DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-51708-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38238369
تاريخ النشر: 2024-01-18
المؤلف: Wesam S. Shehab وآخرون
الموضوع الرئيسي: المركبات النشطة بيولوجياً وعوامل مضادة للورم
نظرة عامة
تركز الأبحاث على تطوير تركيبات مضادة حيوية جديدة باستخدام جزيئات نانوية من أكسيد النحاس (CuO-NPs) كعوامل مساعدة لمكافحة هيليكوباكتر بيلوري (H. pylori)، وهو تهديد صحي عالمي كبير مرتبط بمختلف الأمراض المعوية، بما في ذلك سرطان المعدة. نظرًا للازدياد السريع لمقاومة المضادات الحيوية في سلالات H. pylori، تهدف الدراسة إلى استكشاف مشتقات كيميائية جديدة، وبشكل خاص مركبات الترازاين والديازين، التي تظهر خصائص مضادة للميكروبات. تستخدم الأبحاث طرق حسابية مثل تحليل POM والتصميم الجزيئي لدعم فعالية هذه المركبات ضد H. pylori.
تشير النتائج إلى أن المركبات المصنعة تظهر تأثيرًا قاتلًا للبكتيريا يتفوق على معايير مكفارلاند المعتمدة، مع نسبة تركيز قاتل بكتيري (MBC) إلى تركيز مثبط أدنى (MIC) تبلغ ≤ 2 لجميع العينات المختبرة. ومن الجدير بالذكر أن المركبات 7 و12 و13 ظهرت كمرشحات واعدة لمزيد من التحقيق كعوامل فعالة ضد H. pylori. تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانية استخدام CuO-NPs في صياغة علاجات صديقة للبيئة وفعالة من حيث التكلفة، مما يمهد الطريق لأساليب مبتكرة لمواجهة التحديات التي تطرحها عدوى H. pylori المقاومة للمضادات الحيوية.
طرق
يحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، معدات، وعينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية وصفًا للإعداد التجريبي، تقنيات جمع البيانات، والتحليلات الإحصائية المطبقة لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يحدد القسم الضوابط المطبقة للتحقق من النتائج وأي اعتبارات أخلاقية تم أخذها في الاعتبار خلال البحث. بشكل عام، يعمل هذا القسم كدليل شامل لتكرار الدراسة وفهم الأسس التي تم بناء الاستنتاجات عليها.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة حول جزيئات أكسيد النحاس النانوية (CuO-NPs) عن نتائج هامة تتعلق بخصائصها الهيكلية والشكلية. أكدت تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) تشكيل CuO أحادي الميل مع قمم حيود مميزة عند قيم 2θ تبلغ 32.35°، 35.62°، 38.69°، 48.72°، 53.49°، 58.33°، 61.57°، 66.31°، 68.15°، 73.12°، و76.15°، متماشية مع معيار JCPDS-05-0661. يشير غياب القمم المرتبطة بهيدروكسيد النحاس أو Cu2O إلى نقاء عالي لجزيئات CuO-NPs المصنعة. كما أوضحت المجهر الإلكتروني الناقل عالي الدقة (HR-TEM) الشكل الشبيه بالورقة للجزيئات النانوية، مما ساهم في تشكيل هياكل نانوية شبيهة بالزهور، تم تأكيدها بواسطة أنماط حيود الإلكترون في المنطقة المختارة (SAED) التي تشير إلى طبيعة متعددة البلورات.
بالإضافة إلى ذلك، صورت المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) جزيئات CuO-NPs كهيكل شبيه بالرقائق أو الألواح تشبه بتلات الزهور، مما يشير إلى إمكانية استخدامها في التحفيز. كشفت تحليل طيف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) عن تركيب عنصري يتكون من 49% نحاس و51% أكسجين، مما يؤكد نقاء الجزيئات النانوية. تم قياس المساحة السطحية المحددة (SSA) لجزيئات CuO-NPs عند 58.4419 م²/غ، مما يبرز أهمية المساحة السطحية في تعزيز التفاعلات والتفاعلات، وهي حاسمة للتطبيقات في الامتصاص والتحفيز غير المتجانس.
مناقشة
تم تحقيق تخليق مشتقات حمض الديازيني بنزويك باستخدام الأسيتيل أسيتون وأملاح الديازونيوم، مع عمل جزيئات CuO النانوية (CuO-NPs) كعامل مساعد. أسفرت التفاعل عن إنتاج 2،2′-((2،4-ديكسيوبنتان-3،3-ديول) ثنائي (ديازيني-2،1-ديول)) حمض ثنائي بنزويك (المركب 2) بعائد ملحوظ يبلغ 99% في غضون 4 دقائق فقط تحت ظروف التحريك. أكدت خصائص المركب 2 من خلال طيف الأشعة تحت الحمراء (IR) وطيف الرنين المغناطيسي النووي (NMR) وجود مجموعات وظيفية مثل الأحماض الكربوكسيلية والكيتونات. أدت التفاعلات اللاحقة للمركب 2 مع مواد كيميائية مختلفة إلى تشكيل عدة مركبات جديدة (3-15)، كل منها يظهر ميزات هيكلية مميزة تم التحقق منها بواسطة بيانات الطيف.
