DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202405047
تاريخ النشر: 2024-06-20
المؤلف: Lucrezia Caselli وآخرون
الموضوع الرئيسي: الببتيدات المضادة للميكروبات والأنشطة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تعزيز التأثيرات المضادة للميكروبات من خلال تغليف جزيئات نانوية من TiO₂ الفوتوكاتاليتيكية مع الببتيدات المضادة للميكروبات (AMPs)، وتحديداً KYE21 ونظيرها المعدل هيدروفوبياً WWWKYE21. تشير النتائج إلى أن هذه الجزيئات النانوية المغلفة تظهر ارتباطًا أكبر وتدهورًا فوتوكاتاليتيكيًا ضد أغشية تشبه البكتيريا مقارنةً بالأغشية الشبيهة بالثدييات. ومن الجدير بالذكر أن الجزيئات النانوية المغلفة بـ WWWKYE21 أظهرت ارتباطًا متفوقًا مع الليببوليسكاريد البكتيري (LPS) وقدرات تدهور معززة، على الرغم من ملاحظة تأثيرات التشبع عند مستويات ارتباط عالية. كشفت قياسات الانعكاس النيوتروني أن ارتباط هذه الجزيئات النانوية مع الأغشية الشبيهة بالبكتيريا أدى إلى إزالة جزئية للدهون، مع حدوث تدهور إضافي عند التعرض للأشعة فوق البنفسجية، مما أثر أيضًا على ترطيب مناطق الأغشية.
تؤكد الخاتمة على أن كل من KYE21 و WWWKYE21 ترتبط بشكل فعال مع جزيئات TiO₂ النانوية، مما يعزز شحنتها الإيجابية وتشتتها عند درجة الحموضة الفسيولوجية دون قمع كبير لتكوين أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) أثناء التعرض للأشعة فوق البنفسجية. تسهل تغليفات الببتيد تدهورًا قويًا للأغشية الشبيهة بالبكتيريا و LPS، مع تعزيز W-tag للارتباط ولكنه يظهر تأثيرات محدودة على التدهور التأكسدي عند مستويات ارتباط عالية بسبب تشتت الضوء. تسلط الدراسة الضوء على الترجمة الناجحة لخصائص AMP من المحلول إلى تغليفات الجزيئات النانوية، مما يشير إلى أن الرؤى المستفادة من AMPs يمكن أن تُفيد تصميم جزيئات نانوية مغلفة بـ AMP فعالة. ومع ذلك، تشير أيضًا إلى قيود هذه المقارنة عند مستويات الارتباط العالية، حيث قد يعيق تشتت الضوء الفعالية الفوتوكاتاليتيكية.
مقدمة
تناقش المقدمة إمكانية الجزيئات النانوية الفوتوكاتاليتيكية كنهج جديد لمكافحة العدوى البكتيرية، خاصة ضد السلالات المقاومة للمضادات الحيوية. تولد هذه الجزيئات النانوية أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) من خلال إثارة الإلكترونات الحرة والفجوات، مما يمكن أن يؤدي إلى تدهور المكونات البكتيرية الحيوية، مما يؤدي إلى تأثيرات مضادة للميكروبات كبيرة. ومن الجدير بالذكر أن الدراسات أظهرت أن جزيئات TiO₂ النانوية المدعمة بالبورفيرين يمكن أن تحقق تقليلًا بمقدار 7 سجلات في Staphylococcus aureus، بينما أظهرت جزيئات TiO₂ النانوية فعالية ضد عدة سلالات من Pseudomonas aeruginosa المقاومة للعديد من الأدوية. ومع ذلك، تبقى التحديات في تعزيز الانتقائية تجاه الخلايا البكتيرية مع تقليل السمية للخلايا البشرية.
لمعالجة ذلك، يستكشف المؤلفون تغليف جزيئات TiO₂ النانوية مع الببتيدات المضادة للميكروبات (AMPs)، وتحديداً LL-37 ونظيرها المعدل WWWKYE21، الذي يظهر زيادة في الأمفيبيلية. تهدف الدراسة إلى تقييم كيف تؤثر هذه التعديلات على استقرار الجزيئات النانوية، وتوليد ROS، وتدهور الأغشية البكتيرية. تشير النتائج إلى أن وسم W يعزز الارتباط بالأغشية البكتيرية مع الحفاظ على سمية منخفضة للخلايا الثديية. تستخدم الأبحاث تقنيات مثل ميزان الميكروكريستال الكوارتز وقياس الانعكاس النيوتروني لتحليل التفاعلات والتغيرات الهيكلية للجزيئات النانوية المغلفة بالببتيد، مما يوضح في النهاية إمكاناتها لتحسين الفعالية المضادة للميكروبات في التطبيقات السريرية.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم الحصول على جزيئات أكسيد التيتانيوم النانوية (TiO₂ NPs) من PlasmaChem GmHb وتم توصيفها باستخدام مجهر الإلكترون الناقل بالتبريد (cryo-TEM) وتشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة (SAXS). تم إجراء القياسات عند درجة حموضة 3.4 لضمان تشتت مثالي، مما كشف عن توزيع لوغاريتمي طبيعي بحجم متوسط يبلغ 3 ± 1 نانومتر من SAXS وطبيعة متعددة التشتت بقطر متوسط يبلغ 2 ± 1 نانومتر من cryo-TEM، مع أحجام تتراوح من 0 إلى 10 نانومتر. تم استخدام مجموعة متنوعة من الببتيدات والدهون، بما في ذلك بالميتويلوليوفوسفوكولين (POPC) والكوليسترول، في إعداد الحويصلات، التي تم تشكيلها عن طريق تجفيف مخزونات الدهون وترطيبها بماء MilliQ أو محاليل عازلة.
