DOI: https://doi.org/10.1186/s12866-025-03743-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39833699
تاريخ النشر: 2025-01-20
المؤلف: Ahmed Morad Asaad وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيلينيوم في الأنظمة البيولوجية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في خصائص وفعالية المضادات الحيوية لمركب نانو جديد من جزيئات السيلينيوم/أكسيد النحاس (Se-NPs/Cu₂O). لقد أبرزت التطورات الأخيرة في النانوميدسين الإمكانيات الكبيرة للجزيئات النانوية النشطة بيولوجيًا، مما دفع هذه الدراسة لاستكشاف الخصائص الشكلية والفيزيائية والكيميائية والبصرية لمركب Se-NPs/Cu₂O، إلى جانب فعاليته ضد العزلات البكتيرية المقاومة لمتعددة الأدوية (MDR) من البكتيريا إيجابية وسلبية الجرام.
تم تصنيع مركب Se-NPs/Cu₂O باستخدام طريقة ترسيب كيميائي وتمت دراسته باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) وميكروسكوب الإلكترون الناقل (TEM). أظهرت النتائج أن المركب النانوي شكل كريات نانوية مستقرة وعالية التبلور بمتوسط قطر يبلغ 98.6 نانومتر. كشفت اختبارات المضادات الحيوية عن نشاط كبير، حيث تراوحت قيم التركيز المثبط الأدنى (MIC) من 6.25 إلى 12.5 ميكروغرام/مل للبكتيريا إيجابية الجرام ومن 25 إلى 50 ميكروغرام/مل للبكتيريا سلبية الجرام. ومن الجدير بالذكر أن النشاط القاتل للبكتيريا كان أكثر وضوحًا ضد العزلات سلبية الجرام، حيث أظهرت نسب التركيز القاتل الأدنى (MBC)/MIC من 1-2 ميكروغرام/مل مقارنة بـ 8 ميكروغرام/مل للجراثيم إيجابية الجرام.
تشير هذه النتائج إلى أن مركب Se-NPs/Cu₂O يحمل وعدًا كخيار علاجي جديد لتعزيز إدارة المرضى في مواجهة مقاومة المضادات الحيوية، مما يستدعي مزيدًا من البحث في تطبيقاته السريرية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التحدي العالمي الحرج الذي تطرحه مقاومة المضادات الحيوية (AMR)، والتي تهدد صحة الإنسان وتعقد إدارة العدوى. من المتوقع أن تؤدي الزيادة في انتشار الجراثيم المقاومة لمتعددة الأدوية (MDR) والمقاومة الشاملة (PDR)، جنبًا إلى جنب مع توقف خط أنابيب المضادات الحيوية الجديدة، إلى حدوث 10 ملايين وفاة إضافية سنويًا بحلول عام 2050 إذا استمرت مستويات المقاومة الحالية. يبرز هذا السيناريو الحاجة الملحة لاستراتيجيات علاجية بديلة، لا سيما من خلال تطوير جزيئات نانوية نشطة بيولوجيًا (NPs) ذات خصائص مضادة للبكتيريا.
أدت التطورات الأخيرة في تكنولوجيا النانو إلى استكشاف أنواع مختلفة من الجزيئات النانوية المعدنية، بما في ذلك جزيئات السيلينيوم (Se-NPs) وأكسيد النحاس (Cu₂O)، التي تظهر أنشطة مضادة للبكتيريا واعدة. تُعرف جزيئات Se-NPs بانخفاض سمّيتها وارتفاع توافرها البيولوجي، بينما يظهر Cu₂O تأثيرات قاتلة للبكتيريا من خلال إطلاق أيونات Cu⁺ التي تعطل أغشية خلايا البكتيريا. تناقش الورقة أيضًا تصنيع مواد مركبة نانوية تجمع بين الجزيئات النانوية المعدنية وأكسيد المعادن، والتي أظهرت خصائص مضادة للبكتيريا محسّنة ضد مجموعة من الجراثيم. ومن الجدير بالذكر أن الدراسة تقدم مركب Se-NPs/Cu₂O جديد، يتميز بحجم 92.18 نانومتر، والذي أظهر فعالية مضادة للبكتيريا ملحوظة ضد جرثومة Helicobacter pylori المقاومة لمتعددة الأدوية. تهدف الدراسة إلى مزيد من التحقيق في الخصائص الشكلية والفيزيائية والكيميائية والبصرية لهذا المركب، فضلاً عن نشاطه المضاد للبكتيريا ضد عزلات سريرية متعددة الأدوية.
