DOI: https://doi.org/10.3389/fchem.2024.1469271
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39618968
تاريخ النشر: 2024-11-15
المؤلف: Rosvin E. Des Bouillons-Gamboa وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة توصيل الأدوية المتقدمة
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة الحاجة الملحة لوكلاء مضادين للميكروبات في ضوء زيادة مقاومة المضادات الحيوية، مع تسليط الضوء على إمكانيات جزيئات الكيتوزان النانوية (CSNPs) التي تم تصنيعها عبر تفاعل الجل باستخدام ثلاثي الفوسفات (TPP) كعامل ربط. حددت الدراسة نسبة CS: TPP المثلى 4:1، مما أدى إلى جزيئات نانوية بمتوسط قطر هيدروديناميكي قدره \(195 \pm 10\) نانومتر وإمكانات زيتا قدرها \(51 \pm 1\) مللي فولت، والتي تعتبر حاسمة للاستقرار والتعديلات اللاحقة. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) والمجهر الذري (AFM)، أحجام وشكل الجزيئات النانوية، كاشفة عن أقطار قدرها \(65 \pm 14\) نانومتر و\(102 \pm 18\) نانومتر، على التوالي.
تم تقييم الفعالية المضادة للبكتيريا لجزيئات CSNPs ضد المكورات العنقودية الذهبية والإشريكية القولونية، مما أظهر أن جزيئات CSNPs غير المعالجة بالطرد المركزي وغير المجففة بالتجميد احتفظت بالنشاط المضاد للميكروبات، بينما تلك التي خضعت لهذه العمليات أظهرت فقدانًا كبيرًا في الفعالية بسبب التجمع. وجدت الدراسة اختلافًا طفيفًا في قدرة التثبيط، حيث كانت S. aureus أكثر حساسية من E. coli. ومع ذلك، لم يُلاحظ تثبيط كبير بعد التجفيف بالتجميد، مما يشير إلى أن الحد الأدنى من التركيز المثبط (MIC) لجزيئات CSNPs يقع خارج نطاق \(0.25 \, \mu g/mL\) إلى \(22 \, \mu g/mL\)، بينما تم تقدير MIC للكيتوزان بين \(100 \, \mu g/mL\) و\(22 \, \mu g/mL\). تؤكد هذه النتائج على إمكانيات جزيئات CSNPs في التطبيقات الطبية الحيوية وتوفر أساسًا للبحث المستقبلي في مكافحة مقاومة المضادات الحيوية.
مقدمة
ت outlines مقدمة ورقة البحث أهمية تكنولوجيا النانو، التي تُعرف بأنها علم تصميم واستخدام الأنظمة النانوية، لا سيما ضمن نطاق 0.2 نانومتر إلى 100 نانومتر. يتميز هذا النطاق بخصائص فريدة ناتجة عن زيادة مساحة السطح وتأثيرات الكم، كما تم تحديده من قبل الجمعية الملكية في المملكة المتحدة في عام 2004. تميز الورقة بين نهجين رئيسيين للتصنيع: الطريقة “من الأسفل إلى الأعلى”، التي تبني المواد ذرة بذرة، والطريقة “من الأعلى إلى الأسفل”، التي تتضمن تصغير الهياكل الأكبر.
في سياق علوم الأدوية، ظهرت تكنولوجيا النانو العلاجية كحقل تحويلي، لا سيما من خلال استخدام الجزيئات النانوية (NPs) بحجم يتراوح بين 10-100 نانومتر لتوصيل الأدوية. يتم تسليط الضوء على جزيئات الكيتوزان النانوية (CSNPs) لخصائصها الفيزيائية والكيميائية المفيدة، مثل التوافق الحيوي وقابلية التحلل البيولوجي، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات الإفراج المنضبط، بما في ذلك المضادات الحيوية. تناقش المقدمة أيضًا طرق تصنيع جزيئات CSNPs، ولا سيما تفاعل الجل الأيوني، الذي يُفضل لسهولة استخدامه وظروفه الصديقة للبيئة. علاوة على ذلك، يتم التأكيد على أهمية توصيف هذه الجزيئات النانوية باستخدام تقنيات مثل تشتت الضوء الديناميكي (DLS) والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM) لفهم خصائصها وإمكاناتها في معالجة التحديات مثل مقاومة الميكروبات والعلاج من السرطان.
