Antibakteriální působení nanočástic Klady a zápory
Richard Schuster
FJFI ČVUT v Praze
25.5.2015
1
Obsah
Toxicita nanočástic
Vlivy, měření toxicity, adaptace organismu
Antibakteriální působení
Richard Schuster
Motivace
FJFI ČVUT v Praze
Ekotoxicita
25.5.2015
2
Použití & potřeba baktericidů
Čištění vody (Dejvice)
Textil (ložní prádlo, ponožky, …)
Pračky, čisticí přípravky
Dezinfekce (nemocnice, laboratoř)
Chladničky, potravinářský průmysl
… a jiné
http://www.nanomark.org.tw/Eng /License/14/images/main.jpg Richard Schuster
FJFI ČVUT v Praze
25.5.2015
3
Adaptace mikroorganismů
Bakterie
Rezistence vůči antibiotikům [1,2]
Rychlá regenerační doba (E.coli)
Tvorba odolného biofilmu (vegetativní stádium)
Odolnější než samostatné bakterie
Proč nanočástice?
Zvýšená efektivita proti biofilmu (funkcializované NPs - s vhodnou povrchovou úpravou)
Tvorba biofilmu. Zdroj: [1]
Zatím nezjištěné vybudování rezistence u bakterií
Richard Schuster
FJFI ČVUT v Praze
25.5.2015
4
Adaptace mikrobů – vznik biofilmu
Richard Schuster
FJFI ČVUT v Praze
25.5.2015
5
Toxicita
Vlastnost vyvolávající poškození organismu či jeho části
Cytotoxicita - schopnost ničit buňky a buněčné struktury
Poškození cytoplazmatické membrány, degradace cytoskeletu [3]
Apoptóza/nekróza
Oxidativní stres (uvnitř buňky) [1]
Degradace proteinů, lipidů, DNA
např. Ag naruší membránu a naváže se na S, O a N v makromolekulách uvnitř bakterie
Jinými přístupy (hypertermie via LSPR)
Richard Schuster
FJFI ČVUT v Praze
Mechanismus cytotoxicity nanočástic na bakterii. Zdroj: [1]
25.5.2015
6
Toxicita
Nanočástice (NPs) mohou být cíleně toxické pro určité typy bakterií (např. modifikací povrchu částic) [1,2]
Dělení bakterií: Gram-pozitivní (G+), Gram-negativní (G-)
TiO2, Ag, Au, ZnO, CuO, Al2O3, MWCNT, multifunkční nanokompozity [4], SPIONs (Super-Paramagnetic Iron Oxide Nanoparticles)
Funkcionalizace nanočástic
proti biofilmům a vysoce odolným druhům bakterií
E.coli* (G-), Staphylococcus aureus (G+)
*Infekce způsobené E.coli – rezistence na antibiotika [1,5] Richard Schuster
FJFI ČVUT v Praze
Funkcializované NPs (SPIONs). Zdroj: [1]
25.5.2015
7
Vlivy na toxicitu nanočástic
Morfologie částic
Složení + adsorbanty
Koncentrace
Různé tvary nanočástic. Zdroj: http://www.futurenanoneeds.eu/wpcontent/uploads/2014/02/CBNI_library_of_nanoparticle_shapes_ZK.png
~reaktivita povrchu + množství
Richard Schuster
FJFI ČVUT v Praze
25.5.2015
8
Morfologie
Povrch/hmota (SSA-spec.surf.area)
Reaktivita se silně odvíjí od efektivního povrchu – poměr povrchu ku objemu. Ten u nanočástic rapidně roste s klesající velikostí. Nejnižší reaktivitu vykazují při stejném objemu a složení kulové nanočástice, které však nejsnáze pronikají do buněk difuzí. Tento jev je často žádaný (zobrazovací techniky).
Vliv na toxicitu má i agregace částic, ta často vede ke ztrátě kýžených vlastností (LSPR, reaktivita). Proto se pomocí stabilizačních činidel (surfaktantů) agregaci předchází.