تم تقييم النشاط المضاد لـ H. pylori للمركبات المصنعة، مما كشف عن مناطق تثبيط كبيرة للمركبات 2، 3، 4، 5، 7، 8، 10، 11، 12، و13، حيث أظهر المركب 12 أعلى فعالية (23.33 مم منطقة تثبيط) وتوقع LD50 ملائم يبلغ 8000 ملغ/كغ. أشارت تحليلات التركيز المثبط الأدنى (MIC) والتركيز القاتل الأدنى (MBC) إلى أن جميع المركبات المختبرة أظهرت تأثيرات قاتلة للبكتيريا، مع ظهور بعض المركبات بخصائص دوائية واعدة بناءً على الدراسات الحاسوبية. كما اقترحت دراسات التصميم الجزيئي تفاعلات محتملة لهذه المركبات مع أهداف مضادة للالتهابات، مما يبرز إمكانياتها العلاجية ضد H. pylori وغيرها من العدوى البكتيرية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-51708-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38238369
Publication Date: 2024-01-18
Author(s): Wesam S. Shehab et al.
Primary Topic: Bioactive Compounds and Antitumor Agents
Overview
The research focuses on the development of novel antibiotic formulations utilizing copper oxide nanoparticles (CuO-NPs) as catalysts to combat Helicobacter pylori (H. pylori), a significant global health threat linked to various gastrointestinal diseases, including stomach cancer. Given the rapid emergence of antibiotic resistance in H. pylori strains, the study aims to explore new chemical derivatives, specifically triazine and diazine compounds, which exhibit antimicrobial properties. The research employs computational methods such as POM analysis and molecular docking to support the efficacy of these compounds against H. pylori.
The findings indicate that the synthesized compounds demonstrate a bactericidal effect superior to established McFarland standards, with a minimum bactericidal concentration (MBC) to minimum inhibitory concentration (MIC) ratio of ≤ 2 for all tested samples. Notably, compounds 7, 12, and 13 emerged as promising candidates for further investigation as effective anti-H. pylori agents. This study highlights the potential of using CuO-NPs in the formulation of eco-friendly and cost-effective therapies, paving the way for innovative approaches to address the challenges posed by antibiotic-resistant H. pylori infections.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology includes a description of the experimental setup, data collection techniques, and statistical analyses applied to interpret the results.
Additionally, the section may specify the controls implemented to validate the findings and any ethical considerations taken into account during the research. Overall, this section serves as a comprehensive guide for replicating the study and understanding the basis for the conclusions drawn.
Results
The results of the study on copper oxide nanoparticles (CuO-NPs) reveal significant findings regarding their structural and morphological characteristics. X-ray diffraction (XRD) analysis confirmed the formation of monoclinic CuO with distinct diffraction peaks at 2θ values of 32.35°, 35.62°, 38.69°, 48.72°, 53.49°, 58.33°, 61.57°, 66.31°, 68.15°, 73.12°, and 76.15°, aligning with the JCPDS-05-0661 standard. The absence of peaks corresponding to copper hydroxide or Cu2O indicates the high purity of the synthesized CuO-NPs. High-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) further illustrated the nanoparticles’ sheet-like morphology, which contributed to the formation of flower-like nanostructures, corroborated by selected area electron diffraction (SAED) patterns that indicated a polycrystalline nature.
Additionally, scanning electron microscopy (SEM) depicted the CuO-NPs as flake or plate-like structures resembling flower petals, suggesting their potential application in catalysis. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analysis revealed an elemental composition of 49% copper and 51% oxygen, confirming the purity of the nanoparticles. The specific surface area (SSA) of the CuO-NPs was measured at 58.4419 m²/g, highlighting the importance of surface area in enhancing reactions and interactions, which are critical for applications in adsorption and heterogeneous catalysis.
Discussion
The synthesis of diazenyl benzoic acid derivatives was achieved using acetylacetone and diazonium salts, with CuO nanoparticles (CuO-NPs) serving as a catalyst. The reaction yielded 2,2′-((2,4-dioxopentane-3,3-diyl) bis(diazene-2,1-diyl)) dibenzoic acid (compound 2) with a remarkable 99% yield in just 4 minutes under stirring conditions. Characterization of compound 2 through IR and NMR spectroscopy confirmed the presence of functional groups such as carboxylic acids and ketones. Subsequent reactions of compound 2 with various reagents led to the formation of several new compounds (3-15), each exhibiting distinct structural features validated by spectral data.
The anti-H. pylori activity of the synthesized compounds was evaluated, revealing significant inhibition zones for compounds 2, 3, 4, 5, 7, 8, 10, 11, 12, and 13, with compound 12 demonstrating the highest efficacy (23.33 mm zone of inhibition) and a favorable predicted LD50 of 8000 mg/kg. The minimal inhibitory concentration (MIC) and minimal bactericidal concentration (MBC) analyses indicated that all tested compounds exhibited bactericidal effects, with select compounds showing promising pharmacokinetic properties based on in silico studies. Molecular docking studies further suggested potential interactions of these compounds with anti-inflammatory targets, highlighting their therapeutic potential against H. pylori and other bacterial infections.