DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58061-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40121200
تاريخ النشر: 2025-03-22
المؤلف: Yanling You وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأغشية الحيوية البكتيرية وإحساس الكمية
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على تطوير استراتيجية جديدة مضادة للبكتيريا باستخدام نانو مركب محدد لجدار الخلية البكتيرية، يُشار إليه باسم TiO_x @C، والذي يجمع بين ركيزة كربونية مع نقاط أكسيد التيتانيوم (TiO_x). تهدف هذه الطريقة إلى معالجة تحدي مقاومة المضادات الحيوية (AMR) من خلال تحقيق توازن بين خصوصية السلالة وفعالية الطيف الواسع. الهيكل الفريد الشبيه بالألياف لـ TiO_x @C يسمح له باختراق غشاء Pseudomonas aeruginosa بينما يكون غير فعال ضد جدار الخلية الأكثر سمكًا لـ Staphylococcus aureus، مما يظهر فعالية مضادة للبكتيريا مستهدفة.
تشير النتائج التجريبية إلى أن TiO_x @C يمارس آلية عمل مزدوجة: حيث يعطل سلسلة نقل الإلكترون في S. aureus، مما يمنع بشكل فعال إمدادات الطاقة الخاصة بها، بينما يتسبب في نفس الوقت في ضرر ميكانيكي ويحفز الإجهاد التأكسدي في P. aeruginosa. تؤكد الدراسات الحية أيضًا فعالية TiO_x @C، حيث تظهر انخفاضًا بنسبة 97% في الحمل البكتيري في الجروح المصابة للفئران الإناث، إلى جانب تعزيز شفاء الجروح. تقدم هذه الأبحاث TiO_x @C كخيار علاجي واعد غير مضاد حيوي لمكافحة العدوى البكتيرية، خاصة في سياق التحديات المتزايدة لمقاومة المضادات الحيوية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في أبحاثهم، مع التركيز على الحصول على مواد كيميائية ومكونات بيولوجية متنوعة ضرورية لإجراءاتهم التجريبية. تم الحصول على المادة الأساسية، مسحوق Ti₃AlC₂، من شركة XFNANO Materials Tech Co.، Ltd.، مع نقاء لا يقل عن 95% وزناً. تم الحصول على مجموعة من المواد الكيميائية الأخرى، بما في ذلك حمض الهيدروفلوريك (HF)، N-methylpyrrolidone (NMP)، الإيثانول، وبيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂)، من شركة Adamas Reagent Chemical Co.، Ltd.، بينما تم الحصول على كلوريد الأيودونيتروترازوليوم (INT) وزرقاء الميثيلين (MB) من شركة Aladdin Scientific Co.، Ltd.
بالإضافة إلى ذلك، قام المؤلفون بإدراج مجموعات وحلول متنوعة حيوية لأساليبهم، مثل مجموعات صبغ البكتيريا الحية/الميتة، DCFH-DA، CCK-8، واختبارات Calcein-AM/PI من شركة Keygen Biotech Co.، Ltd.، ومجموعة اختبار ATP من شركة Beyotime Biotech Co.، Ltd. تم الحصول على الوسائط المستخدمة لزراعة الخلايا، بما في ذلك وسط Eagle المعدل من دولبيكو (DMEM) وRPMI 1640، من شركة iCell Bioscience Co.، Ltd.، مع مصل الجنين البقري (FBS) ومكملات أخرى تم الحصول عليها من Gibco. تم استخدام جميع المواد الكيميائية في شكلها الأصلي دون تنقية إضافية، مما يضمن سلامة النتائج التجريبية.
النتائج
تفصل نتائج الدراسة تخليق وتوصيف نانو مركبات TiO$_x$@C المستمدة من صفائح Ti$_3$C$_2$ من خلال طريقة تقشير كيميائي تليها أكسدة باستخدام H$_2$O$_2$. كشفت المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) أن TiO$_x$@C الناتج يتميز بطبقة كربونية شبيهة بالحرير مع نقاط TiO$_x$ موزعة بشكل موحد تتراوح من 2 إلى 5 نانومتر. أشارت اختبارات الاستقرار إلى أن الشكل والتركيب لـ TiO$_x$@C ظل غير متغير في المحاليل المائية لمدة تصل إلى 30 يومًا، مما يدل على تشتت ممتاز في وسائط متنوعة، مما يشير إلى إمكانيته كدواء نانوي للتطبيقات المضادة للبكتيريا.
