/Vanbambeke-2010-2.pdf
Bishoyi, A. K., Sahoo, C. R., & Padhy, R. N. (2022). Recent progression of cyanobacteria and their pharmaceutical utility: an update. Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, 41(9), 4219–4252.
Campbell, E. A., Korzheva, N., Mustaev, A., Murakami, K., Nair, S., Goldfarb, A., & Darst, S. A. (2001). Structural mechanism for rifampicin inhibition of bacterial RNA polymerase". Cell. 104(6), 901–912. doi:10.1016/S0092-8674(01)00286-0
Chlumsky, O., Purkrtova, S., Michova, H., Sykorova, H., Slepicka, P., Fajstavr, D., Ulbrich, P., Viktorova, J., & Demnerova, K. (2021). Antimicrobial Properties of Palladium and Platinum Nanoparticles: A New Tool for Combating Food-Borne Pathogens. Int. J. Mol. Sci., 22(15), 7892. https://www.mdpi.com/1422-0067/22/15/7892
Deng, H., McShan, D., Zhang, Yi., Sinha, S.,S., Arslan, Z., Ray, P. C., & Yu, H. (2016). Mechanistic study of the synergistic antibacterial activity of combined silver nanoparticles and common antibiotics. Environmental Science & Technology, 50(16), 8840–8848 https://doi.org/10.1021/acs.est.6b00998
Duan, S., & Wang, R. (2013). Bimetallic nanostructures with magnetic and noble metals and their physicochemical applications. Prog. Nat. Sci. Mater. Int., 23, 113–126. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2013.02.001
Ezhilarasi, A. A., Vijaya, J. J., Kaviyarasu, K., Maaza, M., Ayeshamariam, A., & Kennedy, L. J. (2016). Green synthesis of NiO nanoparticles using Moringa oleifera extract and their biomedical applications: Cytotoxicity effect of nanoparticles against HT-29 cancer cells. Journal of Photochemistry and Photobiology. B: Biology, 164, 352–360. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2016.10.003
Ezhilarasi, A. A., Vijaya, J. J., Kaviyarasu, K., Kennedy, L. J., Ramalingam, R. J., & Al-Lohedan, H. A. (2018). Green synthesis of NiO nanoparticles using Aegle marmelos leaf extract for the evaluation of in-vitro cytotoxicity, antibacterial and photocatalytic properties. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 180, 39–50, https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2018.01.023
Falagas, M. E., Kasiakou, S. K., & Saravolatz, L. D. (2005). Colistin: The revival of polymyxins for the management of multidrug-resistant gram-negative bacterial infections. Clinical Infectious Diseases, 40(9), 1333–1341. https://doi.org/10.1086/429323
Fanoro, O. T., & Oluwafemi, O. S. (2020). Bactericidal Antibacterial Mechanism of Plant Synthesized Silver, Gold and Bimetallic Nanoparticles. Pharmaceutics, 12, 1044. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics12111044
Fayaz, A.M., Balaji, K., Girilal, M., Yadav, R., Kalaichelvan, P.T., & Venketesan, R. (2010). Biogenic synthesis of silver nanoparticles and their synergistic effect with antibiotics: A study against gram-positive and gram-negative bacteria. Nanomed. Nanotechnol. Biol. Med., 6, 103–109. https://doi.org/10.1016/j.nano.2009.04.006
Haghighi, F., Mohammadi, S., Mohammadi, P., & Hosseinkhani, S. (2013). Antifungal activity of TiO2 nanoparticles and EDTA on Candida albicans biofilms. Infect. Epidemiol. Med., 1, 33–38. https://www.semanticscholar.org/paper/Antifungal-Activity-of-TiO-2-nanoparticles-and-EDTA-Haghighi-Mohammadi/d816127a0b7d75797b3497f3009f690985932dbc?utm_source=direct_link
Hasoon, B. A., Jawad, K. H., Mohammed, I. S., Hussein, N. N., Al-azawi, K. F., & Jabir, M. S. (2024). Silver nanoparticles conjugated amoxicillin: A promising nano-suspension for overcoming multidrug resistance bacteria and preservation of endotracheal tube. Inorganic Chemistry Communications, 112456, https://doi.org/10.1016/j.inoche.2024.112456.
Heide, L. (2009). Chapter 18. Aminocoumarins: Mutasynthesis, Chemoenzymatic Synthesis, and Metabolic Engineering. Methods in Enzymology, 459. 437–455. https://doi.org/10.1016/S0076-6879(09)04618-7
Huang, Z., Zheng, X., Yan, D., Yin, G., Liao, X., Kang, Y., Yao, Y., Huang, D., & Hao, B. (2008). Toxicological effect of ZnO nanoparticles based on bacteria. Langmuir, 24(8), 4140–4144. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/la7035949
Huh, A. J., & Kwon, Y. J. (2011). “Nanoantibiotics”: A new paradigm for treating infectious diseases using nanomaterials in the antibiotics resistant era. J. Control. Release, 156(2), 128–145. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2011.07.002
Jin, T., & He, Y. (2011). Antibacterial activities of magnesium oxide (MgO) nanoparticles against foodborne pathogens. J. Nanoparticle Res., 13, 6877–6885. https://link.springer.com/article/10.1007/s11051-011-0595-5
Kaur, P., Nene, A.G., Sharma, D., Somani, P. R., & Tuli, H. S. (2019). Synergistic effect of copper nanoparticles and antibiotics to enhance antibacterial potential. Bio-Mater. Technol., 1, 33–47.
