DOI: https://doi.org/10.1186/s12896-025-00953-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39979993
تاريخ النشر: 2025-02-20
المؤلف: Fahimeh Jamiri وآخرون
الموضوع الرئيسي: العوامل المضادة للميكروبات والتطبيقات
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تطوير وتوصيف أفلام النانو مركبة المكونة من الكيتوزان (CS) ، بولي إيثيلين جلايكول (PEG) ، جزيئات نانوية من إطار الإيميدازوليت الزوليت-8 (ZIF-8) ، والديوسيكلين (Dox) لمكافحة مقاومة المضادات الحيوية. تبرز الدراسة الخصائص الشكلية والميكانيكية والمضادة للبكتيريا وإطلاق الدواء للأفلام ، كاشفة أن دمج ZIF-8 يعزز سمك الأفلام وقوتها الشد ، حيث تظهر الفيلم الأمثل قوة شد تبلغ 53.12 ميجا باسكال. تم تقييم الفعالية المضادة للبكتيريا باستخدام طرق مختلفة ، مما يظهر أن فيلم CS-PEG-G-10% DOX-4% ZIF-8 تفوق بشكل كبير على الآخرين ، خاصة ضد المكورات العنقودية الذهبية ، مع تركيز مثبط أدنى (MIC) ينتج عنه منطقة تثبيط تبلغ 22.5 مم.
تشير النتائج إلى أن النانو مركب CS-PEG-G-10% DOX-4% ZIF-8 لا يظهر فقط نشاطًا مضادًا للبكتيريا متفوقًا ولكن أيضًا يظهر تأثيرًا تآزريًا بين مكوناته ، كما يتضح من قيم مؤشر التركيز المثبط الجزئي (FICI) التي تقل عن 0.5. تختتم الدراسة بأن هذا النانو مركب هو مرشح واعد لتطوير علاجات فعالة ضد مسببات الأمراض المقاومة لمتعددة الأدوية ، خاصة بسبب خصائصه المضادة للبكتيريا المعززة وملف إطلاق الدواء المفضل. تؤكد هذه النتائج على إمكانية استخدام مثل هذه النانو مركبات في معالجة القضية الملحة لمقاومة المضادات الحيوية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحدي العالمي الحرج الذي تطرحه البكتيريا المقاومة لمتعددة الأدوية (MDR) ، والتي تفاقمت بسبب سوء استخدام المضادات الحيوية ونقص العوامل المضادة للبكتيريا الجديدة. ترتبط العدوى المقاومة لمتعددة الأدوية ، وخاصة تلك التي تسببها مسببات الأمراض مثل المكورات العنقودية الذهبية المقاومة للميثيسيلين (MRSA) والسلالات المقاومة من الإشريكية القولونية ، بزيادة معدلات الوفيات. يؤكد النص على الحاجة الملحة لأنظمة توصيل الأدوية المبتكرة التي تعزز فعالية وسلامة المضادات الحيوية الحالية. تم تحديد الكيتوزان (CS) والأطر العضوية المعدنية (MOFs) ، وخاصة إطار الإيميدازوليت الزوليت-8 (ZIF-8) ، كمواد واعدة لتطوير هذه الأنظمة بسبب توافقها الحيوي وقابليتها للتحلل الحيوي وقدرتها على تسهيل إطلاق الدواء بشكل محكم.
تركز الدراسة على الخصائص المضادة للبكتيريا لجزيئات ZIF-8 النانوية بالاشتراك مع الديوسيكلين (Dox) ، وهو عامل مضاد للميكروبات يستخدم على نطاق واسع ويواجه تحديات مثل عدم الاستقرار والمقاومة. من خلال الاستفادة من تكنولوجيا النانو ، تهدف الدراسة إلى تحسين توصيل وفعالية Dox ضد سلالات البكتيريا المقاومة مثل E. coli و S. aureus. النتيجة المتوقعة هي تقليل الجرعة اللازمة من الدواء ، مما يقلل من الآثار الجانبية ويعزز الفعالية العلاجية ، مما قد يمثل تقدمًا كبيرًا في مكافحة مقاومة المضادات الحيوية.