أكدت تقنيات التوصيف مثل TEM عالي الدقة، وتحليل الطيف بالأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS)، وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD) التوزيع المتجانس لعناصر Ti وO وC داخل النانو مركب، بينما أشار تحليل الطيف رامان إلى تحول Ti$_3$C$_2$ إلى TiO$_x$@C، مع اختفاء القمم المميزة المرتبطة بالسابقة. أكدت تحليلات الرنين المغناطيسي الإلكتروني (EPR) وتحليل الطيف الضوئي للأشعة السينية (XPS) وجود فراغات أكسجين وحالات متعددة التكافؤ من التيتانيوم، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، اقترحت حسابات نظرية الوظائف الكثافة (DFT) أن التطور الهيكلي يعزز الموصلية الكهربائية لـ TiO$_x$@C، كما يتضح من انخفاض المقاومة الكهروكيميائية، مما يشير إلى تحسين قدرات نقل الإلكترون مقارنةً بـ Ti$_3$C$_2$.
المناقشة
تم تقييم الفعالية المضادة للبكتيريا لـ TiO$_x$@C ضد Staphylococcus aureus (S. aureus) وPseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa)، مما يظهر نشاطًا واسع الطيف يعتمد على التركيز. عند تركيز 100 ميكروغرام/مل، أوقف TiO$_x$@C نمو S. aureus بنسبة 57.3% وP. aeruginosa بنسبة 64.9%، مع تركيزات مثبطة دنيا (MIC50) تبلغ 100 ميكروغرام/مل وMIC90 تبلغ 200 ميكروغرام/مل لكلا البكتيريا. من الجدير بالذكر أن التعرض المطول لـ TiO$_x$@C لم يُحدث مقاومة بكتيرية، مما يشير إلى إمكانيته كعامل مضاد للبكتيريا مستدام. كما سلطت الدراسة الضوء على الخصائص الفريدة المانحة للإلكترونات لـ TiO$_x$@C، والتي، جنبًا إلى جنب مع خصائصه الهيكلية، ساهمت في نشاطه المضاد للبكتيريا من خلال تعطيل جدران الخلايا البكتيرية وسلاسل نقل الإلكترون.
كشفت التحليلات الإضافية أن TiO$_x$@C أظهر آليات عمل مميزة ضد سلالتين بكتيريتين. بالنسبة لـ S. aureus، كانت التفاعل بشكل أساسي من خلال التشابك مع طبقة البيبتيدوجليكان السميكة، مما أدى إلى تعطيل سلسلة نقل الإلكترون وتخليق ATP، مما تسبب في النهاية في موت البكتيريا. على النقيض من ذلك، تمكن TiO$_x$@C من اختراق جدار الخلية الأرق لـ P. aeruginosa، مما أدى إلى تغييرات شكلية كبيرة واستجابات للإجهاد التأكسدي. أشارت التحليلات النسخية إلى أن علاج TiO$_x$@C أدى إلى تقليل التعبير الجيني المرتبط بتمثيل الطاقة في S. aureus، بينما أظهرت P. aeruginosa زيادة في التعبير الجيني لاستجابة الإجهاد التأكسدي. تؤكد هذه النتائج على إمكانيات TiO$_x$@C كعامل مضاد للبكتيريا متعدد الاستخدامات مع آليات مميزة مصممة لتناسب أهداف بكتيرية مختلفة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58061-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40121200
Publication Date: 2025-03-22
Author(s): Yanling You et al.
Primary Topic: Bacterial biofilms and quorum sensing
Overview
The research highlights the development of a novel antibacterial strategy utilizing a bacterial cell wall-specific nanocomposite, referred to as TiO_x @C, which combines a carbon substrate with titanium oxide (TiO_x) dots. This approach aims to address the challenge of antimicrobial resistance (AMR) by achieving a balance between strain specificity and broad-spectrum efficacy. The unique fiber-like structure of TiO_x @C allows it to penetrate the membrane of Pseudomonas aeruginosa while being ineffective against the thicker cell wall of Staphylococcus aureus, thereby demonstrating targeted antibacterial action.
