DOI: https://doi.org/10.1186/s13065-025-01574-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40702486
تاريخ النشر: 2025-07-23
المؤلف: Hira Akram وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص السوائل الأيونية وتطبيقاتها
نظرة عامة
تتناول هذه الورقة البحثية الحاجة الملحة إلى عوامل مضادة للميكروبات فعالة لمكافحة العدوى البكتيرية مع تقليل خطر مقاومة الأدوية. قام المؤلفون بتخليق وتوصيف 16 سائل أيوني ثنائي القطب قائم على الإيميدازوليوم (DILs) باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) ، والرنين المغناطيسي النووي (NMR) ، والتحليل الحراري الوزني (TGA). تسلط الدراسة الضوء على الإمكانات المضادة للبكتيريا لهذه السوائل الأيونية، وخاصة تلك التي تحتوي على أيون البيسلفات، الذي أظهر فعالية متفوقة ضد سلالات بكتيرية مختلفة، بما في ذلك Bacillus subtilis و Escherichia coli و Klebsiella pneumoniae و Staphylococcus aureus و Methicillin-resistant Staphylococcus aureus.
استكشفت التحقيقات أيضًا العلاقة بين التركيب والنشاط لأكثر DILs فعالية من خلال دراسات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) والتصميم الجزيئي، مما يكشف عن تقارب ربط قوي يسهل التفاعلات مع البروتينات البكتيرية. ومن الجدير بالذكر أن قيم تقارب الربط تراوحت بين -4.12 إلى -5.13 كيلو كالوري/مول لمختلف DILs، مما يشير إلى قدرتها على تعطيل العمليات البكتيرية. بشكل عام، تسهم هذه الدراسة بشكل كبير في فهم السوائل الأيونية القائمة على الإيميدازوليوم كمرشحين واعدين لعلاج العدوى البكتيرية، مما يساعد في إعادة التأهيل ومنع الإعاقات المرتبطة.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية الحاجة الملحة إلى عوامل مضادة للميكروبات فعالة يمكن أن تكافح العدوى البكتيرية دون المساهمة في مقاومة الأدوية. أصبحت طرق العلاج التقليدية، مثل التعقيم والتطهير، أقل فعالية بسبب ظهور سلالات بكتيرية مقاومة، كما يتضح من دراسة في باكستان حيث أظهرت عزلات E. coli مقاومة للمضادات الحيوية المستخدمة بشكل شائع. استجابةً لهذا التحدي، ظهرت السوائل الأيونية (ILs) كمواد فعالة واعدة بسبب خصائصها المضادة للميكروبات وملفاتها السامة المنخفضة. تظهر ILs، وخاصة السوائل الأيونية الثنائية القطب (DILs)، استقرارًا معززًا وخصائص قابلة للتخصيص، مما يجعلها مرشحين مناسبين للتطبيقات المضادة للميكروبات.
تسلط الورقة الضوء على نتائج مهمة من دراسات مختلفة تظهر فعالية ILs ضد مجموعة من مسببات الأمراض، بما في ذلك البكتيريا موجبة الجرام وسالبة الجرام. ومن الجدير بالذكر أن DILs أظهرت سمية أقل مقارنة بنظيراتها المونومرية، مما يشير إلى قدرتها على التطبيقات الطبية الحيوية الأكثر أمانًا. تهدف الدراسة إلى تخليق ILs ثنائية القطب قائمة على الإيميدازوليوم مع فواصل محددة لتحسين النشاط المضاد للبكتيريا مع تقليل الآثار السامة للخلايا. تشير النتائج الأولية إلى أن ILs التي تحتوي على أيون البيسلفات تظهر فعالية مضادة للبكتيريا استثنائية، مما يضعها كبدائل قابلة للتطبيق للمضادات الحيوية التقليدية ويفتح الطريق للتقدم في استراتيجيات السيطرة على العدوى وإعادة التأهيل.
طرق
تحدد قسم “الطرق” الإجراءات التجريبية المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون بيئة خاضعة للرقابة لضمان موثوقية نتائجهم، موضحين الظروف المحددة التي أجريت فيها التجارب. تم التلاعب بالمتغيرات الرئيسية بشكل منهجي، وتم إنشاء ضوابط مناسبة لعزل تأثيرات المتغيرات المستقلة على النتائج التابعة.