Roste reaktivita s poměrem povrchu ku hmotě (objemu) [6, 7]
Tvar (vliv hran)
Kulový tvar – snáze do buněk, ale méně reaktivní
Ostré hrany – vyšší reaktivita i možnost
mechanického poškození membrán [8,9]
Velikost
Vliv agregace [6]
Menší rozměr – snazší difuze do buněk, vyšší reaktivita (~SSA)
Richard Schuster
FJFI ČVUT v Praze
25.5.2015
9
Složení
Materiál nanočástic
Stříbro antibakteriální x zlato inertní
Adsorbanty
Kyslík (ox.stres), ligandy (náboj), …
{low TP* AuNP + CTAB = high TP AuNP@CTAB}
Afinita
NPs k molekul. skupinám
Např:
zlato – thioly (sirné alkoholy) [3] stříbro– sloučeniny S, N, O [1]
*TP=toxic profile Richard Schuster
FJFI ČVUT v Praze
25.5.2015
10
Porovnání rizik
Vývoj nanočástic s baktericidními vlastnostmi
→ postupné nahrazování současných baktericidů
Nutné porovnat rizika produkce a užívání běžných baktericidů a NPs
Možnost úniku do živ. prostředí
Richard Schuster
Chybí rozsáhlejší výzkum dopadů (stále rostoucí) produkce nanočástic na životní prostředí
FJFI ČVUT v Praze
25.5.2015
11
Porovnání rizik - konkrétně
Nanostříbro vs. triclosan
Triclosan (užívaný baktericid a fungicid)
Mýdlo, zubní pasta, deodorant, ústní voda, krém na holení, čisticí prostředky
Kuchyňské nástroje, ložní prádlo, hračky, ponožky, …
Triclosan+Cl →
1) chloroform (karcinogen) 2) dichloran → dioxiny (jedy)
únik do odpadních vod [10]
NanoAg
stačí o 1 až 2 řády nižší koncentrace
Toxicita pro nižší formy života
pruhované, …)
Vychytávání v lidském těle
Richard Schuster
FJFI ČVUT v Praze
(např. okřehek, danio Produkty obsahující triclosan. Zdroj: http://allergiesandyourgut.com/
– játra, slezina, ledviny
25.5.2015
12
Problematika stanovení toxicity
Rozdíl in vivo a in vitro [6]
In vivo komplexnější – možnost přímé kontaminace vs. možnost koagulace/agregace částic
Rozdíl nano a bulk [6]
Potřeba nových způsobů stanovení toxicity
Richard Schuster
FJFI ČVUT v Praze
25.5.2015
13
Aplikačních směry – prostor k diskusi
Lékařství
Stříbro
Nemocniční infekce, popáleniny, pooperační infekce (kloubní náhrady)
Vyšší potřeba konzumace antioxidantů u pacientů
Čištění vody
Textilní průmysl Ložní prádlo
Ponožky a spodní prádlo
Velmi problematická ochrana před únikem do odpadních vod
Roztoči, mikrobi
Zápach
Potravinářství
Ochrana potravin (fólie, dózy s vrstvou Ag NPs)
Chladničky (vnitřní nátěr)
Drogerie
Čisticí prostředky
Zubní pasty, ústní voda
Děkuji za pozornost Richard Schuster
FJFI ČVUT v Praze
25.5.2015
14
Reference [1] HAJIPOUR, M. J., K. M. FROMM, A.A. ASHKARRAN, D. J. de ABERASTURI, I.R. de LARRAMENDI, T. ROJO, V. SERPOOSHAN, W. J. PARAK a M. MAHMOUDI. Erratum: Antibacterial properties of nanoparticles: [Trends in Biotechnology 30 (2012), 499–511]. Trends in Biotechnology [online]. 2013, roč. 31, č. 1, s. 61–62 [vid. 24. květen 2015]. ISSN 0167-7799. Dostupné z: doi:10.1016/j.tibtech.2012.10.007 [2] LAI, H.-Z., W.-Y. CHEN, C.-Y. WU a Y.-C. CHEN. Potentialy Antibacterial Nanoparticles for Pathogenic Bacteria. ACS Applied Materials & Interfaces [online]. 2015, roč. 7, č. 3, s. 2046–2054 [vid. 24. květen 2015]. ISSN 1944-8244. Dostupné z: doi:10.1021/am507919m [3] LOUIS, Dr Catherine a Olivier PLUCHERY. Gold Nanoparticles for Physics, Chemistry and Biology. B.m.: World Scientific, 2012. ISBN 9781848168060. [4] TIAN, T., X. SHI, L. CHENG, Y. LUO, Z. DONG, H. GONG, L. XU, Z. ZHONG, R. PENG a Z. LIU. Graphene-Based Nanocomposite As an Effective, Multifunctional, and Recyclable Antibacterial Agent. ACS Applied Materials & Interfaces [online]. 2014, roč. 6, č. 11, s. 8542–8548 [vid. 24. květen 2015]. ISSN 1944-8244. Dostupné z: doi:10.1021/am5022914 [5] Escherichia coli [online]. 2015 [vid. 24. květen 2015]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Escherichia_coli&oldid=663530645
[6]
NOHAVICA, D. Rizika nanomateriálů a nanotechnologií pro lidské zdraví a životní prostředí. Československý časopis pro fyziku. 2011, roč. 61, č. 3 - 4, s. 220 - 227 [7] POPOV, A.M, Y. E. LOZOVIK, S. FIORITO a L’H. YAHIA. Biocompatibility and applications of carbon nanotubes in medical nanorobots. International Journal of Nanomedicine. 2007, roč. 2, č. 3, s. 361–372. ISSN 1176-9114. [8]
Micha SPIRA, Romana SCHIRHAGL - Konference Nanodiamonds & Beyond pořádaná FBMI, duben 2015
[9] PARAB, H. J., H. M. CHEN, T.-C. LAI, J.H. HUANG, P.H. CHEN, R.-S. LIU, M. HSIAO, C.-H. CHEN, D.-P. TSAI a Y.-K. HWU. Biosensing, Cytotoxicity, and Cellular Uptake Studies of Surface-Modified Gold Nanorods. The Journal of Physical Chemistry C [online]. 2009, roč. 113, č. 18, s. 7574–7578 [vid. 19. červen 2014]. ISSN 1932-7447. Dostupné z: doi:10.1021/jp9000169 [10]
Triclosan [online]. 2015 [vid. 24. květen 2015]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Triclosan&oldid=12435042
Richard Schuster
FJFI ČVUT v Praze
25.5.2015
15
