DOI: https://doi.org/10.2147/ijn.s468649
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39005961
تاريخ النشر: 2024-07-01
المؤلف: Yaxu Feng وآخرون
الموضوع الرئيسي: طب الأسنان الداخلي وعلاجات قنوات الجذر
نظرة عامة
تدرس الدراسة فعالية الجسيمات النانوية من الذهب والفضة (Au@AgNPs) المدمجة مع العلاج الضوئي الحراري (PTT) ضد Enterococcus faecalis (E. faecalis)، وهو ممرض مهم في التهابات قنوات الجذور المقاومة للعلاج. تظهر الأبحاث أن Au@AgNPs تظهر نشاطًا مضادًا للبكتيريا ومضادًا للأغشية الحيوية معززًا ضد كل من السلالات الأصلية والمقاومة للفضة من E. faecalis. تشمل الآليات الكامنة وراء هذا التأثير إطلاق أيونات الفضة ($Ag^+$)، وتعطيل أغشية الخلايا، وتوليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، وتثبيط إنتاج الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP). ومن الجدير بالذكر أن PTT وجد أنه يحسن حساسية E. faecalis للفضة من خلال تقليل سيولة الغشاء وتثبيط التعبير عن جين fabF، بينما يضعف أيضًا تكيف البكتيريا مع الحرارة كما يتضح من زيادة التعبير عن جينات الصدمة الحرارية.
تشير النتائج إلى أن Au@AgNPs المدمجة مع PTT لا تحافظ فقط على صلابة المينا الدقيقة وتظهر سمية خلوية منخفضة تجاه خلايا الرباط السني البشري (hPDLCs) ولكنها أيضًا تستهدف بفعالية E. faecalis المقاومة لـ Ag$^+$. وهذا يقترح استراتيجية علاجية واعدة لتعقيم قنوات الجذور، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق في الفعالية الحيوية والتوافق الحيوي لهذه الطريقة للتطبيقات السريرية المحتملة.
مقدمة
تناقش المقدمة التهاب اللثة القمي المقاوم (RAP)، وهو عدوى مزمنة في قمة السن تستمر على الرغم من العلاج الأولي لقناة الجذر، مع تحديد Enterococcus faecalis (E. faecalis) كعامل ممرض رئيسي. تظهر هذه البكتيريا تحملًا كبيرًا للمضادات الحيوية ويمكن أن تشكل أغشية حيوية في أنظمة قنوات الجذر المعقدة، مما يعقد جهود القضاء عليها. نظرًا لزيادة مشكلة مقاومة المضادات الحيوية، ظهرت الجسيمات النانوية المعدنية، وخاصة الجسيمات النانوية الفضية (AgNPs)، كبدائل واعدة للتحكم في مثل هذه العدوى. ومع ذلك، بينما تظهر AgNPs خصائص مضادة للبكتيريا فعالة، فإن سمّيتها الخلوية وإمكانية تحفيز سلالات مقاومة للفضة تتطلب تحسين هيكلها.
تسلط المقدمة الضوء أيضًا على إمكانيات الجسيمات النانوية الذهبية (AuNPs) كعوامل علاجية نظرًا لتوافقها الحيوي الجيد وقدرتها على تعزيز التأثيرات المضادة للبكتيريا عند دمجها مع الفضة في الجسيمات النانوية ثنائية المعدن (Au@AgNPs). أظهرت الدراسات السابقة أن هذه الجسيمات النانوية ذات النواة والقشرة يمكن أن تعطل أغشية خلايا البكتيريا وتولد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، مما يجعلها فعالة ضد البكتيريا المقاومة لمجموعة من الأدوية. بالإضافة إلى ذلك، تُعرف AuNPs بقدراتها في العلاج الضوئي الحراري (PTT)، والتي يمكن تعزيزها من خلال التجميع في بيئات محددة. ومع ذلك، لا تزال فعالية Au@AgNPs المضادة للبكتيريا، خاصة ضد E. faecalis المقاومة للفضة، غير مستكشفة بشكل كافٍ. تهدف هذه الدراسة إلى تطوير جسيمات نانوية من Au@Ag ذات نواة وقشرة مع تحسين سمك القشرة الفضية للاستفادة من خصائصها المضادة للبكتيريا والحرارية، وبالتالي معالجة التحدي الذي تطرحه سلالات البكتيريا المقاومة للفضة.
