DOI: https://doi.org/10.3389/fcimb.2025.1599113
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40895297
تاريخ النشر: 2025-08-14
المؤلف: Hazim O. Khalifa وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجسيمات النانوية: التركيب والتطبيقات
نظرة عامة
تشكل الزيادة في انتشار البكتيريا المقاومة لمتعدد الأدوية (MDR) تهديدًا كبيرًا للصحة العالمية، مما يستلزم تطوير استراتيجيات مضادة للميكروبات بديلة بشكل عاجل. لقد ظهرت جزيئات الفضة النانوية (AgNPs) كعوامل واعدة نظرًا لنشاطها المضاد للبكتيريا واسع الطيف وخصائصها الفيزيائية والكيميائية الفريدة. تستمد فعاليتها من حجمها النانوي، ونسبة المساحة السطحية إلى الحجم العالية، وقدرتها على توليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، مما يسمح لها بزعزعة أغشية البكتيريا، والتفاعل مع البروتينات والحمض النووي، وتثبيط الوظائف الإنزيمية، والتداخل مع المسارات الأيضية. ومع ذلك، أدت التحديات مثل تكيف البكتيريا، والسمية الخلوية، والتفاعلات غير المحددة إلى إجراء أبحاث واسعة حول أنظمة التوصيل المبتكرة التي تهدف إلى تعزيز فعالية AgNP مع تقليل الآثار السلبية.
تناقش هذه المراجعة طرق التخليق المختلفة والخصائص الفيزيائية لـ AgNPs، مع التركيز على آلياتها المضادة للميكروبات وأنماط المقاومة الناشئة. تم تسليط الضوء على استراتيجيات التوصيل المتقدمة، بما في ذلك تفعيل السطح، وتغليف البوليمرات الحيوية، والمنصات النانوية المستجيبة للتحفيز، لإمكاناتها في تحسين استقرار AgNP، والانتقائية، والإفراج المنظم. علاوة على ذلك، قد يوفر دمج AgNPs مع المضادات الحيوية التقليدية وتطبيقها في المجالات الطبية، مثل ضمادات الجروح والطلاءات الطبية، حلولًا مبتكرة لمكافحة مقاومة البكتيريا. يجب أن تعطي الأبحاث المستقبلية الأولوية لتحسين تركيبات AgNP، وتعزيز التوافق الحيوي، وإجراء تجارب سريرية صارمة للتحقق من سلامتها وفعاليتها، بهدف نهائي هو تحويل العلاجات المعتمدة على AgNP إلى الممارسة السريرية ومعالجة أزمة مقاومة المضادات الحيوية العالمية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على القضية الحرجة لمقاومة المضادات الحيوية (AMR)، التي تنشأ بشكل أساسي من الاستخدام المفرط وغير السليم للمضادات الحيوية عبر السياقات البشرية والبيطرية والبيئية. منذ اكتشاف المضادات الحيوية بواسطة ألكسندر فليمنغ في عام 1928، أصبحت هذه المواد أساسية في الطب ومختلف الصناعات. ومع ذلك، فإن AMR تعقد علاج العدوى، مما يؤدي إلى زيادة في المراضة والوفيات، مع وفاة مذهلة بلغت 4.95 مليون حالة مرتبطة بمقاومة البكتيريا للمضادات الحيوية في عام 2019 وحده. استجابةً لذلك، تدعو المنظمات الدولية إلى تحسين إرشادات استخدام المضادات الحيوية وزيادة الوعي حول AMR.