النتائج
في هذه الدراسة، تم التحقيق في النسبة المثلى من الكيتوزان (CS) إلى ثلاثي الفوسفات (TPP) لتصنيع جزيئات الكيتوزان النانوية (CSNPs)، مع نسب تتراوح من 6:1 إلى 2:1. أشارت النتائج إلى أن النسب 6:1 و4:1 أنتجت معلقات واضحة، بينما أدت النسبة 2:1 إلى تجميع كبير وعتامة بسبب تحييد الشحنات السطحية بواسطة TPP الزائد، مما قلل من إمكانات زيتا وعزز تجمع الجزيئات النانوية. كشفت قياسات تشتت الضوء الديناميكي (DLS) أن متوسط القطر الهيدروديناميكي (DHP) لجزيئات CSNPs تراوح من 178 نانومتر إلى 205 نانومتر عبر النسب المختلفة، حيث أنتجت النسبة 5:1 أكبر الجزيئات (205 ± 12 نانومتر) وأعلى إمكانات زيتا (53 ± 1 مللي فولت). تم اختيار النسبة 4:1 في النهاية للاختبارات اللاحقة بسبب توازنها الجيد بين DHP وإمكانات زيتا ومؤشر التوزيع المتعدد (PDI).
أكدت المزيد من التوصيف باستخدام المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) والمجهر الذري (AFM) حجم وشكل الجزيئات النانوية، حيث كشف TEM عن متوسط قطر قدره 65 ± 14 نانومتر للنسبة 4:1، وهو أصغر بكثير من DHP المقاس بواسطة DLS. يُعزى هذا التباين إلى ظروف القياس المختلفة لكل تقنية. كما قامت الدراسة بتقييم النشاط المضاد للميكروبات لجزيئات CSNPs ضد الإشريكية القولونية والمكورات العنقودية الذهبية، مما أظهر تثبيط النمو عند تركيزات أعلى. ومع ذلك، أشارت الاختبارات اللاحقة إلى أن جزيئات CSNPs المجففة بالتجميد لم تؤثر سلبًا على حيوية البكتيريا، مما يشير إلى أن الجزيئات النانوية قد لا تكون فعالة كعوامل مضادة للميكروبات عند التركيزات المختبرة. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على أهمية نسب CS:TPP في تصنيع الجزيئات النانوية وإمكاناتها، مع الإشارة أيضًا إلى الحاجة لمزيد من التحقيق في خصائصها المضادة للميكروبات.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع جزيئات الكيتوزان النانوية (CSNPs) بنجاح باستخدام طريقة الربط ثلاثي الفوسفات (TPP)، مع تحديد نسبة الكتلة المثلى CS:TPP كـ 4:1. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك تشتت الضوء الديناميكي (DLS)، والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، وطيف الأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FTIR)، استقرار وشكل الجزيئات النانوية. تم تقييم النشاط المضاد للبكتيريا لجزيئات CSNPs ضد الإشريكية القولونية والمكورات العنقودية الذهبية، كاشفة عن تأثير تثبيطي طفيف في محلول التصنيع، لا سيما ضد S. aureus. ومع ذلك، بعد التجفيف بالتجميد، لم يُلاحظ أي نشاط مضاد للبكتيريا كبير، مما يشير إلى أن الحد الأدنى من التركيز المثبط (MIC) لجزيئات CSNPs قد يتجاوز 22 ميكروغرام/مل.
كما قدرت الدراسة MIC للكيتوزان في المحلول بين 100 ميكروغرام/مل و22 ميكروغرام/مل، وهو ما يتناقض مع النتائج السابقة التي أفادت بقيم MIC أقل لجزيئات CSNPs. قد تكون عوامل مثل تأثيرات التجفيف بالتجميد، بما في ذلك التجمع المحتمل وتقليل الشحنة السطحية، قد ساهمت في تقليل الفعالية المضادة للبكتيريا للجزيئات النانوية المجففة بالتجميد. يوصي المؤلفون بمزيد من التحقيقات التي تتضمن مواد حماية التجميد خلال عملية التجفيف بالتجميد لتعزيز استقرار وخصائص CSNPs المضادة للميكروبات، بالإضافة إلى إعادة تقييم MIC عند تركيزات أعلى لفهم أفضل للإمكانات المضادة للبكتيريا لهذه الجزيئات النانوية في التطبيقات الطبية الحيوية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fchem.2024.1469271
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39618968
Publication Date: 2024-11-15
Author(s): Rosvin E. Des Bouillons-Gamboa et al.
Primary Topic: Advanced Drug Delivery Systems
Overview
This research addresses the urgent need for new antimicrobial agents in light of rising antibiotic resistance, highlighting the potential of chitosan nanoparticles (CSNPs) synthesized via ionotropic gelation using tripolyphosphate (TPP) as a crosslinking agent. The study identified an optimal CS: TPP ratio of 4:1, yielding nanoparticles with an average hydrodynamic diameter of \(195 \pm 10\) nm and a zeta potential of \(51 \pm 1\) mV, which are crucial for stability and further modifications. Characterization techniques, including Transmission Electron Microscopy (TEM) and Atomic Force Microscopy (AFM), confirmed the nanoparticles’ sizes and morphology, revealing diameters of \(65 \pm 14\) nm and \(102 \pm 18\) nm, respectively.