شمل إعداد الحويصلات إنشاء حويصلات متعددة الطبقات تم بعد ذلك صونكتها أو ضغطها لتحقيق حويصلات صغيرة أحادية الطبقة (SUVs) أو حويصلات كبيرة أحادية الطبقة (LUVs)، على التوالي. تم قياس حجم وإمكانات زيتا للحويصلات باستخدام تقنيات تشتت الضوء الديناميكي والكهربائي، مما يضمن توصيفًا دقيقًا لخصائص الحويصلات. تم إجراء القياسات ثلاث مرات عند 25 درجة مئوية، مما يوفر بيانات موثوقة حول أقطار الجزيئات الفعالة.
نقاش
في هذا القسم، يركز النقاش على تأثيرات تغليفات الببتيد المضاد للميكروبات (AMP) على خصائص ووظائف جزيئات TiO₂ النانوية (NPs). تسلط الدراسة الضوء على أن الطبيعة الكاتيونية للببتيدات KYE21 و WWWKYE21 تعزز تفاعل جزيئات TiO₂ النانوية مع الأغشية البكتيرية، مما يحسن الفعالية المضادة للميكروبات. على الرغم من المخاوف من أن تغليفات الببتيد قد تثبط توليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) – وهو أمر حاسم للعمل المضاد للميكروبات – تشير النتائج إلى أن هذه التغليفات لا تقمع بشكل كبير إنتاج ROS. تحافظ الببتيدات على شحنة إيجابية صافية وتعزز الارتباط بالأغشية البكتيرية السالبة الشحنة، وهو أمر أساسي لنشاطها المضاد للميكروبات. ومن الجدير بالذكر أن وجود بقايا التريبتوفان الكبيرة في WWWKYE21 يساهم في زيادة قدرة الارتباط وثباتها الغروي مقارنةً بـ KYE21.
يتناول النقاش أيضًا عدم استقرار الأغشية الفوسفوليدية والليبوبوليسكاريد (LPS) الناتج عن التعرض للأشعة فوق البنفسجية. تكشف النتائج أن جزيئات TiO₂ النانوية المغلفة بالببتيد تظهر ميلًا أكبر لعدم استقرار الأغشية السالبة الشحنة، مثل تلك التي تحاكي الهياكل البكتيرية، مقارنةً بالأغشية الثنائية الشحنة. يُعزى ذلك إلى كل من تعزيز ارتباط الجزيئات النانوية المغلفة بالببتيد مع الأغشية والاختلافات الهيكلية الجوهرية بين الدهون السالبة الشحنة والثنائية الشحنة. علاوة على ذلك، بينما تعزز تغليفات الببتيد التأثيرات المضادة للميكروبات، فإنها تقدم أيضًا تعقيدات تتعلق بتشبع مواقع الارتباط وإمكانية تقليل الفعالية عند تركيزات NP العالية. بشكل عام، تؤكد الدراسة على الدور المزدوج لتغليفات AMP في تعزيز الخصائص المضادة للميكروبات لجزيئات TiO₂ النانوية بينما تطرح أيضًا تحديات تتعلق بتوليد ROS وتفاعلات الأغشية.
DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202405047
Publication Date: 2024-06-20
Author(s): Lucrezia Caselli et al.
Primary Topic: Antimicrobial Peptides and Activities
Overview
This study investigates the enhancement of antimicrobial effects through the coating of photocatalytic TiO₂ nanoparticles with antimicrobial peptides (AMPs), specifically KYE21 and its hydrophobically modified variant WWWKYE21. The findings indicate that these coated nanoparticles exhibit increased binding and photocatalytic degradation against bacteria-like membranes compared to mammalian-like membranes. Notably, WWWKYE21-coated nanoparticles showed superior binding to bacterial lipopolysaccharides (LPS) and enhanced degradation capabilities, although saturation effects were observed at high binding levels. Neutron reflectometry revealed that the binding of these nanoparticles to bacteria-like membranes led to partial lipid removal, with additional degradation occurring upon UV illumination, which also affected the hydration of membrane regions.