Maleki Dizaj, S., Lotfipour, F., Barzegar-Jalali, M., Hossein Zarrintan, M., & Adibkia K. (2014). Antimicrobial activity of the metals and metal oxide nanoparticles. Mater Sci Eng C, 44, 278–284. https://doi.org/10.1016/j.msec.2014.08.031
Mast, Y., & Wohlleben, W. (2014). Streptogramins – Two are better than one. International Journal of Medical Microbiology, 304(1), 44–50. https://doi.org/10.1016/j.ijmm.2013.08.008
Meena, P., & Kishore, N. (2021). Thermodynamic and mechanistic analytical effect of albumin coated gold nanosystems for antibiotic drugs binding and interaction with deoxyribonucleic acid. J. Mol. Liq., 339, 116718. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.116718
Mukherji, S., Bharti, S., Shukla, G., & Mukherji, S. (2019). Synthesis and characterization of size- and shape-controlled silver nanoparticles. Physical Sciences Reviews, 4(1), 20170082. https://doi.org/10.1515/psr-2017-0082
Nishanthi, R., Malathi, S., John Paul, S., & Palani P. (2019). Green synthesis and characterization of bioinspired silver, gold and platinum nanoparticles and evaluation of their synergistic antibacterial activity after combining with different classes of antibiotics, Mater Sci Eng C, 96, 693–707, https://doi.org/10.1016/j.msec.2018.11.050
Overview of antibiotic therapy (2024). AMBOSS Database, Last Updated 14.05.2022. https://www.amboss.com/us/knowledge/overview-of-antibiotic-therapy
Pal, S., Tak, Y. K., & Song, J. M. (2007). Dose the antibacterial activity of silver nanoparticles depend on the shape of the nanoparticle? A study of the gram-negative bacterium Escherichia coli. Appl. Environ. Microbiol., 27(6), 1712–1720. https://journals.asm.org/doi/10.1128/aem.02218-06
Panáček, A., Kvítek, L., Smékalová, M., Večeřová, R., Kolář, M., Röderová, M., Dyčka, F., Šebela, M., Prucek, R., & Tomanec, O. (2018). Bacterial resistance to silver nanoparticles and how to overcome it. Nat. Nanotechnol., 13, 65–71. https://doi.org/10.1038/s41565-017-0013-y
Patel, S., & Beteck, R. (2021). Metronidazole-conjugates: A comprehensive review of recent developments towards synthesis and medicinal perspective. European Journal of Medicinal Chemistry, https://www.sciencedirect.com/topics/pharmacology-toxicology-and-pharmaceutical-science/nitroimidazole#chapters-articles
Patra, J. K., & Baek, K. H. (2015). Novel green synthesis of gold nanoparticles using Citrullus lanatus rind and investigation of proteasome inhibitory activity, antibacterial, and antioxidant potential. Int. J. Nanomed., 10, 7253–7264. https://www.semanticscholar.org/paper/Novel-green-synthesis-of-gold-nanoparticles-using-Patra-Baek/3ae247d15e44fd8557fe74243fa474363b823577
Pillai, S.M., & Latha, P. S. (2016) Designing of some novel metallo antibiotics tuning biochemical behavior towards therapeutics: Synthesis, characterisation and pharmacological studies of metal complexes of cefixime. J. Saudi Chem. Soc., 20, S60–S66. https://doi.org/10.1016/j.jscs.2012.09.004
Salahuddin, N., Gaber, M., Elneanaey, S., Snowdon, M. R., & Abdelwahab, M. A. (2021). Co-delivery of norfloxacin and tenoxicam in Ag-TiO2/poly(lactic acid) nanohybrid. Int. J. Biol. Macromol., 180, 771–781. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.03.033
Salata, O. (2004). Applications of nanoparticles in biology and medicine. J Nanobiotechnol, 2, 3. https://doi.org/10.1186/1477-3155-2-3
Salas-Orozco, M., Niño-Martínez, N., Martínez-Castañón, G.-A., Méndez, F.T., Jasso, M.E.C., & Ruiz, F. (2019). Mechanisms of Resistance to Silver Nanoparticles in Endodontic Bacteria: A Literature Review. J. Nanomater., 7630316, 1–11 https://www.hindawi.com/journals/jnm/2019/7630316/
Shabatina, T. I., Vernaya, O. I., & Melnikov, M.Y. (2023). Hybrid Nanosystems of Antibiotics with Metal Nanoparticles – Novel Antibacterial Agents. Molecules, 28, 1603. https://doi.org/10.3390/molecules28041603
Sondi, I., & Salopek-Sondi, B. (2004). Silver nanoparticles as antimicrobial agent: a case study on E. coli as a model for gram-negative bacteria. J. Colloid Interface Sci., 275, 177–182. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2004.02.012
Spížek, J., & Řezanka, T. (2017). Lincosamides: Chemical structure, biosynthesis, mechanism of action, resistance, and applications. Biochemical Pharmacology, 133, 20–28. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0006295216304622?via%3Dihub
Staszek, M., Siegel, J., Kolářová, K., Rimpelová, S., & Švorčík, V. (2014). Formation and antibacterial action of Pt and Pd nanoparticles sputtered into liquid. Micro & Nano Letters, 9(11), 778-781. https://ietresearch.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdfdirect/10.1049/mnl.2014.0345
Stratakis, E., Barberoglou, M., Fotakis, C., Viau, G., Garcia, С., & Shafeev, G. (2009). Generation of Al nanoparticles via ablation of bulk Al in liquids with short laser pulses. Opt. Express, 17, 12650–12659. https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-17-15-12650&id=183579
Usman, M., Zowalaty, M.,. Shameli, K.,. Zainuddin, N., Salama M., & Ibrahim, N. (2013). Synthesis, characterization, and antimicrobial properties of copper nanoparticles. Int. J. Nanomedicine, 8, 4467–4479. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24293998/
Downloads
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 Людмила Хрокало , Дар’я Сулима
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