طرق البحث
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون عدة مواد رئيسية لتجاربهم، بما في ذلك كلوريد الذهب ثلاثي الهيدرات (HAuCl₄•3H₂O) وبولي فينيل بيروليدون (PVP، MW=10000)، تم الحصول عليها من شركة Aladdin Biotechnology Co. Ltd. تم الحصول على سترات الصوديوم ثلاثي القاعدة من Sigma-Aldrich، بينما تم الحصول على هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) وحمض الأسكوربيك (AA) ونترات الفضة (AgNO₃) من شركة Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd. كانت جميع المواد الكيميائية من الدرجة التحليلية، مما يلغي الحاجة إلى مزيد من التنقية. تم إجراء تخليق المواد باستخدام مياه Milli-Q، التي تتمتع بمقاومة تبلغ 18.2 MΩ، مما يضمن نقاءً عاليًا في الإجراءات التجريبية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، موضحًا نتائج التجارب التي أجريت. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج اتجاهًا واضحًا في سلوك النظام مع تغير المعلمات، مما يوفر رؤى حول الآليات الكامنة وراء ذلك.
علاوة على ذلك، أظهر تحليل التباين (ANOVA) أن الفروق بين المجموعات كانت كبيرة، مما يدعم الفرضية القائلة بأن العلاج كان له تأثير قابل للقياس. توضح التمثيلات البيانية للبيانات، بما في ذلك الرسوم البيانية والمخططات، العلاقات والاتجاهات الملاحظة، مما يعزز الاستنتاجات المستخلصة من التحليلات الكمية. بشكل عام، تسهم النتائج في فهم أعمق للموضوع وتبرز الآثار المترتبة على الأبحاث المستقبلية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تفصيل تخليق وتوصيف الجسيمات النانوية من الذهب والفضة (Au@AgNPs)، مع تسليط الضوء على إمكانياتها كعوامل مضادة للبكتيريا ضد *Enterococcus faecalis*، بما في ذلك السلالات المقاومة لأيونات الفضة. تم تخليق AuNPs من HAuCl₄ وسترات الصوديوم، تلاها تشكيل Au@AgNPs من خلال إضافة نترات الفضة وحمض الأسكوربيك، مما أسفر عن محلول غرواني أصفر-بني مستقر. أكدت تقنيات التوصيف مثل تشتت الضوء الديناميكي (DLS) وميكروسكوب الإلكترون الناقل (TEM) وحيود الأشعة السينية (XRD) نجاح التخليق وبنية النواة والقشرة للجسيمات النانوية. تم تقييم ملف إطلاق أيونات الفضة من Au@AgNPs، حيث أظهر زيادة تدريجية مع مرور الوقت، وهو ما كان متسقًا بغض النظر عن إشعاع الليزر تحت الأحمر القريب (NIR).
تم تقييم الفعالية المضادة للبكتيريا لـ Au@AgNPs ضد كل من السلالات الأصلية وE. faecalis المقاومة لـ Ag⁺. أشارت النتائج إلى أن Au@AgNPs أظهرت نشاطًا مضادًا للبكتيريا كبيرًا، خاصة عند دمجها مع إشعاع NIR، مما يقلل من حيوية البكتيريا عند تركيزات تزيد عن 100 ميكروغرام/مل. ومن الجدير بالذكر أن الجسيمات النانوية حافظت على خصائصها المضادة للبكتيريا ضد السلالات المقاومة لـ Ag⁺، مما يظهر بديلاً قابلاً للتطبيق لعلاج العدوى المقاومة. بالإضافة إلى ذلك، استكشفت الدراسة تأثيرات مضادة للأغشية الحيوية لـ Au@AgNPs على أسطح المينا، كاشفة أن إشعاع NIR عزز من تعطيل الأغشية الحيوية التي شكلتها *E. faecalis*. تشير النتائج إلى أن Au@AgNPs، خاصة عند استخدامها بالتزامن مع العلاج الضوئي الحراري، يمكن أن تكون استراتيجية واعدة لإدارة العدوى السنية ومكافحة مقاومة المضادات الحيوية.
DOI: https://doi.org/10.2147/ijn.s468649
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39005961
Publication Date: 2024-07-01
Author(s): Yaxu Feng et al.
Primary Topic: Endodontics and Root Canal Treatments
Overview
The study investigates the antibacterial efficacy of gold-silver nanoparticles (Au@AgNPs) combined with photothermal therapy (PTT) against Enterococcus faecalis (E. faecalis), a significant pathogen in refractory root canal infections. The research demonstrates that Au@AgNPs exhibit enhanced antibacterial and antibiofilm activity against both original and silver-resistant strains of E. faecalis. The mechanisms underlying this effect include the release of silver ions ($Ag^+$), disruption of cell membranes, generation of reactive oxygen species (ROS), and inhibition of adenosine triphosphate (ATP) production. Notably, PTT was found to improve the sensitivity of E. faecalis to silver by reducing membrane fluidity and downregulating the expression of the fabF gene, while also compromising the bacteria’s heat adaptation as indicated by the upregulation of heat shock genes.