The conclusion emphasizes that both KYE21 and WWWKYE21 effectively bind to TiO₂ nanoparticles, enhancing their positive charge and dispersion at physiological pH without significantly suppressing reactive oxygen species (ROS) formation during UV exposure. The peptide coatings facilitate potent degradation of bacteria-like membranes and LPS, with the W-tag promoting binding but showing limited effects on oxidative degradation at high binding levels due to light scattering. The study highlights the successful translation of AMP properties from solution to nanoparticle coatings, suggesting that insights gained from AMPs can inform the design of effective AMP-coated nanoparticles. However, it also notes the limitations of this analogy at high binding levels, where light scattering may impede photocatalytic efficacy.
Introduction
The introduction discusses the potential of photocatalytic nanoparticles as a novel approach to combat bacterial infections, particularly against antibiotic-resistant strains. These nanoparticles generate reactive oxygen species (ROS) through the excitation of free electrons and holes, which can degrade critical bacterial components, leading to significant antimicrobial effects. Notably, studies have shown that porphyrin-doped TiO₂ nanoparticles can achieve a 7-log reduction in Staphylococcus aureus, while TiO₂ nanoparticles have demonstrated efficacy against multiple strains of multi-drug resistant Pseudomonas aeruginosa. However, the challenge remains in enhancing selectivity towards bacterial cells while minimizing toxicity to human cells.
To address this, the authors explore the coating of TiO₂ nanoparticles with antimicrobial peptides (AMPs), specifically LL-37 and its modified version WWWKYE21, which exhibits increased amphiphilicity. The study aims to assess how these modifications affect the nanoparticles’ stability, ROS generation, and degradation of bacterial membranes. The findings suggest that the W-tagging enhances binding to bacterial membranes while maintaining low toxicity to mammalian cells. The research employs techniques such as quartz-crystal microbalance and neutron reflectometry to analyze the interactions and structural changes of the peptide-coated nanoparticles, ultimately demonstrating their potential for improved antimicrobial efficacy in clinical applications.
Methods
In the experimental section of the study, titanium dioxide nanoparticles (TiO₂ NPs) were sourced from PlasmaChem GmHb and characterized using cryo-transmission electron microscopy (cryo-TEM) and small-angle X-ray scattering (SAXS). The measurements were conducted at pH 3.4 to ensure optimal dispersion, revealing a lognormal distribution with an average size of 3 ± 1 nm from SAXS and a polydisperse nature with an average diameter of 2 ± 1 nm from cryo-TEM, with sizes ranging from 0 to 10 nm. Various peptides and lipids, including palmitoyloleoylphosphocholine (POPC) and cholesterol, were utilized in the preparation of liposomes, which were formed by drying lipid stocks and hydrating them with MilliQ water or buffers.
Liposome preparation involved creating multilamellar vesicles that were subsequently sonicated or extruded to achieve small unilamellar vesicles (SUVs) or large unilamellar vesicles (LUVs), respectively. The size and zeta potential of the liposomes were measured using dynamic and electrophoretic light scattering techniques, ensuring accurate characterization of the vesicle properties. Measurements were conducted in triplicate at 25 °C, providing reliable data on the effective particle diameters.
Discussion
In this section, the discussion focuses on the effects of antimicrobial peptide (AMP) coatings on the properties and functionalities of TiO₂ nanoparticles (NPs). The study highlights that the cationic nature of the peptides KYE21 and WWWKYE21 enhances the interaction of TiO₂ NPs with bacterial membranes, thereby improving antimicrobial efficacy. Despite concerns that peptide coatings might inhibit reactive oxygen species (ROS) generation—critical for antimicrobial action—the results indicate that these coatings do not significantly suppress ROS production. The peptides maintain a net positive charge and promote binding to anionic bacterial membranes, which is essential for their antimicrobial activity. Notably, the presence of the bulky tryptophan residues in WWWKYE21 contributes to its superior binding affinity and colloidal stability compared to KYE21.
The discussion also addresses the oxidative destabilization of phospholipid membranes and lipopolysaccharides (LPS) induced by UV illumination. The findings reveal that peptide-coated TiO₂ NPs exhibit a higher propensity to destabilize anionic membranes, such as those mimicking bacterial structures, compared to zwitterionic membranes. This is attributed to both the enhanced binding of the peptide-coated NPs to the membranes and the inherent structural differences between anionic and zwitterionic lipids. Furthermore, while the peptide coatings enhance antimicrobial effects, they also introduce complexities regarding the saturation of binding sites and the potential for reduced efficacy at high NP concentrations. Overall, the study underscores the dual role of AMP coatings in enhancing the antimicrobial properties of TiO₂ NPs while also posing challenges related to ROS generation and membrane interactions.