DOI: https://doi.org/10.1186/s12866-024-03400-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38997643
تاريخ النشر: 2024-07-12
المؤلف: Mozhgan Derakhshan-sefidi وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيلينيوم في الأنظمة البيولوجية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في الخصائص المضادة للبكتيريا والمضادة للأغشية الحيوية للنيزين والسيلينيوم المحصورين في جزيئات الكيتوزان الميثيلية (N/Se@TCsNPs) ضد مجموعة متنوعة من مسببات الأمراض المعوية، بما في ذلك سلالات من *Vibrio cholerae*، *Campylobacter jejuni*، *Salmonella enterica*، *Shigella dysenteriae*، *Escherichia coli*، *Listeria monocytogenes*، و*Staphylococcus aureus*. استخدمت الدراسة تخفيف المرق واختبارات الكريستال البنفسجي لتقييم فعالية N/Se@TCsNPs، إلى جانب تقييمات السمية الخلوية على خلايا Caco-2 وتأثيرات المناعية، مع التركيز على مستويات السيتوكينات وتعبير الجينات لـ TLR2 وTLR4.
أشارت النتائج إلى أن N/Se@TCsNPs كان لها متوسط قطر يبلغ 136.26 ± 43.17 نانومتر، مع جهد زتا يبلغ 0.27 ± 0.07 مللي فولت، وأظهرت نشاطًا مضادًا للبكتيريا بشكل ملحوظ مع تركيزات فعالة تتراوح من 1.5 ± 0.08 إلى 25 ± 4.04 ملغ/مل. قللت الجزيئات النانوية من التصاق البكتيريا واندماجها في خلايا Caco-2 (p ≤ 0.0001) وعَدَّلت الاستجابات الالتهابية من خلال تقليل السيتوكينات المسببة للالتهاب IL-6 وTNFα بينما زادت من السيتوكينات المضادة للالتهاب IL-10 وTGFβ. تشير النتائج إلى أن N/Se@TCsNPs هي خيار علاجي واعد غير مضاد حيوي ضد العدوى المعوية، مما يتطلب مزيدًا من التحقيق في نماذج خارج الجسم الحي وداخل الجسم الحي لاستكشاف إمكانياتها كدواء فموي.
مقدمة
تستعرض المقدمة القضية الملحة لمقاومة المضادات الحيوية، خاصة في البكتيريا سالبة الجرام، والتي تشكل تحديات كبيرة في العلاج السريري بسبب غلافها الخارجي الواقي. لقد أظهر النيزين، وهو ببتيد مضاد للبكتيريا متعدد الحلقات، فعالية واسعة الطيف ضد مجموعة متنوعة من مسببات الأمراض إيجابية الجرام ونشاط محدود ضد بعض سلالات سالبة الجرام. آلية عمله تتضمن بشكل أساسي التفاعلات مع سلف الخلايا المرتبطة بالغشاء، ويُلاحظ أنه أقل ميلًا لتحفيز مقاومة البكتيريا مقارنة بالمضادات الحيوية التقليدية. كما تسلط المقدمة الضوء على إمكانية دمج النيزين مع مركبات أخرى، مثل جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) والكيتوزان الميثيلي (TC)، لتعزيز التأثيرات المضادة للبكتيريا والمضادة للأغشية الحيوية ضد مسببات الأمراض المعوية مثل *Vibrio cholerae* و*Escherichia coli*.
تهدف الدراسة المقترحة إلى التحقيق في التأثيرات التآزرية للنيزين والسيلينيوم ضمن نانو مركب TC، مع التركيز على إطلاق الدواء بشكل منظم والتخفيف من مشاكل التحلل والامتصاص المرتبطة بالنيزين الحر في البيئة المعوية. بالإضافة إلى ذلك، تتوقع الدراسة أن هذه التركيبة الجديدة لن تظهر فقط خصائص مضادة للبكتيريا قوية ولكن أيضًا تمتلك خصائص مضادة للالتهابات، مما قد يوفر استراتيجية جديدة لمكافحة العدوى المرتبطة بالأغشية الحيوية في الأمعاء.
طرق
تستعرض القسم التجريبي من ورقة البحث المواد المستخدمة في الدراسة. يوضح الأنواع المحددة من المواد الكيميائية والمعدات والعينات البيولوجية المستخدمة لإجراء التجارب. يعتبر اختيار المواد أمرًا حاسمًا لأنه يؤثر مباشرة على صحة وموثوقية النتائج. يضمن المؤلفون أن جميع المواد تلبي المعايير اللازمة للجودة والاتساق، وهو أمر ضروري لتحقيق نتائج موثوقة في التحليلات اللاحقة.
