ANTIBACTERIAL EFFECT OF METAL NANOPARTICLES ON ANTIBIOTIC-RESISTANT BACTERIAL STRAINS

АНТИБАКТЕРИАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ НАНОЧАСТИЦ МЕТАЛЛОВ НА АНТИБИОТИКОРЕЗИСТЕНТНЫЕ ШТАММЫБАКТЕРИЙ

Е. С. Гудкова, Е.С. Удегова, К. А. Гильдеева, Т.В. Рукосуева, Б. Сьед

Аннотация.

В работе представлены результаты исследования антибактериального эффекта наночастиц металлов: серебра, меди и золота в отношении коллекционных антибиотикочувствительных и клинических антибиотикорезистентных штаммов бактерий. Определена минимальная подавляющая концентрация наночастиц металлов методом серийных разведений с красителем азурин. Антибактериальная эффективность металлических наночастиц в зависимости от вида используемых нанометаллов и культур бактерий неодинакова. Наибольшую антибактериальную активность оказали наночастицы меди, наименьшую – наночастицы золота. Наночастицы серебра, меди и золота, полученные биологическим методом, оказывают видимый антибактериальный эффект, наиболее выраженный в отношении клинических полирезистентных штаммов.

Ключевые слова: наночастицы металлов, антибиотикорезистентность, клинический штамм, антибактериальный эффект

ANTIBACTERIAL EFFECT OF METAL NANOPARTICLES ON ANTIBIOTIC-RESISTANT BACTERIAL STRAINS

E. S. Gudkova, E. S. Udagawa, K. A. Gildeeva, T. V. Rukosueva, B. Syed

Annotation.

The paper presents the results of the study of the antibacterial effect of metal nanoparticles: silver, copper and gold against collection antibiotic-sensitive and clinical antibiotic-resistant strains of bacteria. The minimum suppressive concentration of metal nanoparticles was determined by the method of serial dilutions with the azurin dye. The antibacterial efficiency of metal nanoparticles varies depending on the type of nanometals used and bacterial cultures. Copper nanoparticles had the highest antibacterial activity, and gold nanoparticles had the lowest. Nanoparticles of silver, copper and gold obtained by the biological method have a visible antibacterial effect, most pronounced in relation to clinical polyresistant strains.

Keywords: metal nanoparticles, antibiotic resistance, clinical strain, antibacterial effect

Введение

Быстрое формирование устойчивости микроорганизмов к современным антибактериальным препаратам [4,5] требует поиска все новых, альтернативных методов терапии, одним из которых, может стать использование наночастиц металлов. Наночастицы экологически не опасны, обладают бактерицидной активностью, а также имеют низкую себестоимость, что уже играет немаловажную роль при решении вопроса их выбора.

Механизм действия наночастиц на микроорганизмы малоизучен, известно, что они могут оказывать как бактериостатический, так и бактерицидный эффект, действовать как интрацеллюлярно, так и экстрацеллюлярно. Согласно некоторым теориям наночастицы могут способствовать ингибированию ферментов дыхательной цепи, тем самым разобщая процессы окисления и окислительного фосфорилирования; взаимодействовать с нуклеотидами, нарушая стабильность ДНК; взаимодействовать с пептидогликанами клеточной стенки, блокируя способность передавать кислород; или выступать в роли катализатора, способствуя окислению протоплазмы растворенным в воде кислородом [2,3,8]. Механизм действия зависит как от вида микроорганизмов, на который оказывается воздействие, так и от типа наночастиц, их концентрации, размера, а также от способа их получения.

Цель исследования – изучение антибактериального эффекта наночастиц металлов, полученных биологическим методом, в отношении антибиотикорезистентных штаммов бактерий.

Материалы и методы

Изучение биологической активности наночастиц в отношении бактерий проводилось с помощью метода серийных разведений (МУК 4.2.1890-04) с красителем азурин. Для культур бактерий определена минимальная подавляющая концентрация наночастиц металлов – серебра, меди, золота, полученных биологическим методом из экстракта подорожника и солей металлов: AgNO3, CuSO4, H[AuCl4] соответственно. Используемые культуры бактерий – Е. coli ( АТСС 25922 ), S. aureus ( АТСС 25923 ), MRSA (АТСС 38591)и полирезистентные клинические штаммы, выделенные от пациентов КГБУЗ ККБ (г. Красноярск) – К. рneumoniae штамм104, P. аeruginosa штамм40, P. аeruginosa штамм215, А. baumannii штамм210, А. baumannii штамм 211 (табл. 1).

Таблица 1. Антибиотикограмма клинических штаммов

Примечание. R – антибиотикорезистентный штамм; S – антибиотикочувствительный штамм.

* Штамм получен из смыва с бронхов пациента с диагнозом термический ожог III А

Взвесь одного из видов наночастиц металлов в дистиллированной воде предварительно развели в лунках плоскодонного планшета с бульоном Мюллера Хинтона, таким образом, что концентрация наночастиц в первых лунках составила 5 г/л (максимальная концентрация), в последних – 0.0097 г/л (минимальная концентрация). Затем в лунки были внесены суспензии тест-штаммов суточных культур. Планшеты культивировали при температуре 37°С на протяжении 24 ч.

На следующие сутки в лунки был добавлен краситель азурин с дальнейшей инкубацией культур при 37°С в течение двух часов. Критерием учета являлся цвет лунки, указывающий на наличие или отсутствие роста бактерий при эмпирическом сравнении с контролями роста культуры и стерильности наночастиц.

При добавлении азурина к среде с культурой бактерий он выступает в роли донора электронов для нитритредуктазы при экспрессии в азотфиксирующих организмах. [1].

Результаты и их обсуждение

В результате проведенного эксперимента определена минимальная подавляющая концентрация (МПК) наночастиц металлов в отношении антибиотикочувствительных и антибиотикорезистентных штаммов (рис. 1).

Рис. 1. Минимальная подавляющая концентрация (МПК) наночастиц металлов в отношении антибиотикочувствительных и антибиотикорезистентных штаммов бактерий

Наночастицы меди оказали наибольшую подавляющую активность: минимальная МПК составила 0,078 г/л (для К. рneumoniae 104), максимальная МПК для остальных штаммов не превысила 2.5 г/л. Наночастицы серебра также оказали видимый эффект, максимальная МПК, как и для наночастиц меди, не превысила 2,5 г/л, минимальная МПК составила 1,25 г/л (P. аeruginosa 215). Наименьшая антибактериальная эффективность была выявлена при использовании наночастиц золота: в отношении 50% экспериментальных культур МПК > 5 г/л (S.aureus (ATCC), E.coli (ATCC), MRSA, P. аeruginosa штамм215), а минимальная МПК составила 1.25 г/л в отношении трех штаммов (К. рneumoniae штамм104, А. baumannii штамм 210, А. baumannii штамм 211).

Заключение

Наночастицы серебра, меди и золота оказали видимый антибактериальный эффект, однако чувствительность штаммов бактерий к разным металлическим наночастицам не одинакова: среди используемых в эксперименте металлов наночастицы меди обладают наиболее выраженными антибактериальными свойствами. Несмотря на высокую эффективность наночастиц меди в отношении микроорганизмов in vitro, следует учитывать их возможное токсическое действие, оказываемое на живые ткани, что требует дальнейшего изучения в экспериментах in vivo.