طرق
في هذه الدراسة ، تم استخدام الكيتوزان (CS) عالي الوزن الجزيئي بدرجة نزع الأسيتيل لا تقل عن 75% ونطاق لزوجة يتراوح بين 200-800 cps ، إلى جانب بولي إيثيلين جلايكول (PEG) بوزن جزيئي متوسط يبلغ 400,000 ، وكلاهما مصدره من سيغما-ألدريش. تشمل المواد الكيميائية الإضافية نترات الزنك سداسي الماء (Zn(NO₃)₂•6 H₂O) ، 2-ميثيل إيميدازول ، وMTT ، أيضًا تم الحصول عليها من سيغما-ألدريش. تم الحصول على مواد كيميائية متنوعة مثل الميثانول ، حمض الأسيتيك ، كلوريد الصوديوم (NaCl) ، كلوريد البوتاسيوم (KCl) ، هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) ، حمض الهيدروكلوريك (HCl) ، فوسفات ثنائي الهيدروجين البوتاسيوم (KH₂PO₄) ، فوسفات هيدروجين الصوديوم (Na₂HPO₄) ، والجلسرين من ميرك ، ألمانيا. تم توفير المضاد الحيوي دوكسوروبيسين (DOX) من قبل شركة بارس دوفارما للأدوية ، طهران ، إيران ، وتم الحصول على أقراص المضادات الحيوية التجارية من DOX وجنتاميسين من شركة ثيرمو فيشر العلمية ، الولايات المتحدة الأمريكية.
تم استخدام جميع المواد كما هي دون مزيد من التنقية ، مما يضمن سلامة الظروف التجريبية. تم الحصول على أقراص ورقية فارغة لاختبار المضادات الحيوية من شركة بادتان-تيب ، إيران ، وتم الحصول على جميع وسائط الثقافة من ميرك. تم استخدام الماء المقطر طوال التجارب لضمان النقاء والاتساق في إعداد المحلول والتركيبة.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة حول أفلام النانو مركبة أن الأفلام المنتجة مرنة وشبه شفافة وتظهر لون بني مصفر. كان سمك الأفلام التي تحتوي على جزيئات ZIF-8 النانوية حوالي $79 \pm 0.2 \, \mu m$ ، مقارنة بـ $54 \pm 0.5 \, \mu m$ لتلك التي لا تحتوي عليها. أظهرت قياسات قوة الشد قيمًا تبلغ 32.46 ميجا باسكال لـ CS-PEG-G ، 50.68 ميجا باسكال لـ CS-PEG-G-4% ZIF-8 ، 33.16 ميجا باسكال لـ CS-PEG-G-10% DOX ، و53.12 ميجا باسكال لـ CS-PEG-G-10% DOX-4% ZIF-8. كشفت المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) عن جزيئات ZIF-8 النانوية شبه الكروية بمتوسط حجم 80 نانومتر ، مع هياكل متجمعة. أكدت تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) على ارتفاع بلورية ZIF-8 ووجود روابط هيدروجينية بين الجزيئات داخل الكيتوزان (CS).
فيما يتعلق بإطلاق الدواء ، أظهرت الأفلام انفجارًا أوليًا من إطلاق دوكسوروبيسين (DOX) ، حيث تم إطلاق 65% في ظروف حمضية خلال 4.5 ساعات ، بينما لوحظت معدلات إطلاق أبطأ في الوسائط المحايدة والقلوية. أظهرت اختبارات المضادات الحيوية أن تركيبة CS-PEG-G-10% DOX-4% ZIF-8 أظهرت أعلى فعالية ضد كل من المكورات العنقودية الذهبية والإشريكية القولونية ، مع تحسينات كبيرة في مناطق التثبيط مقارنة بالتحكم. أظهرت قيم التركيز المثبط الأدنى (MIC) والتركيز القاتل الأدنى (MBC) أن دمج 10% DOX و4% ZIF-8 أدى إلى نشاط مضاد للبكتيريا قوي ، خاصة ضد S. aureus ، مع قيم MIC منخفضة تصل إلى 0.00375 ملغ/مل. تختتم الدراسة بأن التأثيرات التآزرية لـ DOX وZIF-8 تعزز الخصائص المضادة للبكتيريا لأفلام النانو مركبة ، مما يجعلها مرشحين واعدين للتطبيقات الطبية الحيوية.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التحسينات الكبيرة في الأداء المضاد للبكتيريا التي تم تحقيقها من خلال دمج دوكسوروبيسين (DOX) وإطار الإيميدازوليت الزوليت-8 (ZIF-8) في أفلام النانو مركبة من الكيتوزان-بولي إيثيلين جلايكول-غليسيرول (CS-PEG-G). تظهر الدراسة أن هذه الأفلام تظهر فعالية معززة ضد كل من البكتيريا إيجابية الجرام (المكورات العنقودية الذهبية) والسلبية الجرام (الإشريكية القولونية) ، مما يقترح استراتيجية واعدة لمكافحة مقاومة البكتيريا. تم ملاحظة الأفلام من حيث تجانسها ومرونتها وشفافيتها ، مع تباينات في السمك تتعلق بتركيزات ZIF-8. وُجد أن التفاعل بين جزيئات ZIF-8 النانوية ومصفوفة البوليمر يؤثر على المسافة بين سلاسل البوليمر ، مما أثر بدوره على الخصائص الميكانيكية للأفلام.