شملت جمع البيانات تقنيات قياس دقيقة، مع معايرة الأدوات لضمان الدقة. تم إجراء تحليلات إحصائية لتقييم أهمية النتائج، باستخدام طرق مثل ANOVA أو تحليل الانحدار حسب الاقتضاء. يبرز القسم قابلية تكرار التجارب، موفرًا تفاصيل كافية لتكرارها من قبل باحثين آخرين في هذا المجال.
نتائج
في هذه الدراسة، تم تخليق سلسلة من السوائل الأيونية الثنائية الجديدة (DILs) من خلال دمج أيونات مختلفة مع السوائل الأيونية (ILs). تم إجراء توصيف هذه DILs في مراحل متعددة طوال عملية التخليق، وكذلك بعد التخليق، باستخدام تقنيات مثل مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR) والرنين المغناطيسي النووي للبروتون (¹H-NMR) لتوضيح خصائصها.
تم تقييم النشاط المضاد للبكتيريا لـ DILs التي تم تخليقها ضد خمس سلالات بكتيرية مسببة للأمراض، مما يبرز تطبيقاتها المحتملة في العلاجات المضادة للميكروبات. تشير النتائج إلى أن التغيرات الهيكلية في DILs تؤثر بشكل كبير على فعاليتها المضادة للبكتيريا، مما يقترح طريقًا واعدًا لمزيد من البحث في تطوير عوامل مضادة للميكروبات فعالة.
مناقشة
في هذا القسم، يتم تفصيل تخليق مختلف السوائل الأيونية (ILs) القائمة على 1,4-bis(3-methylimidazolidin-1-yl) but-2-ene و 1,1-(propane-1,3-diyl)-bis(3-methyl-1-imidazolium-1-yl)، باستخدام تفاعلات التبادل مع نظائر أنيونية مختلفة مثل الأسيتات والبيسلفات والتترافلوروبورات. تضمنت عمليات التخليق إعادة تدفق المتفاعلات في المذيبات المناسبة، تليها خطوات تنقية تشمل الترشيح والتبخر الدوراني، مما أسفر عن منتجات ذات نقاء عالٍ وعوائد تتراوح بين 91% إلى 96%. تم إجراء توصيف ILs التي تم تخليقها باستخدام FTIR و NMR، مما يؤكد التكوين الناجح للمركبات المرغوبة من خلال تحديد المجموعات الوظيفية المميزة والهياكل الجزيئية.
بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم النشاط المضاد للبكتيريا لـ ILs التي تم تخليقها ضد خمس سلالات بكتيرية مسببة للأمراض، بما في ذلك Staphylococcus aureus و Escherichia coli، باستخدام طريقة انتشار الآبار. أشارت النتائج إلى أن ILs أظهرت خصائص مضادة للبكتيريا ملحوظة، كما يتضح من تشكيل مناطق التثبيط. علاوة على ذلك، تم استخدام حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) لاستكشاف علاقات التركيب والنشاط لأكثر ILs نشاطًا، مما يوفر رؤى حول تفاعلاتها الجزيئية وتطبيقاتها المحتملة في العلاجات المضادة للبكتيريا. يبرز هذا النهج الشامل إمكانيات هذه ILs كعوامل مضادة للبكتيريا فعالة، مدعومة بتحليلات تجريبية ونظرية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s13065-025-01574-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40702486
Publication Date: 2025-07-23
Author(s): Hira Akram et al.
Primary Topic: Ionic liquids properties and applications
Overview
This research paper addresses the urgent need for effective antimicrobial agents to combat bacterial infections while minimizing the risk of drug resistance. The authors synthesized and characterized 16 distinct imidazolium-based dicationic ionic liquids (DILs) using Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), nuclear magnetic resonance (NMR), and thermogravimetric analysis (TGA). The study highlights the antibacterial potential of these ionic liquids, particularly those containing the bisulphate anion, which demonstrated superior efficacy against various bacterial strains, including Bacillus subtilis, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Staphylococcus aureus, and Methicillin-resistant Staphylococcus aureus.