Experimental results indicate that TiO_x @C exerts a dual mechanism of action: it disrupts the electron transport chain of S. aureus, effectively blocking its energy supply, while simultaneously inflicting mechanical damage and inducing oxidative stress in P. aeruginosa. In vivo studies further validate the effectiveness of TiO_x @C, showing a 97% reduction in bacterial load in infected wounds of female mice, alongside enhanced wound healing. This research presents TiO_x @C as a promising non-antibiotic therapeutic option for combating bacterial infections, particularly in the context of rising AMR challenges.
Methods
In this section, the authors detail the materials utilized in their research, emphasizing the procurement of various chemicals and biological reagents essential for their experimental procedures. The primary material, Ti₃AlC₂ powder, was sourced from XFNANO Materials Tech Co., Ltd., with a purity of at least 95 wt%. A range of other reagents, including hydrofluoric acid (HF), N-methylpyrrolidone (NMP), ethanol, and hydrogen peroxide (H₂O₂), were acquired from Adamas Reagent Chemical Co., Ltd., while iodonitrotetrazolium chloride (INT) and Methylene blue (MB) were obtained from Aladdin Scientific Co., Ltd.
Additionally, the authors listed various kits and solutions critical for their assays, such as bacterial live/dead staining kits, DCFH-DA, CCK-8, and Calcein-AM/PI assays from Keygen Biotech Co., Ltd., and an ATP Assay Kit from Beyotime Biotech Co., Ltd. The media used for cell culture, including Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM) and RPMI 1640, were sourced from iCell Bioscience Co., Ltd., with fetal bovine serum (FBS) and other supplements obtained from Gibco. All chemicals were employed in their original form without additional purification, ensuring the integrity of the experimental results.
Results
The results of the study detail the synthesis and characterization of TiO$_x$@C nanocomposites derived from Ti$_3$C$_2$ nanosheets through a chemical exfoliation method followed by oxidation with H$_2$O$_2$. Transmission electron microscopy (TEM) revealed that the resulting TiO$_x$@C features a silk-like carbon layer with uniformly distributed TiO$_x$ dots ranging from 2 to 5 nm. Stability tests indicated that the morphology and composition of TiO$_x$@C remained unchanged in aqueous solutions for up to 30 days, demonstrating excellent dispersion in various media, which suggests its potential as a nanomedicine for antimicrobial applications.
Characterization techniques such as high-resolution TEM, energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), and X-ray diffraction (XRD) confirmed the uniform distribution of Ti, O, and C elements within the nanocomposite, while Raman spectroscopy indicated the transformation of Ti$_3$C$_2$ to TiO$_x$@C, with the disappearance of characteristic peaks associated with the precursor. Electron paramagnetic resonance (EPR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyses confirmed the presence of oxygen vacancies and multivalent titanium states, respectively. Additionally, density functional theory (DFT) calculations suggested that the structural evolution enhances the electrical conductivity of TiO$_x$@C, as evidenced by lower electrochemical impedance, indicating improved electron transport capabilities compared to Ti$_3$C$_2$.
Discussion
The antibacterial efficacy of TiO$_x$@C was evaluated against Staphylococcus aureus (S. aureus) and Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa), demonstrating broad-spectrum, concentration-dependent activity. At a concentration of 100 μg/mL, TiO$_x$@C inhibited the growth of S. aureus by 57.3% and P. aeruginosa by 64.9%, with minimum inhibitory concentrations (MIC50) of 100 μg/mL and MIC90 of 200 μg/mL for both bacteria. Notably, prolonged exposure to TiO$_x$@C did not induce bacterial resistance, suggesting its potential as a sustainable antibacterial agent. The study also highlighted the unique electron-donating properties of TiO$_x$@C, which, alongside its structural characteristics, contributed to its antimicrobial activity by disrupting bacterial cell walls and electron transport chains.
Further analysis revealed that TiO$_x$@C exhibited distinct mechanisms of action against the two bacterial strains. For S. aureus, the interaction was primarily through entanglement with the thick peptidoglycan layer, leading to disruption of the electron transport chain and ATP synthesis, ultimately causing bacterial death. In contrast, TiO$_x$@C was able to penetrate the thinner cell wall of P. aeruginosa, resulting in significant morphological changes and oxidative stress responses. Transcriptomic analysis indicated that TiO$_x$@C treatment led to downregulation of genes associated with energy metabolism in S. aureus, while P. aeruginosa exhibited an upregulation of oxidative stress response genes. These findings underscore the potential of TiO$_x$@C as a versatile antibacterial agent with distinct mechanisms tailored to different bacterial targets.