CC BY
33
Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2019. Т. 19, вып. 3
УДК 577.344.3:579.61:666.1.056
Антимикробное фотодинамическое воздействие с использованием покрытий на основе наночастиц металлов ОД, А^
Е. С. Тучина, Г. А. Гвоздев, И. Д. Кособудский, W.-C. Shih, В. В. Тучин
Тучина Елена Святославна, кандидат биологических наук, доцент кафедры биохимии и биофизики, Саратовский национальный исследовательский государственный универститет имени Н. Г. Чернышевского, [email protected]
Гвоздев Герман Александрович, аспирант Физико-технического института, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., [email protected]
Кособудский Игорь Донатович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры химии и химической технологии материалов Физико-технического института, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., [email protected]
Shih Wei-Chuan, Associate Professor, Department of Electrical and Computer Engineering, Biomedical Engineering, Materials Science & Engineering, and Chemistry, University of Houston, Texas, USA, [email protected]
Тучин Валерий Викторович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры оптики и биофотоники, Саратовский национальный исследовательский государственный универститет имени Н. Г. Чернышевского, [email protected]
Исследовано сочетанное влияние покрытий на основе нано-частиц металлов Ag, Au и ультрафиолетового (365 нм, УФИ) и инфракрасного (808 нм, ИКИ) излучений на бактерии Staphylococcus aureus 209 P. Инкубация взвесей микроорганизмов на поверхности стекол с нанопокрытиями в течение 1 ч не приводила к существенному сокращению числа КОЕ - уменьшение численности показано на 2% в случае с серебряными покрытиями и на 8% - c золотыми. Однако облучение ИКИ бактериальных суспензий вызывало гибель 43% популяции после 5 мин, 86% популяции - после 30 мин. Снижение численности исследуемых микроорганизмов отмечено на 21% после 5 мин и на 75% после 30 мин воздействия серебряных нанопокрытий в сочетании с экспозицией УФИ (365 нм). Уменьшение числа бактериальных клеток на поверхности золотых нанопокрытий происходило на 63% после 5 мин и на 99% - после 30 мин воздействия ИКИ (808 нм). Большая антибактериальная эффективность комбинации золотых нанопокрытий и ИКИ может быть объяснена большей плотностью мощности излучения, а также большей чувствительностью микроорганизмов к фототермическому воздействию.
Ключевые слова: фотодинамическое воздействие, нанопо-крытие, наночастицы, Ag, Au, УФ, 365 нм, ИК, 810 нм, микроорганизмы, S. aureus.
DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9775-2019-19-3-322-325
Введение
Разработка биоактивных покрытий, сочетающих в себе несколько свойств, активно ведется научным сообществом в последние годы. Различные модификации наночастиц благородных металлов позволяют создавать покрытия с настраиваемыми характеристиками [1—6].
Немалый интерес представляет использование подобных материалов для снижения численности условно-патогенных или уничтожения патогенных микроорганизмов. Угнетение роста таких микроорганизмов, как Escherichia coli, Enterococcus faecalis, Streptococcus mutans, Listeria monocytogenes, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella enterica, Bacillus subtilis, достигалось при сочетании действия оптического излучения и фотодинамической активности наночастиц в составе покрытий [6—9].
В связи с вышесказанным представляло интерес проанализировать антимикробные свойства новых нанопокрытий с ионами Ag и Au в сочетании с оптическим излучением для подавления бактерий одного из наиболее значимых клинических видов — Staphylococcus aureus.
Материалы и методы
В работе использовали два типа образцов, содержащих наночастицы серебра (Ag) или наночастицы золота (Au). Синтез нанопокры-тий серебра проводили по схеме, описанной ранее, процедура получения нанопокрытий золота и основные характеристики изложены в работе.
В качестве объекта исследования выбрали типовой штамм S. aureus 209 P (ГИСК им. Л. А. Тарасевича, Москва). Выращивание микроорганизмов проводили при температуре 37° С на универсальной плотной питательной среде (ГРМ-агар, Оболенск, Россия).
Оптические параметры источников лазерного излучения представлены в таблице.