تؤكد الورقة على الحاجة الملحة للمضادات الحيوية غير التقليدية، خاصة في مواجهة التحديات التي تطرحها البكتيريا سالبة الجرام. تشير المراجعات الأخيرة إلى زيادة في نشاط البحث المتعلق بالعلاجات غير التقليدية، بما في ذلك الجزيئات النانوية، التي تظهر وعدًا كبدائل للمضادات الحيوية التقليدية. تم الإشارة بشكل خاص إلى جزيئات الفضة النانوية (AgNPs) لإمكاناتها في مكافحة البكتيريا المقاومة لمتعدد الأدوية (MDR). تهدف المراجعة إلى تحليل التخليق، والخصائص، والفعالية المضادة للميكروبات لـ AgNPs، واستكشاف آلياتها القاتلة للبكتيريا، ومعالجة المخاوف المتعلقة بمقاومة البكتيريا لهذه العوامل. بالإضافة إلى ذلك، ستناقش استراتيجيات متقدمة للتوصيل المستهدف لتعزيز فعالية AgNP مع تقليل السمية الخلوية، مما يوفر رؤى حول تحسين العلاجات المعتمدة على AgNP للتطبيقات السريرية ضد العدوى المقاومة لمتعدد الأدوية.
مناقشة
يمكن تصنيف تخليق جزيئات الفضة النانوية (AgNPs) إلى طرق تخليق فيزيائية وكيميائية وخضراء، كل منها له مزايا وقيود مميزة. تسمح الطرق الفيزيائية، مثل التبخر-التكثيف والانحلال الحراري، بتخليق سريع ولكن غالبًا ما تؤدي إلى استهلاك طاقة مرتفع وتوزيع غير متسق للجزيئات. يمكن أن ينتج التخليق الكيميائي، الذي يستخدم سوائل معدنية ومواد مختزلة، كميات كبيرة من AgNPs ولكنه يتضمن مواد سامة ويتطلب التنقية لتجنب التلوث. في المقابل، يستخدم التخليق الأخضر مواد بيولوجية مثل النباتات والميكروبات، مما يوفر بديلاً صديقًا للبيئة يمكن أن ينتج AgNPs بحجم وشكل متحكم فيه بفضل المواد المختزلة الطبيعية الموجودة في هذه المواد. ومع ذلك، فإن التحديات مثل القيود الجغرافية والموسمية للمواد الخام، والعمليات التي تتطلب طاقة عالية، والتباين في خصائص الجزيئات النانوية تعيق قابلية توسيع التخليق الأخضر للتطبيقات الصناعية.
تتأثر الفعالية المضادة للميكروبات لـ AgNPs بشكل كبير بخصائصها الفيزيائية، بما في ذلك الحجم، والشكل، والشحنة السطحية. تظهر AgNPs الأصغر نشاطًا حيويًا معززًا بسبب مساحتها السطحية الأكبر، مما يسهل تفاعلًا أكبر مع أغشية البكتيريا، مما يؤدي إلى زعزعة الخلايا. يلعب شكل AgNPs أيضًا دورًا حاسمًا؛ على سبيل المثال، قد تكون الجزيئات النانوية الثلاثية الشكل لها خصائص مضادة للبكتيريا متفوقة بسبب حوافها الحادة، بينما يمكن أن تخترق AgNPs ذات الشكل القضيب الأغشية الحيوية بشكل أكثر فعالية. بالإضافة إلى ذلك، تؤثر الشحنة السطحية على استقرار AgNP وتفاعلها مع خلايا البكتيريا، حيث تظهر الجزيئات المشحونة إيجابيًا نشاطًا مضادًا للبكتيريا أقوى. بشكل عام، تضع الخصائص الفيزيائية والكيميائية الفريدة لـ AgNPs، بما في ذلك توصيلها الكهربائي والحراري، بالإضافة إلى خصائصها البصرية، كمرشحين واعدين لتطوير علاجات مضادة للميكروبات فعالة ضد البكتيريا المقاومة لمتعدد الأدوية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fcimb.2025.1599113
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40895297
Publication Date: 2025-08-14
Author(s): Hazim O. Khalifa et al.
