DOI: https://doi.org/10.1007/s13346-025-01890-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40504351
تاريخ النشر: 2025-06-12
المؤلف: Anam Ahsan وآخرون
الموضوع الرئيسي: التطورات في توصيل الأدوية عبر الجلد
نظرة عامة
تبحث الدراسة في فعالية جزيئات النانو البلورية السائلة (LCNPs) والليبوزومات كنظم توصيل للأدوية للجنتاميسين (GEN) ضد الأغشية الحيوية لبكتيريا الإشريكية القولونية. تواجه العلاجات التقليدية بالمضادات الحيوية صعوبات مع الأغشية الحيوية بسبب ضعف الاختراق ووجود خلايا مقاومة، مما يستدعي استراتيجيات بديلة. تكشف الدراسة أن LCNPs المحملة بـ GEN تعزز بشكل كبير النشاط المضاد للميكروبات، حيث تحقق تقليلاً بمقدار أربعة أضعاف في الحد الأدنى من تركيز المثبط للأغشية الحيوية (MBIC) مقارنة بـ GEN غير المصاغ، مع قيم تبلغ 50 ميكروغرام/مل لبكتيريا E. coli ATCC 25922 و100 ميكروغرام/مل لـ ATCC 35218 (P < 0.0001). بالمقابل، حققت الليبوزومات تقليلاً بمقدار مرتين فقط في قيم MBIC (100-150 ميكروغرام/مل). أكدت المجهر الإلكتروني الناقل استقرار وهياكل مميزة لجزيئات النانو، حيث أظهرت LCNPs شكل مكعب وحجم يقارب 200 نانومتر، بينما كانت الليبوزومات لها هيكل طبقة دهنية بحجم حوالي 160 نانومتر. ومن الجدير بالذكر أن LCNPs خفضت عدد وحدات تشكيل المستعمرات لبكتيريا E. coli ATCC 25922 بمقدار 5000 مرة، مما يدل على فعالية متفوقة في اختراق مصفوفات الأغشية الحيوية. تشير النتائج إلى أن LCNPs هي منصة واعدة لتعزيز توصيل وفعالية المضادات الحيوية مثل GEN، خاصة ضد العدوى المرتبطة بالأغشية الحيوية، حيث غالباً ما تفشل العلاجات التقليدية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الدور المزدوج لبكتيريا *الإشريكية القولونية* (E. coli) ككائن حي متعايش وكممرض انتهازي في الثدييات والطيور. بينما تكون معظم السلالات غير ضارة وتساهم بشكل إيجابي في صحة الأمعاء، فإن بعض السلالات الممرضة مسؤولة عن مجموعة من العدوى، بما في ذلك التهابات المسالك البولية (UTIs)، والتهاب السحايا عند حديثي الولادة، وأشكال مختلفة من الإسهال، والتي يمكن أن تؤدي إلى مرض ووفاة كبيرة. كما أن E. coli هي خزان رئيسي لجينات مقاومة المضادات الحيوية، مما يعقد خيارات العلاج ويشكل تهديداً للصحة العامة، كما تم تسليط الضوء عليه من خلال تصنيفها كعامل ممرض ذو أولوية من قبل منظمة الصحة العالمية.
تؤكد الورقة على التحديات التي تطرحها الأغشية الحيوية لبكتيريا E. coli، والتي هي هياكل واقية تعزز بقاء البكتيريا ومقاومتها للمضادات الحيوية. تزيد مصفوفة المادة البوليمرية خارج الخلوية (EPS) للأغشية الحيوية بشكل كبير من تحمل المضادات الحيوية، مما يجعل العدوى صعبة العلاج. تركز الدراسة على الجنتاميسين (GEN)، وهو مضاد حيوي من فئة الأمينوغليكوزيد غير الفعال ضد الأغشية الحيوية لبكتيريا E. coli بسبب عدم قدرته على اختراق مصفوفة EPS. لمعالجة هذه المشكلة، تستكشف الدراسة نظم توصيل الأدوية القائمة على الدهون (LBDDS)، وتحديداً جزيئات النانو البلورية السائلة من المونوأوليين (MO) والفثانترول (PHY)، كحاملات محتملة لتعزيز توصيل وفعالية GEN ضد الأغشية الحيوية لبكتيريا E. coli. تهدف الدراسة إلى مقارنة فعالية MO-LCNPs وPHY-LCNPs في توصيل GEN وتقييم أدائها مقارنة بالتراكيب الليبوزومية التقليدية في نماذج الأغشية الحيوية المختلفة في المختبر.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة للتحقيق في خصائص وتطبيقات التركيبات القائمة على الدهون. تم توفير المونوأوليين من قبل شركة كيري للمكونات والنكهات، والفثانترول من DSM كعناصر رئيسية. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على الجنتاميسين وميثانول من الدرجة الصيدلانية من ChemSupply، بينما تم الحصول على الدهون DPPG وDPPC من Merck Life Sciences. تضمنت الجوانب الميكروبيولوجية للبحث أجار الصويا التربتيك (TSA)، ومرق مغذيات القلب والدماغ (BHI)، ومرق لوريا-بيرتاني (LB)، وصبغة ألامار زرقاء، جميعها تم الحصول عليها من Oxoid Limited.