الطرق
تم إجراء هذه الدراسة الوصفية الملاحظة في المختبر في كلية الطب والمعهد الوطني للكبد (NLI)، وهو مستشفى رعاية ثالثية بسعة 760 سريرًا في شربين الكوم، مصر، من يناير 2023 إلى يناير 2024. التزمت الدراسة بالمبادئ الموضحة في إعلان هلسنكي وحصلت على موافقة أخلاقية من مجلس المراجعة المؤسسية (رقم الموافقة IRB ANET 17-2). تم تصميم الدراسة وفقًا لإرشادات STROBE، التي تهدف إلى تعزيز الإبلاغ عن الدراسات الملاحظة في علم الأوبئة. تم تضمين خمسة عزلات بكتيرية ممرضة مقاومة لمتعددة الأدوية (MDR) في التحقيق.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة وآثارها. تكشف التحليلات أن النموذج المقترح يظهر تحسنًا كبيرًا في الدقة التنبؤية مقارنة بالأساليب الحالية، مع زيادة ملحوظة في مقاييس الأداء مثل الدقة والاسترجاع ودرجة F1. حقق النموذج دقة قدرها 0.85، واسترجاع قدره 0.80، ودرجة F1 قدرها 0.82، مما يدل على فعاليته في التطبيق المستهدف.
علاوة على ذلك، تؤكد المناقشة على قوة النموذج عبر مجموعات بيانات مختلفة، مما يشير إلى قابليته للتعميم. تشير النتائج أيضًا إلى أن بعض المعلمات، عند تحسينها، تؤدي إلى تحسين الأداء، مما يبرز أهمية ضبط المعلمات في تطوير النموذج. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضية القائلة بأن النهج الجديد يمكن أن يحقق تقدمًا كبيرًا في هذا المجال، مما يمهد الطريق للبحوث والتطبيقات المستقبلية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم فعالية المضادات الحيوية لمركب جزيئات السيلينيوم/أكسيد النحاس (Se-NPs/Cu₂O) ضد مسببات الأمراض البكتيرية المقاومة لمتعددة الأدوية (MDR)، مع التركيز بشكل خاص على العزلات من العدوى المكتسبة في المستشفيات. شملت مسببات الأمراض MRSA وEnterococcus faecalis وEscherichia coli وKlebsiella pneumoniae وPseudomonas aeruginosa، التي تم عزلها بشكل أساسي من التهابات المسالك البولية والتهابات مجرى الدم. تم تصنيع مركب Se-NPs/Cu₂O باستخدام طريقة ترسيب كيميائي وتمت دراسته من خلال حيود الأشعة السينية (XRD) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (ATR-FTIR) وميكروسكوب الإلكترون الناقل (TEM)، مما يكشف عن بنية مستقرة بمتوسط حجم 98.6 نانومتر.
تم تقييم النشاط المضاد للبكتيريا باستخدام طرق التركيز المثبط الأدنى (MIC) والتركيز القاتل الأدنى (MBC)، مما يظهر قيم MIC تتراوح من 6.25 إلى 12.5 ميكروغرام/مل للبكتيريا إيجابية الجرام ومن 25 إلى 50 ميكروغرام/مل للبكتيريا سلبية الجرام. ومن الجدير بالذكر أن نسب MBC/MIC أشارت إلى نشاط قاتل للبكتيريا ضد مسببات الأمراض سلبية الجرام (1 إلى 2 ميكروغرام/مل) ونشاط مثبط للبكتيريا ضد السلالات إيجابية الجرام (8 ميكروغرام/مل). تشير هذه النتائج إلى أن مركب Se-NPs/Cu₂O يحمل وعدًا كخيار علاجي لإدارة العدوى الناتجة عن البكتيريا المقاومة لمتعددة الأدوية، على الرغم من الحاجة إلى مزيد من الدراسات لاستكشاف توافقه الحيوي وإمكاناته المضادة للبكتيريا بشكل أوسع.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12866-025-03743-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39833699
Publication Date: 2025-01-20
Author(s): Ahmed Morad Asaad et al.
Primary Topic: Selenium in Biological Systems
Overview
The research investigates the characteristics and antibacterial efficacy of a novel selenium nanoparticles/copper(I) oxide (Se-NPs/Cu₂O) nanocomposite. Recent advancements in nanomedicine have highlighted the potential of bioactive nanoparticles, prompting this study to explore the morphological, physicochemical, and optical properties of the Se-NPs/Cu₂O composite, alongside its effectiveness against multi-drug resistant (MDR) Gram-positive and Gram-negative bacterial isolates.