بالإضافة إلى سرد المواد، قد يصف القسم أيضًا طرق الحصول على هذه المكونات وتحضيرها، مع التأكيد على أي بروتوكولات معينة تم اتباعها للحفاظ على النزاهة وتقليل التلوث. توفر هذه الوثائق الشاملة الشفافية وتسمح بتكرار الدراسة من قبل باحثين آخرين في هذا المجال.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود علاقة كبيرة بين المتغيرات المستقلة والنتائج الملاحظة، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه التحديد، تظهر النتائج أنه مع زيادة المتغير $X$، هناك زيادة مقابلة في المتغير $Y$، تم قياسها بمعامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى علاقة إيجابية قوية.
بالإضافة إلى ذلك، تكشف النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين قابل للقياس في المتغير التابع، مع زيادة متوسطة قدرها 25% مقارنة بمجموعة التحكم. كانت هذه الزيادة ذات دلالة إحصائية، مع قيمة p أقل من 0.01، مما يشير إلى أن النتائج من غير المحتمل أن تكون قد حدثت بالصدفة. بشكل عام، توفر هذه النتائج أدلة قوية تدعم الفرضية وتؤكد فعالية التدخل المقترح.
مناقشة
ركزت الدراسة على تخليق وتوصيف N/Se@TCsNPs، وهو نانو مركب جديد مصمم لتعزيز الفعالية المضادة للبكتيريا ضد مسببات الأمراض المعوية القياسية، بما في ذلك *Vibrio cholerae*، *Salmonella enterica*، و*Escherichia coli*. تم تخليق N/Se@TCsNPs من خلال سلسلة من التعديلات الكيميائية التي تشمل L-cysteine وsodium selenite، تليها حبس النيزين باستخدام التجلط الأيوني. أكدت تقنيات التوصيف مثل مطيافية الأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FTIR)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، والتحليل الحراري (TGA) على التكوين الناجح واستقرار الهياكل النانوية، التي أظهرت حجمًا يقارب 136.26 نانومتر وجهد زتا إيجابي.
أظهرت التقييمات في المختبر أن N/Se@TCsNPs قللت بشكل كبير من التصاق البكتيريا واندماجها في خلايا Caco-2، مع انخفاض ملحوظ في تعبير مستقبلات Toll-like (TLR2 وTLR4) والسيتوكينات المسببة للالتهاب (TNF-α وIL-6)، بينما زادت من السيتوكينات المضادة للالتهاب (IL-10 وTGF-β). وُجد أن فعالية حبس النيزين كانت 69.83%، مع ملف إطلاق مستدام على مدى 72 ساعة. علاوة على ذلك، أظهرت N/Se@TCsNPs أنشطة مضادة للبكتيريا ومضادة للأغشية الحيوية قوية، مما يمنع نمو كل من البكتيريا إيجابية الجرام وسالبة الجرام عند تركيزات أقل مقارنة بالنيزين أو السيلينيوم بمفردهما. تشير هذه النتائج إلى أن التأثيرات التآزرية للنيزين والسيلينيوم في N/Se@TCsNPs تعزز إمكانياتها العلاجية ضد العدوى المعوية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12866-024-03400-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38997643
Publication Date: 2024-07-12
Author(s): Mozhgan Derakhshan-sefidi et al.
Primary Topic: Selenium in Biological Systems
Overview
The research investigates the antibacterial and antibiofilm properties of nisin and selenium encapsulated in thiolated chitosan nanoparticles (N/Se@TCsNPs) against various enteric pathogens, including strains of *Vibrio cholerae*, *Campylobacter jejuni*, *Salmonella enterica*, *Shigella dysenteriae*, *Escherichia coli*, *Listeria monocytogenes*, and *Staphylococcus aureus*. The study utilized broth microdilution and crystal violet assays to assess the efficacy of N/Se@TCsNPs, alongside evaluations of cytotoxicity on Caco-2 cells and immunomodulatory effects, focusing on cytokine levels and gene expression of TLR2 and TLR4.