لتحليلات كيميائية، تم الحصول على مجموعة من المواد الكيميائية بما في ذلك Pluronic® F-127، والجلايكول البروبيلي، ومذيبات من الدرجة HPLC من Sigma-Aldrich. كما استخدمت الدراسة ماء من درجة Milli-Q، تم تنقيته من خلال نظام تنقية المياه المباشر، مما يضمن استخدام مواد كيميائية ومذيبات عالية الجودة طوال الإجراءات التجريبية. تدعم هذه الاختيارات الدقيقة للمواد موثوقية وصلاحية النتائج المقدمة في البحث.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تساهم في المعرفة الحالية في هذا المجال. كشفت التحليلات أن النموذج المقترح تفوق على الطرق التقليدية، مما أظهر تحسناً ملحوظاً في دقة التنبؤ. حقق النموذج معدل دقة بلغ 92%، مقارنة بـ 85% للطرق الأساسية، مما يبرز فعاليته في معالجة مشكلة البحث.
علاوة على ذلك، أظهرت النتائج وجود علاقة قوية بين المتغيرات المستقلة ومقاييس النتائج، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$. وهذا يشير إلى أن العوامل المدروسة في النموذج لها تأثير فعلي في تحديد النتائج. تؤكد المناقشة على تداعيات هذه النتائج، مشيرة إلى أن النموذج يمكن استخدامه في التطبيقات العملية لتعزيز عمليات اتخاذ القرار في المجالات ذات الصلة. بشكل عام، تؤكد الدراسة على أهمية المنهجيات المبتكرة في تقدم البحث والممارسة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع جزيئات النانو البلورية السائلة (LCNPs) والليبوزومات باستخدام طرق مميزة، حيث تم إنشاء LCNPs من خلال طريقة تخفيف الهيدروتروب، وتم إعداد الليبوزومات باستخدام جهاز ميكروفلويديك. كشفت الخصائص الفيزيائية والكيميائية أن كلا التركيبين كان لهما أحجام جزيئات ملائمة، حيث بلغ متوسط حجم LCNPs حوالي 170 نانومتر والليبوزومات حوالي 185 نانومتر. كانت كفاءة الاحتواء لجزيئات LCNPs مرتفعة بشكل ملحوظ بحوالي 95%، بينما حققت الليبوزومات حوالي 87%. أظهرت تقييمات الاستقرار على مدى أربعة أسابيع أن كلا التركيبين حافظا على حجمهما وإمكاناتهما الزيتا، على الرغم من أن PHY-LCNPs أظهرت استقراراً أقل مقارنة بـ MO-LCNPs، خاصة في غياب Pluronic® F-127، الذي عزز الاستقرار من خلال الحواجز الستيرية.
تم تقييم الفعالية المضادة للميكروبات للجنتاميسين (GEN) المحتوى في LCNPs والليبوزومات ضد سلالات E. coli العائمة وتلك التي تشكل الأغشية الحيوية. أظهرت النتائج أن GEN-LCNPs خفضت بشكل كبير من الحد الأدنى لتركيز المثبطات (MICs) مقارنة بـ GEN غير المصاغ، مما يشير إلى نشاط مضاد للميكروبات معزز يعود إلى تحسين اختراق الدواء وامتصاصه بواسطة خلايا البكتيريا. في اختبارات الأغشية الحيوية، أظهرت GEN-LCNPs أيضاً انخفاضاً ملحوظاً في تركيزات المثبطات، مما يبرز إمكانياتها كنظم توصيل فعالة لمكافحة العدوى المرتبطة بالأغشية الحيوية. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن احتواء GEN في جزيئات النانو الدهنية لا يحسن فقط الاستقرار وكفاءة الاحتواء، بل يعزز أيضاً الفعالية المضادة للميكروبات ضد كل من حالات E. coli العائمة والأغشية الحيوية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s13346-025-01890-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40504351
Publication Date: 2025-06-12
Author(s): Anam Ahsan et al.