Взвесь микроорганизмов в объеме 0,1 мл (104 м.к./мл) наносили на поверхность контрольных стекол и стекол с нанопокрытиями. Контрольные образцы (100%) инкубировали при
© Тучина Е. С., Гвоздев Г. А., Кособудский И. Д., 5hih W.-C, Тучин В. В., 2019
Источники излучения, использованные в работе Sources of radiation used in the work
Условные обозначения / Legend Максимум испускания, нм / Emission maximum, nm Плотность мощности, мВт/см2 / Power density, mW/cm2 Тип излучения / Type of radiation
УФИ/UVR 365 8 Светодиодное / Light emited diod
ИКИ / IRR 808 400 Лазерное / Laser
25° С в течение 1 ч без доступа света; далее 0,1 мл суспензии со стекла переносили на поверхность плотной питательной среды. Экспериментальные образцы помещали под источник излучения, экспозиция составляла 5, 10, 15 и 30 мин. После воздействия взвеси бактерий переносили на чашки Петри с плотной питательной средой и равномерно распределяли по поверхности стерильным шпателем. Учет результатов проводили путем подсчета числа колониеобразующих единиц (КОЕ) через 24-48 ч после инкубации при 37° С. Каждый эксперимент проводили в десятикратной повторности. Для статистической обработки экспериментальных данных использовали программу Microsoft Ехсе1 2010.
Результаты и их обсуждение
Представляло интерес изучение реакции микроорганизмов на действие УФ (365 нм) и ИК (808 нм) излучений (рисунок). Показано, что в течение первых 5 мин экспозиции УФИ вызывает гибель 10% бактериальной популяции, в то время как ИКИ приводит к снижению численности на 43%. В дальнейшем эта тенденция сохраняется, к 30 мин облучения УФИ число КОЕ сокращается на 51%, при использовании ИКИ - на 86%.
Существенное усиление фотодинамического эффекта отмечено при инкубации взвесей микроорганизмов на поверхности стекол с на-
150 Ё У 100 NO w" О 50 ц Г « и 365 нм /nm 3365 нм /nm + Ag
и 0 5 10 15 30 Время, мин / Time, min
а/а
15 30
Время, мин / Time, min
б/b
Изменение числа КОЕ S. aureus 209 P при инкубации на поверхности стекол с нанопокрытиями The change in the number of CFU S. aureus 209 P during incubation on the surface of glasses with nanocoatings
Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2019. Т. 19, вып. 3
нопокрытиями. Сочетание серебряного нанопо-крытия и УФИ приводило к последовательному сокращению численности популяции на 21, 42, 57, 75% при экспозиции в течение 5, 10, 15, 30 мин (см. рисунок, а).
Комбинация ИКИ с золотым нанопокрыти-ем демонстрировала выраженное угнетающее действие в отношении исследуемых микроорганизмов. Уже после 10 мин облучения снижение числа КОЕ отмечено на 80%, а к 30 мин облучения данный показатель снижался на 99% (см. рисунок, б).
В работе были использованы два типа источников оптического излучения - светодиод с максимумом испускания 365 нм и лазер с максимумом испускания 808 нм. Недостаточную бактериостатическую активность УФИ в данных экспериментах можно объяснить низкой когерентностью волн, испускаемых светодиодом, и малой плотностью мощности излучения. Однако при инкубации микроорганизмов на поверхности стекол, содержащих в качестве фотодинамических объектов наноча-стицы серебра, удавалось повысить эффективность АФДВ на 50%. Сочетание лазерного ИКИ с плотностью мощности 400 мВт/см2 с покрытиями, содержащими золотые нанодиски, имело ярко выраженное бактерицидное действие (гибель 99% бактериальной популяции). Несмотря на явное преимущество комбинации ИКИ + Аи перед УФИ + А§, механизмы взаимодействия наночастиц в исследованных покрытиях ключевым образом отличаются. В случае УФИ + Ag антибактериальный эффект достигается в ходе фотодинамической реакции и при образовании активных радикалов, в случае с ИКИ + Аи основное действие принадлежит локальному, даже точечному нагреванию области контакта бактериальных клеток с золотыми нанодисками.
Список литературы
1. Palza H., Escobar B., Bejarano J., Bravo D., Diaz-Dosque M., Perez J. Designing antimicrobial bioactive glass materials with embedded metal ions synthesized by the sol-gel method // Materials Science and Engineering: C. 2013. Vol. 33, iss 7. P. 3795-3801.
2. Jadalannagari S., Deshmukh K., Ramanan S. R., Kow-shikM. Antimicrobial activity of hemocompatible silver doped hydroxyapatite nanoparticles synthesized by modified sol-gel technique // Applied Nanoscience. 2014. Vol. 4, iss. 2. P. 133-141.
3. Meeker D. G, Jenkins S. V., Miller E. K., Beenken K. E., Loughran A. J., Powless A., Muldoon T. J., Galan-zha E. I., Zharov V. P., SmeltzerM. S., Chen J. Synergistic Photothermal and Antibiotic Killing of Biofilm-Associ-ated Staphylococcus aureus Using Targeted Antibiotic-Loaded Gold Nanoconstructs // ACS Infect. Dis. 2016. Vol. 2, iss. 4. P. 241-250.