Primary Topic: Nanoparticles: synthesis and applications
Overview
The increasing prevalence of multidrug-resistant (MDR) bacteria poses a significant global health threat, necessitating the urgent development of alternative antimicrobial strategies. Silver nanoparticles (AgNPs) have emerged as promising agents due to their broad-spectrum antibacterial activity and unique physicochemical properties. Their effectiveness stems from their nanoscale size, high surface area-to-volume ratio, and ability to generate reactive oxygen species (ROS), allowing them to disrupt bacterial membranes, interact with proteins and DNA, inhibit enzymatic functions, and interfere with metabolic pathways. However, challenges such as bacterial adaptation, cytotoxicity, and non-specific interactions have led to extensive research on innovative delivery systems aimed at enhancing AgNP efficacy while minimizing adverse effects.
This review discusses various synthesis methods and physical properties of AgNPs, focusing on their antimicrobial mechanisms and emerging resistance patterns. Advanced delivery strategies, including surface functionalization, biopolymer encapsulation, and stimuli-responsive nanoplatforms, have been highlighted for their potential to improve AgNP stability, selectivity, and controlled release. Furthermore, the integration of AgNPs with conventional antibiotics and their application in biomedical fields, such as wound dressings and medical coatings, may offer innovative solutions to combat bacterial resistance. Future research should prioritize optimizing AgNP formulations, enhancing biocompatibility, and conducting rigorous clinical trials to validate their safety and efficacy, ultimately aiming to translate AgNP-based therapies into clinical practice and address the global antibiotic resistance crisis.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the critical issue of antimicrobial resistance (AMR), which arises primarily from the excessive and improper use of antibiotics across human, veterinary, and environmental contexts. Since the discovery of antibiotics by Alexander Fleming in 1928, these substances have become essential in medicine and various industries. However, AMR complicates infection treatment, leading to increased morbidity and mortality, with a staggering 4.95 million deaths attributed to bacterial AMR in 2019 alone. In response, international organizations are advocating for improved antimicrobial use guidelines and raising awareness about AMR.
The paper emphasizes the urgent need for unconventional antibiotics, particularly in addressing challenges posed by Gram-negative bacteria. Recent reviews indicate a surge in research activity related to unconventional treatments, including nanoparticles, which show promise as alternatives to traditional antibiotics. Silver nanoparticles (AgNPs) are specifically noted for their potential in combating multidrug-resistant (MDR) bacteria. The review aims to analyze the synthesis, properties, and antimicrobial efficacy of AgNPs, explore their bactericidal mechanisms, and address concerns regarding bacterial resistance to these agents. Additionally, it will discuss advanced strategies for targeted delivery to enhance AgNP effectiveness while minimizing cytotoxicity, ultimately providing insights into optimizing AgNP-based therapies for clinical applications against MDR infections.
Discussion
The synthesis of silver nanoparticles (AgNPs) can be categorized into physical, chemical, and green synthesis methods, each with distinct advantages and limitations. Physical methods, such as evaporation-condensation and pyrolysis, allow for rapid synthesis but often result in high energy consumption and inconsistent particle distribution. Chemical synthesis, which employs metal precursors and reducing agents, can yield high quantities of AgNPs but involves toxic reagents and necessitates purification to avoid contamination. In contrast, green synthesis utilizes biological materials like plants and microorganisms, offering an eco-friendly alternative that can produce AgNPs with controlled size and shape due to the natural reducing agents present in these materials. However, challenges such as geographic and seasonal limitations of raw materials, energy-intensive processes, and variability in nanoparticle characteristics hinder the scalability of green synthesis for industrial applications.
The antimicrobial efficacy of AgNPs is significantly influenced by their physical properties, including size, shape, and surface charge. Smaller AgNPs exhibit enhanced bioactivity due to their larger surface area, which facilitates greater interaction with bacterial membranes, leading to cell disruption. The shape of AgNPs also plays a critical role; for example, triangular nanoparticles may have superior antibacterial properties due to their sharp edges, while rod-shaped AgNPs can penetrate biofilms more effectively. Additionally, the surface charge affects the stability and interaction of AgNPs with bacterial cells, with positively charged particles showing stronger antibacterial activity. Overall, the unique physicochemical properties of AgNPs, including their electrical and thermal conductivity, as well as their optical characteristics, position them as promising candidates for developing effective antimicrobial therapies against multidrug-resistant bacteria.