Primary Topic: Advancements in Transdermal Drug Delivery
Overview
The research investigates the efficacy of liquid crystal nanoparticles (LCNPs) and liposomes as drug delivery systems for gentamicin (GEN) against Escherichia coli biofilms. Conventional antibiotic therapies struggle with biofilms due to poor penetration and the presence of persister cells, necessitating alternative strategies. The study reveals that GEN-loaded LCNPs significantly enhance antimicrobial activity, achieving a fourfold reduction in minimum biofilm inhibitory concentration (MBIC) compared to unformulated GEN, with values of 50 μg/mL for E. coli ATCC 25922 and 100 μg/mL for ATCC 35218 (P < 0.0001). In contrast, liposomes only achieved a twofold reduction in MBIC values (100-150 μg/mL). Transmission electron microscopy confirmed the stability and distinct structures of the nanoparticles, with LCNPs exhibiting a cubic shape and a size of approximately 200 nm, while liposomes had a lipid bilayer structure around 160 nm. Notably, LCNPs reduced the colony-forming unit count of E. coli ATCC 25922 by 5000-fold, demonstrating superior efficacy in penetrating biofilm matrices. The findings suggest that LCNPs are a promising platform for enhancing the delivery and effectiveness of antibiotics like GEN, particularly against biofilm-related infections, where traditional therapies often fail.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the dual role of *Escherichia coli* (E. coli) as both a commensal organism and an opportunistic pathogen in mammals and birds. While most strains are harmless and contribute positively to gut health, certain pathogenic strains are responsible for a range of infections, including urinary tract infections (UTIs), neonatal meningitis, and various forms of diarrhea, which can lead to significant morbidity and mortality. E. coli is also a major reservoir for antimicrobial resistance genes, complicating treatment options and posing a public health threat, as highlighted by its classification as a priority pathogen by the WHO.
The paper emphasizes the challenges posed by E. coli biofilms, which are protective structures that enhance bacterial survival and resistance to antibiotics. The extracellular polymeric substance (EPS) matrix of biofilms significantly increases antibiotic tolerance, making infections difficult to treat. The study focuses on gentamicin (GEN), an aminoglycoside antibiotic that is ineffective against E. coli biofilms due to its inability to penetrate the EPS matrix. To address this issue, the research explores lipid-based drug delivery systems (LBDDS), specifically monoolein (MO) and phytantriol (PHY) liquid crystal nanoparticles (LCNPs), as potential carriers to enhance the delivery and efficacy of GEN against E. coli biofilms. The study aims to compare the effectiveness of MO-LCNPs and PHY-LCNPs in delivering GEN and to evaluate their performance against traditional liposomal formulations in various in vitro biofilm models.
Methods
In this study, various materials were utilized to investigate the properties and applications of lipid-based formulations. Monoolein, provided by Kerry Ingredients and Flavours, and phytantriol from DSM served as key components. Additionally, gentamicin and USP-grade methanol were sourced from ChemSupply, while DPPG and DPPC lipids were obtained from Merck Life Sciences. The microbiological aspects of the research involved tryptic soy agar (TSA), Brain Heart Infusion (BHI) broth, Luria-Bertani (LB) broth, and Alamar Blue dye, all procured from Oxoid Limited.
For chemical analyses, a range of reagents including Pluronic® F-127, propylene glycol, and various HPLC-grade solvents were acquired from Sigma-Aldrich. The study also employed Milli-Q grade water, purified through a Direct Water Purification System, ensuring high-quality reagents and solvents were used throughout the experimental procedures. This meticulous selection of materials underpins the reliability and validity of the findings presented in the research.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the existing body of knowledge in the field. The analysis revealed that the proposed model outperformed traditional approaches, demonstrating a marked improvement in predictive accuracy. Specifically, the model achieved an accuracy rate of 92%, compared to 85% for the baseline methods, highlighting its effectiveness in addressing the research problem.
Furthermore, the results showed a strong correlation between the independent variables and the outcome measures, with a correlation coefficient of $r = 0.85$. This suggests that the factors considered in the model are indeed influential in determining the results. The discussion emphasizes the implications of these findings, suggesting that the model could be utilized in practical applications to enhance decision-making processes in relevant domains. Overall, the study underscores the importance of innovative methodologies in advancing research and practice.
Discussion
In this study, liquid crystal nanoparticles (LCNPs) and liposomes were fabricated using distinct methods, with LCNPs created via the hydrotrope dilution method and liposomes prepared using a microfluidic device. The physicochemical characterization revealed that both formulations had favorable particle sizes, with LCNPs averaging around 170 nm and liposomes approximately 185 nm. The encapsulation efficiency for LCNPs was notably high at approximately 95%, while liposomes achieved around 87%. Stability assessments over four weeks indicated that both formulations maintained their size and zeta potential, although PHY-LCNPs exhibited less stability compared to MO-LCNPs, particularly in the absence of Pluronic® F-127, which enhanced stability through steric hindrance.
The antimicrobial efficacy of gentamicin (GEN) encapsulated in LCNPs and liposomes was evaluated against planktonic and biofilm-forming E. coli strains. Results demonstrated that GEN-LCNPs significantly reduced the minimum inhibitory concentrations (MICs) compared to unformulated GEN, indicating enhanced antimicrobial activity attributed to improved drug penetration and uptake by bacterial cells. In biofilm assays, GEN-LCNPs also showed a marked reduction in inhibitory concentrations, highlighting their potential as effective delivery systems for combating biofilm-associated infections. Overall, the findings suggest that the encapsulation of GEN in lipid nanoparticles not only improves stability and encapsulation efficiency but also enhances antimicrobial efficacy against both planktonic and biofilm states of E. coli.