أظهرت ملفات إطلاق DOX من أفلام النانو مركبة انفجارًا أوليًا من الإطلاق يليه إطلاق مستمر ، متأثرًا بظروف الرقم الهيدروجيني. يُعزى هذا السلوك إلى انتفاخ مصفوفة البوليمر وحبس DOX داخل مسام جزيئات ZIF-8 النانوية. تشير النتائج إلى أن ZIF-8 لا يعزز فقط قدرة تحميل الدواء ولكن أيضًا يحسن الإطلاق المحكم لـ DOX ، مما يجعله مرشحًا قابلاً للتطبيق لأنظمة توصيل الأدوية التي تهدف إلى معالجة مقاومة المضادات الحيوية. تختتم الدراسة بأن التأثيرات التآزرية لـ DOX وZIF-8 تعزز بشكل كبير النشاط المضاد للبكتيريا لأفلام النانو مركبة ، خاصة ضد البكتيريا إيجابية الجرام ، بينما تؤكد أيضًا على الحاجة إلى مزيد من البحث لتحسين التركيبات لتطبيقات مضادة للبكتيريا أوسع.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12896-025-00953-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39979993
Publication Date: 2025-02-20
Author(s): Fahimeh Jamiri et al.
Primary Topic: Antimicrobial agents and applications
Overview
The research investigates the development and characterization of nanocomposite films composed of chitosan (CS), polyethylene glycol (PEG), zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) nanoparticles, and Doxycycline (Dox) to combat antibiotic resistance. The study highlights the films’ morphological, mechanical, antibacterial, and drug-release properties, revealing that the incorporation of ZIF-8 enhances the films’ thickness and tensile strength, with the optimal film exhibiting a tensile strength of 53.12 MPa. Antibacterial efficacy was assessed using various methods, showing that the CS-PEG-G-10% DOX-4% ZIF-8 film significantly outperformed others, particularly against Staphylococcus aureus, with a minimum inhibitory concentration (MIC) yielding a 22.5 mm inhibition zone.
The findings indicate that the CS-PEG-G-10% DOX-4% ZIF-8 nanocomposite not only demonstrates superior antibacterial activity but also exhibits a synergistic effect between its components, as evidenced by fractional inhibitory concentration index (FICI) values below 0.5. The study concludes that this nanocomposite is a promising candidate for developing effective treatments against multidrug-resistant pathogens, particularly due to its enhanced antibacterial properties and favorable drug release profile. These results underscore the potential of utilizing such nanocomposites in addressing the pressing issue of antibiotic resistance.
Introduction
The introduction highlights the critical global challenge posed by multidrug-resistant (MDR) bacteria, exacerbated by antibiotic misuse and the lack of new antibacterial agents. MDR infections, particularly those caused by pathogens like methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and resistant strains of Escherichia coli, are associated with increased mortality rates. The text emphasizes the urgent need for innovative drug delivery systems that enhance the efficacy and safety of existing antibiotics. Chitosan (CS) and metal-organic frameworks (MOFs), particularly zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8), are identified as promising materials for developing these systems due to their biocompatibility, biodegradability, and ability to facilitate controlled drug release.
The study focuses on the antibacterial properties of ZIF-8 nanoparticles in combination with doxycycline (Dox), a widely used antimicrobial agent facing challenges such as instability and resistance. By leveraging nanotechnology, the research aims to improve the delivery and effectiveness of Dox against resistant bacterial strains like E. coli and S. aureus. The anticipated outcome is a reduction in the necessary drug dosage, thereby minimizing side effects and enhancing therapeutic efficacy, which could represent a significant advancement in combating antibiotic resistance.