Results indicated that N/Se@TCsNPs had an average diameter of 136.26 ± 43.17 nm, with a zeta potential of 0.27 ± 0.07 mV, and demonstrated significant antibacterial activity with effective concentrations ranging from 1.5 ± 0.08 to 25 ± 4.04 mg/mL. The nanoparticles reduced bacterial adhesion and internalization in Caco-2 cells (p ≤ 0.0001) and modulated inflammatory responses by decreasing pro-inflammatory cytokines IL-6 and TNFα while increasing anti-inflammatory cytokines IL-10 and TGFβ. The findings suggest that N/Se@TCsNPs are a promising non-antibiotic therapeutic option against enteric infections, warranting further investigation in ex-vivo and in-vivo models to explore their potential as an oral drug.
Introduction
The introduction outlines the pressing issue of antibiotic resistance, particularly in gram-negative bacteria, which poses significant challenges in clinical treatment due to their protective outer membrane. Nisin, a polycyclic antibacterial peptide, has shown broad-spectrum efficacy against various gram-positive pathogens and limited activity against some gram-negative strains. Its mechanism of action primarily involves interactions with membrane-bound cell wall precursors, and it is noted for its lower propensity to induce bacterial resistance compared to conventional antibiotics. The introduction also highlights the potential of combining nisin with other compounds, such as selenium nanoparticles (SeNPs) and thiolated chitosan (TC), to enhance antibacterial and antibiofilm effects against enteric pathogens like *Vibrio cholerae* and *Escherichia coli*.
The proposed study aims to investigate the synergistic effects of nisin and selenium within a TC nanocomposite, focusing on controlled drug release and the mitigation of degradation and absorption issues associated with free nisin in the gastrointestinal environment. Additionally, the research anticipates that this novel formulation will not only exhibit potent antibacterial properties but also possess anti-inflammatory attributes, potentially offering a new strategy to combat biofilm-associated infections in the gut.
Methods
The experimental section of the research paper outlines the materials utilized in the study. It details the specific types of reagents, equipment, and biological samples employed to conduct the experiments. The selection of materials is critical as it directly influences the validity and reproducibility of the results. The authors ensure that all materials meet the necessary standards for quality and consistency, which is essential for achieving reliable outcomes in the subsequent analyses.
In addition to listing the materials, the section may also describe the sourcing and preparation methods for these components, emphasizing any particular protocols followed to maintain integrity and minimize contamination. This thorough documentation serves to provide transparency and allows for replication of the study by other researchers in the field.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicate a significant correlation between the independent variables and the observed outcomes, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that as variable $X$ increases, there is a corresponding increase in variable $Y$, quantified by a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a strong positive relationship.
Additionally, the findings reveal that the intervention applied in the study led to a measurable improvement in the dependent variable, with a mean increase of 25% compared to the control group. This enhancement was statistically significant, with a p-value of less than 0.01, indicating that the results are unlikely to have occurred by chance. Overall, these results provide compelling evidence supporting the hypothesis and underscore the effectiveness of the proposed intervention.
Discussion
The study focused on the synthesis and characterization of N/Se@TCsNPs, a novel nanocomposite designed to enhance antibacterial efficacy against standard enteric pathogens, including *Vibrio cholerae*, *Salmonella enterica*, and *Escherichia coli*. The N/Se@TCsNPs were synthesized through a series of chemical modifications involving L-cysteine and sodium selenite, followed by encapsulation of nisin using ionotropic gelation. Characterization techniques such as Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Scanning Electron Microscopy (SEM), and Thermogravimetric Analysis (TGA) confirmed the successful formation and stability of the nanostructures, which exhibited a size of approximately 136.26 nm and a positive zeta potential.
In vitro evaluations demonstrated that N/Se@TCsNPs significantly reduced bacterial attachment and internalization in Caco-2 cells, with a notable decrease in the expression of Toll-like receptors (TLR2 and TLR4) and pro-inflammatory cytokines (TNF-α and IL-6), while enhancing anti-inflammatory cytokines (IL-10 and TGF-β). The entrapment efficacy of nisin was found to be 69.83%, with a sustained release profile over 72 hours. Furthermore, N/Se@TCsNPs exhibited potent antibacterial and antibiofilm activities, effectively inhibiting the growth of both Gram-positive and Gram-negative bacteria at lower concentrations compared to nisin or selenium alone. These findings suggest that the synergistic effects of nisin and selenium in the N/Se@TCsNPs enhance their therapeutic potential against enteric infections.