The antibacterial efficacy of CSNPs was evaluated against Staphylococcus aureus and Escherichia coli, demonstrating that non-centrifuged and non-lyophilized CSNPs retained antimicrobial activity, while those subjected to these processes exhibited significant loss of efficacy due to aggregation. The study found a slight difference in inhibition capacity, with S. aureus being more sensitive than E. coli. However, no significant inhibition was noted post-lyophilization, indicating that the Minimum Inhibitory Concentration (MIC) for CSNPs lies outside the range of \(0.25 \, \mu g/mL\) to \(22 \, \mu g/mL\), while the MIC for chitosan was approximated between \(100 \, \mu g/mL\) and \(22 \, \mu g/mL\). These findings underscore the potential of CSNPs in biomedical applications and provide a foundation for future research in combating antibiotic resistance.
Introduction
The introduction of the research paper outlines the significance of nanotechnology, defined as the science of designing and utilizing nanostructured systems, particularly within the range of 0.2 nm to 100 nm. This scale is characterized by unique properties arising from increased surface area and quantum effects, as established by the UK Royal Society in 2004. The paper distinguishes between two primary manufacturing approaches: the ‘bottom-up’ method, which constructs materials atom by atom, and the ‘top-down’ method, which involves miniaturizing larger structures.
In the context of pharmaceutical sciences, therapeutic nanotechnology has emerged as a transformative field, particularly through the use of nanoparticles (NPs) sized between 10-100 nm for drug delivery. Chitosan nanoparticles (CSNPs) are highlighted for their advantageous physicochemical properties, such as biocompatibility and biodegradability, making them suitable for controlled release applications, including antibiotics. The introduction also discusses the synthesis methods for CSNPs, notably ionotropic gelation, which is favored for its simplicity and environmentally friendly conditions. Furthermore, the characterization of these nanoparticles using techniques like Dynamic Light Scattering (DLS) and Transmission Electron Microscopy (TEM) is emphasized as crucial for understanding their properties and potential applications in addressing challenges such as antimicrobial resistance and cancer therapies.
Results
In this study, the optimal chitosan (CS) to tripolyphosphate (TPP) ratio for synthesizing chitosan nanoparticles (CSNPs) was investigated, with ratios ranging from 6:1 to 2:1. The results indicated that the 6:1 and 4:1 ratios produced clear suspensions, while the 2:1 ratio led to significant flocculation and turbidity due to the neutralization of surface charges by excess TPP, which reduced the Zeta potential and promoted nanoparticle aggregation. Dynamic Light Scattering (DLS) measurements revealed that the average hydrodynamic diameter (DHP) of CSNPs varied from 178 nm to 205 nm across the different ratios, with the 5:1 ratio yielding the largest particles (205 ± 12 nm) and the highest Zeta potential (53 ± 1 mV). The 4:1 ratio was ultimately selected for further tests due to its favorable balance of DHP, Zeta potential, and polydispersity index (PDI).
Further characterization using Transmission Electron Microscopy (TEM) and Atomic Force Microscopy (AFM) confirmed the size and morphology of the nanoparticles, with TEM revealing an average diameter of 65 ± 14 nm for the 4:1 ratio, which is significantly smaller than the DHP measured by DLS. This discrepancy is attributed to the different measurement conditions of each technique. The study also assessed the antimicrobial activity of the CSNPs against Escherichia coli and Staphylococcus aureus, demonstrating growth inhibition at higher concentrations. However, subsequent tests indicated that the lyophilized CSNPs did not adversely affect bacterial viability, suggesting that the nanoparticles may not be effective as antimicrobial agents at the concentrations tested. Overall, the findings highlight the importance of CS:TPP ratios in nanoparticle synthesis and their potential applications, while also noting the need for further investigation into their antimicrobial properties.
Discussion
In this study, chitosan nanoparticles (CSNPs) were successfully synthesized using a tripolyphosphate (TPP) crosslinking method, with an optimal CS:TPP mass ratio identified as 4:1. Characterization techniques, including Dynamic Light Scattering (DLS), Transmission Electron Microscopy (TEM), and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), confirmed the stability and morphology of the nanoparticles. The antibacterial activity of CSNPs was assessed against Escherichia coli and Staphylococcus aureus, revealing a slight inhibitory effect in the synthesis solution, particularly against S. aureus. However, following lyophilization, no significant antibacterial activity was observed, suggesting that the Minimum Inhibitory Concentration (MIC) for CSNPs may exceed 22 μg/mL.
The study also approximated the MIC for chitosan in solution to be between 100 μg/mL and 22 μg/mL, which contrasts with previous findings that reported lower MIC values for CSNPs. Factors such as the effects of lyophilization, including potential aggregation and reduced surface charge, may have contributed to the diminished antibacterial efficacy of the lyophilized nanoparticles. The authors recommend further investigations incorporating cryoprotectants during the freeze-drying process to enhance the stability and antimicrobial properties of CSNPs, as well as re-evaluating the MIC at higher concentrations to better understand the antibacterial potential of these nanoparticles in biomedical applications.