Methods
In this study, high molecular weight chitosan (CS) with a deacetylation degree of at least 75% and a viscosity range of 200-800 cps was utilized, alongside polyethylene glycol (PEG) with an average molecular weight of 400,000, both sourced from Sigma-Aldrich. Additional reagents included zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO₃)₂•6 H₂O), 2-methylimidazole, and MTT, also obtained from Sigma-Aldrich. Various chemicals such as methanol, acetic acid, sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KCl), sodium hydroxide (NaOH), hydrochloric acid (HCl), potassium dihydrogen phosphate (KH₂PO₄), disodium hydrogen phosphate (Na₂HPO₄), and glycerin were procured from Merck, Germany. The antibiotic doxorubicin (DOX) was provided by Pars Dopharma Pharmaceutical Company, Tehran, Iran, and commercial antibiotic discs of DOX and Gentamicin were sourced from Thermo Fisher Scientific Inc., USA.
All materials were used as received without further purification, ensuring the integrity of the experimental conditions. Blank paper discs for antibiotic testing were obtained from Padtan-Teb Company, Iran, and all culture media were sourced from Merck. Distilled water was employed throughout the experiments to ensure purity and consistency in solution and formulation preparation.
Results
The results of the study on nanocomposite films reveal that the films produced are flexible, semi-transparent, and exhibit a yellowish-brown color. The thickness of the films containing ZIF-8 nanoparticles was approximately $79 \pm 0.2 \, \mu m$, compared to $54 \pm 0.5 \, \mu m$ for those without. Tensile strength measurements indicated values of 32.46 MPa for CS-PEG-G, 50.68 MPa for CS-PEG-G-4% ZIF-8, 33.16 MPa for CS-PEG-G-10% DOX, and 53.12 MPa for CS-PEG-G-10% DOX-4% ZIF-8. Scanning electron microscopy (SEM) revealed nearly spherical ZIF-8 nanoparticles averaging 80 nm in size, with agglomerated structures. X-ray diffraction (XRD) analysis confirmed the high crystallinity of ZIF-8 and the presence of inter- and intramolecular hydrogen bonding in chitosan (CS).
In terms of drug release, the films demonstrated an initial burst of doxorubicin (DOX) release, with 65% released in acidic conditions within 4.5 hours, while slower release rates were observed in neutral and alkaline media. Antibacterial assays indicated that the CS-PEG-G-10% DOX-4% ZIF-8 formulation exhibited the highest efficacy against both Staphylococcus aureus and Escherichia coli, with significant improvements in inhibition zones compared to the control. The minimum inhibitory concentration (MIC) and minimum bactericidal concentration (MBC) values showed that the combination of 10% DOX and 4% ZIF-8 resulted in potent antibacterial activity, particularly against S. aureus, with MIC values as low as 0.00375 mg/mL. The study concludes that the synergistic effects of DOX and ZIF-8 enhance the antibacterial properties of the nanocomposite films, making them promising candidates for biomedical applications.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant improvements in antibacterial performance achieved by incorporating doxorubicin (DOX) and zeolitic imidazole framework-8 (ZIF-8) into chitosan-polyethylene glycol-glycerol (CS-PEG-G) nanocomposite films. The study demonstrates that these films exhibit enhanced efficacy against both Gram-positive (Staphylococcus aureus) and Gram-negative (Escherichia coli) bacteria, suggesting a promising strategy to combat bacterial resistance. The films were noted for their uniformity, flexibility, and transparency, with thickness variations correlating to ZIF-8 concentrations. The interaction between ZIF-8 nanoparticles and the polymer matrix was found to influence the d-spacing between polymer chains, which in turn affected the mechanical properties of the films.
The release profiles of DOX from the nanocomposite films indicated an initial burst release followed by a sustained release, influenced by pH conditions. This behavior is attributed to the swelling of the polymer matrix and the entrapment of DOX within the ZIF-8 nanoparticle pores. The findings suggest that ZIF-8 not only enhances the drug-loading capacity but also improves the controlled release of DOX, making it a viable candidate for drug delivery systems aimed at addressing antibiotic resistance. The study concludes that the synergistic effects of DOX and ZIF-8 significantly enhance the antibacterial activity of the nanocomposite films, particularly against Gram-positive bacteria, while also emphasizing the need for further research to optimize formulations for broader antibacterial applications.