The findings indicate that Au@AgNPs combined with PTT not only maintain dentin microhardness and exhibit low cytotoxicity towards human periodontal ligament cells (hPDLCs) but also effectively target Ag$^+$-resistant E. faecalis. This suggests a promising therapeutic strategy for root canal disinfection, warranting further investigation into the in vivo efficacy and biocompatibility of this approach for potential clinical applications.
Introduction
The introduction discusses refractory apical periodontitis (RAP), a chronic infection of the tooth apex that persists despite initial root canal treatment, with Enterococcus faecalis (E. faecalis) identified as a primary pathogen. This bacterium exhibits significant antibiotic tolerance and can form biofilms in complex root canal systems, complicating eradication efforts. Given the rising issue of antibiotic resistance, metal-based nanoparticles, particularly silver nanoparticles (AgNPs), have emerged as promising alternatives for controlling such infections. However, while AgNPs demonstrate effective antibacterial properties, their cytotoxicity and the potential for inducing Ag-resistant strains necessitate the optimization of their structure.
The introduction further highlights the potential of gold nanoparticles (AuNPs) as therapeutic agents due to their favorable biocompatibility and ability to enhance antibacterial effects when combined with silver in bimetallic nanoparticles (Au@AgNPs). Previous studies have shown that these core-shell nanoparticles can disrupt bacterial cell membranes and generate reactive oxygen species (ROS), making them effective against multidrug-resistant bacteria. Additionally, AuNPs are recognized for their photothermal therapy (PTT) capabilities, which can be enhanced through aggregation in specific environments. However, the antimicrobial efficacy of Au@AgNPs, particularly against Ag-resistant E. faecalis, remains underexplored. This study aims to develop Au@Ag core-shell nanoparticles with optimized silver shell thickness to leverage both their antibacterial and photothermal properties, thereby addressing the challenge posed by silver-resistant bacterial strains.
Methods
In this study, the researchers utilized several key materials for their experiments, including gold chloride trihydrate (HAuCl₄•3H₂O) and polyvinylpyrrolidone (PVP, MW=10000), sourced from Aladdin Biotechnology Co. Ltd. Sodium citrate tribasic dihydrate was procured from Sigma-Aldrich, while sodium hydroxide (NaOH), l-ascorbic acid (AA), and silver nitrate (AgNO₃) were obtained from Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd. All chemicals were of analytical grade, eliminating the need for further purification. The synthesis of materials was conducted using Milli-Q water, which has a resistivity of 18.2 MΩ, ensuring high purity in the experimental procedures.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, detailing the outcomes of the experiments conducted. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the results demonstrate a clear trend in the behavior of the system as parameters were varied, providing insights into the underlying mechanisms at play.
Furthermore, the analysis of variance (ANOVA) showed that the differences among the groups were substantial, supporting the hypothesis that the treatment had a measurable effect. Graphical representations of the data, including plots and charts, illustrate the relationships and trends observed, reinforcing the conclusions drawn from the quantitative analyses. Overall, the findings contribute to a deeper understanding of the subject matter and highlight the implications for future research.
Discussion
In this study, the synthesis and characterization of gold-silver core-shell nanoparticles (Au@AgNPs) were detailed, highlighting their potential as antimicrobial agents against *Enterococcus faecalis*, including strains resistant to silver ions. The AuNPs were synthesized from HAuCl₄ and sodium citrate, followed by the formation of Au@AgNPs through the addition of silver nitrate and ascorbic acid, resulting in a stable yellow-brown colloidal solution. Characterization techniques such as dynamic light scattering (DLS), transmission electron microscopy (TEM), and X-ray diffraction (XRD) confirmed the successful synthesis and core-shell structure of the nanoparticles. The release profile of silver ions from Au@AgNPs was evaluated, showing a gradual increase over time, which was consistent regardless of near-infrared (NIR) laser irradiation.
The antimicrobial efficacy of Au@AgNPs was assessed against both original and Ag⁺-resistant *E. faecalis* strains. Results indicated that Au@AgNPs exhibited significant antibacterial activity, particularly when combined with NIR irradiation, reducing bacterial viability at concentrations above 100 μg/mL. Notably, the nanoparticles maintained their antibacterial properties against Ag⁺-resistant strains, demonstrating a viable alternative for treating resistant infections. Additionally, the study explored the antibiofilm effects of Au@AgNPs on dentin surfaces, revealing that NIR irradiation enhanced the disruption of biofilms formed by *E. faecalis*. The findings suggest that Au@AgNPs, especially when used in conjunction with photothermal therapy, could be a promising strategy for managing dental infections and combating antibiotic resistance.