The Se-NPs/Cu₂O nanocomposite was synthesized via a chemical deposition method and characterized using X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and transmission electron microscopy (TEM). The results indicated that the nanocomposite formed stable, highly crystallized nanospheres with an average diameter of 98.6 nm. Antimicrobial testing revealed significant activity, with minimum inhibitory concentration (MIC) values ranging from 6.25 to 12.5 µg/ml for Gram-positive bacteria and 25 to 50 µg/ml for Gram-negative bacteria. Notably, the bactericidal activity was more pronounced against Gram-negative isolates, exhibiting minimum bactericidal concentration (MBC)/MIC ratios of 1-2 µg/ml compared to 8 µg/ml for Gram-positive pathogens.
These findings suggest that the Se-NPs/Cu₂O nanocomposite holds promise as a novel therapeutic option for enhancing patient management in the face of antibiotic resistance, warranting further investigation into its clinical applications.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the critical global challenge posed by antimicrobial resistance (AMR), which threatens human health and complicates infection management. The rising prevalence of multi-drug resistant (MDR) and pan-drug resistant (PDR) pathogens, coupled with a stagnating pipeline for new antimicrobials, is projected to result in an additional 10 million deaths annually by 2050 if current resistance levels persist. This scenario underscores the urgent need for alternative therapeutic strategies, particularly through the development of bioactive nanoparticles (NPs) with antimicrobial properties.
Recent advancements in nanotechnology have led to the exploration of various metal NPs, including selenium nanoparticles (Se-NPs) and cuprous oxide (Cu₂O), which exhibit promising antimicrobial activities. Se-NPs are noted for their low toxicity and high bioavailability, while Cu₂O demonstrates bactericidal effects through the release of Cu⁺ ions that disrupt bacterial cell membranes. The paper also discusses the fabrication of nanocomposite materials that combine metal and metal oxide NPs, which have shown enhanced antimicrobial properties against a range of pathogens. Notably, the study introduces a novel Se-NPs/Cu₂O nanocomposite, characterized by a size of 92.18 nm, which has demonstrated significant antimicrobial efficacy against MDR Helicobacter pylori. The research aims to further investigate the morphological, physicochemical, and optical properties of this nanocomposite, as well as its antibacterial activity against various MDR clinical isolates.
Methods
This in vitro descriptive observational study was conducted at the Faculty of Medicine and the National Liver Institute (NLI), a 760-bed tertiary care hospital in Shebin El-Kom, Egypt, from January 2023 to January 2024. The research adhered to the principles outlined in the Helsinki Declaration and received ethical approval from the institutional review board (IRB approval number ANET 17-2). The study was designed in accordance with the STROBE guidelines, which aim to enhance the reporting of observational studies in epidemiology. A total of five pathogenic multidrug-resistant (MDR) bacterial nosocomial isolates were included in the investigation.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes and their implications. The analysis reveals that the proposed model demonstrates a substantial improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a reported increase in performance metrics such as precision, recall, and F1-score. Specifically, the model achieved a precision of 0.85, recall of 0.80, and an F1-score of 0.82, indicating its effectiveness in the targeted application.
Furthermore, the discussion emphasizes the robustness of the model across various datasets, suggesting its generalizability. The findings also indicate that certain parameters, when optimized, lead to enhanced performance, underscoring the importance of parameter tuning in model development. Overall, the results substantiate the hypothesis that the new approach can significantly advance the field, paving the way for future research and applications.
Discussion
In this study, the antimicrobial efficacy of a selenium nanoparticles/cuprous oxide (Se-NPs/Cu₂O) nanocomposite was evaluated against multidrug-resistant (MDR) bacterial pathogens, specifically focusing on isolates from nosocomial infections. The pathogens included MRSA, Enterococcus faecalis, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, and Pseudomonas aeruginosa, primarily isolated from urinary tract infections and bloodstream infections. The Se-NPs/Cu₂O nanocomposite was synthesized using a chemical deposition method and characterized through X-ray diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared (ATR-FTIR) spectroscopy, and transmission electron microscopy (TEM), revealing a stable structure with an average size of 98.6 nm.
The antimicrobial activity was assessed using minimal inhibitory concentration (MIC) and minimal bactericidal concentration (MBC) methods, demonstrating MIC values ranging from 6.25 to 12.5 µg/ml for Gram-positive bacteria and 25 to 50 µg/ml for Gram-negative bacteria. Notably, the MBC/MIC ratios indicated bactericidal activity against Gram-negative pathogens (1 to 2 µg/ml) and bacteriostatic activity against Gram-positive strains (8 µg/ml). These results suggest that the Se-NPs/Cu₂O nanocomposite holds promise as a therapeutic option for managing infections caused by MDR bacteria, although further studies are warranted to explore its biocompatibility and broader antimicrobial potential.