The investigation further explored the structure-activity relationship of the most effective DILs through density functional theory (DFT) studies and molecular docking, revealing strong binding affinities that facilitate interactions with bacterial proteins. Notably, binding affinity values ranged from -4.12 to -5.13 kcal/mol for different DILs, indicating their potential to disrupt bacterial processes. Overall, this study contributes significantly to the understanding of imidazolium-based ionic liquids as promising candidates for treating bacterial infections, thereby aiding rehabilitation and preventing associated disabilities.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the urgent need for effective antimicrobial agents that can combat bacterial infections without contributing to drug resistance. Traditional treatment methods, such as sanitation and sterilization, have become less effective due to the emergence of resistant bacterial strains, as evidenced by a study in Pakistan where E. coli isolates showed resistance to commonly used antibiotics. In response to this challenge, Ionic Liquids (ILs) have emerged as promising Active Pharmaceutical Ingredients (APIs) due to their antimicrobial properties and lower toxicity profiles. ILs, particularly dicationic ionic liquids (DILs), exhibit enhanced stability and customizable properties, making them suitable candidates for antimicrobial applications.
The paper highlights significant findings from various studies demonstrating the efficacy of ILs against a range of pathogens, including both Gram-positive and Gram-negative bacteria. Notably, DILs have shown lower toxicity compared to their monomeric counterparts, suggesting their potential for safer biomedical applications. The research aims to synthesize dicationic imidazolium-based ILs with specific spacers to optimize antibacterial activity while minimizing cytotoxic effects. Preliminary results indicate that ILs containing the bisulfate anion exhibit exceptional antibacterial efficacy, positioning them as viable alternatives to conventional antibiotics and paving the way for advancements in infection control and rehabilitation strategies.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental procedures employed in the study. The researchers utilized a controlled environment to ensure the reliability of their results, detailing the specific conditions under which the experiments were conducted. Key variables were systematically manipulated, and appropriate controls were established to isolate the effects of the independent variables on the dependent outcomes.
Data collection involved precise measurement techniques, with instruments calibrated to ensure accuracy. Statistical analyses were performed to evaluate the significance of the findings, employing methods such as ANOVA or regression analysis as appropriate. The section emphasizes the reproducibility of the experiments, providing sufficient detail for replication by other researchers in the field.
Results
In this study, a series of novel dual ionic liquids (DILs) were synthesized by combining various anions with ionic liquids (ILs). The characterization of these DILs was conducted at multiple stages throughout the synthesis process, as well as after synthesis, utilizing techniques such as Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) and proton nuclear magnetic resonance (¹H-NMR) to elucidate their properties.
The antibacterial activity of the synthesized DILs was evaluated against five pathogenic bacterial strains, highlighting their potential applications in antimicrobial treatments. The results indicate that the structural variations in the DILs significantly influence their antibacterial efficacy, suggesting a promising avenue for further research in the development of effective antimicrobial agents.
Discussion
In this section, the synthesis of various ionic liquids (ILs) based on 1,4-bis(3-methylimidazolidin-1-yl) but-2-ene and 1,1-(propane-1,3-diyl)-bis(3-methyl-1-imidazolium-1-yl) is detailed, utilizing metathesis reactions with different anionic counterparts such as acetate, bisulfate, and tetrafluoroborate. The synthesis processes involved refluxing the reactants in appropriate solvents, followed by purification steps including filtration and rotary evaporation, yielding products with high purity and yields ranging from 91% to 96%. Characterization of the synthesized ILs was performed using FTIR and NMR spectroscopy, confirming the successful formation of the desired compounds through the identification of characteristic functional groups and molecular structures.
Additionally, the antibacterial activity of the synthesized ILs was evaluated against five pathogenic bacterial strains, including Staphylococcus aureus and Escherichia coli, using a well diffusion method. The results indicated that the ILs exhibited significant antibacterial properties, as evidenced by the formation of inhibition zones. Furthermore, Density Functional Theory (DFT) calculations were employed to explore the structure-activity relationships of the most active ILs, providing insights into their molecular interactions and potential applications in antibacterial treatments. This comprehensive approach underscores the potential of these ILs as effective antibacterial agents, supported by both experimental and theoretical analyses.