4. HamblinM. R. Mechanisms and applications of the antiinflammatory effects of photobiomodulation // AIMS Biophys. 2017. Vol. 4. P. 337-361.
5. Penders J., Stolzoff M., Hickey D. J., Andersson M., Webster T. J. Shape-dependent antibacterial effects of non-cytotoxic gold nanoparticles // Int. J. of Nanomedi-cine. 2017. Vol. 12. P. 2457-2468.
6. Paiva L., Fidalgo T., Costa L. da, Maia L., Balan L., Anselme K., Ploux L., Thire R. Antibacterial properties and compressive strength of new one-step preparation silver nanoparticles in glass ionomer cements (NanoAg-GIC) // J. Dent. 2018. Vol. 69. P. 102-109.
7. Wang S. G., Chen Y. C. Antibacterial gold nanoparticle-based photothermal killing of vancomycin-resistant bacteria // Nanomedicine. 2018. Vol. 13. P. 14051416.
8. Тучина Е. С., Гвоздев Г. А., Кособудский И. Д. Изучение антибактериальных свойств покрытий на основе наночастиц металлов (Ag, Zn) в матрице диоксида кремния // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2018. Т. 18, вып. 2. С. 211-215. DOI: 10.18500/1816-9775-2018-18-2-211-215
9. Santos G. M., De Santi Ferrara F. I., Zhao F., Rodrigues D. F., Shih W. C. Photothermal inactivation of heat-resistant bacteria on nanoporous gold disk arrays // Opt. Mater. Express. 2016. Vol. 6. P. 1217-1229.
Образец для цитирования:
Тучина Е. С., Гвоздев Г. А., Кособудский И. Д., 8ЫЬ Ш.-С., Тучин В. В. Антимикробное фотодинамическое воздействие с использованием покрытий на основе наночастиц металлов (Ag, Аи) // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2019. Т. 19, вып. 3. С. 322-325. БО!: https://doi.org/10.18500/1816-9775-2019-19-3-322-325
Antimicrobial Photodynamic Effects Using Coatings Based on Metal Nanoparticles (Ag, Au)
E. S. Tuchina, G. A. Gvozdev, I. D. Kosobudskiy, W.-C. Shih, V. V. Tuchin
Elena S. Tuchina, https://orcid.org/0000-0003-4498-2846, Saratov State University, 83 Astrakhanskaya St., Saratov 410012, Russia, [email protected]
German A. Gvozdev, https://orcid.org/0000-0003-3251-6565, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, 77 Politechnicheskaya St., Saratov 410054, Russia, [email protected]
Igor D. Kosobudskiy, https://orcid.org/0000-0002-5970-3857, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, 77 Politechnicheskaya St., Saratov 410054, Russia, [email protected]
Wei-Chuan Shih, University of Houston, Texas, Houston, Eng. Bldg. 1 N 308, 77204, USA, [email protected]
324
Научный отдел
Valeriy V. Tuchin, https://orcid.org/0000-0001-7479-2694, Saratov State University, 83 Astrakhanskaya St., Saratov 410012, Russia, [email protected]
The combined effect of coatings based on nanoparticles of metals Ag, Au, ultraviolet (365 nm, UVR) and infrared (808 nm, IRR) radiation on Staphylococcus aureus 209 P was studied. Decrease in numbers was shown by 2% in the case of silver coatings and by 8% in the case of gold coatings after 1 h incubation. However, exposure of the IRR to bacterial suspensions caused the death of 43% of the population after 5 min, 86% of the population after 30 min. The decrease in the number of the studied microorganisms was measured as 21% after 5 min and by 75% after 30 min of exposure to silver nanocoatings in combination with UVR (365 nm). The decrease in the number of bacterial cells on the surface of gold nanocoatings was 63% and occurred after 5 min and was 99% after 30 min of exposure to IRR (808 nm). The high antibacterial efficacy of a combination of gold nanocoatings and IRR can be explained by a higher density of radiation power, as well as a greater sensitivity of microorganisms to photothermal effects. Keywords: photodynamic effect, nanocoating, nanoparticles, Ag, Au, UV, 365 nm, IR, 810 nm, microorganisms, S. aureus.
References
1. Palza H., Escobar B., Bejarano J., Bravo D., Diaz-Dosque M., Perez J. Designing antimicrobial bioactive glass materials with embedded metal ions synthesized by the sol-gel method. Materials Science and Engineering: C, 2013, vol. 33, iss 7, pp. 3795-3801.
2. Jadalannagari S., Deshmukh K., Ramanan S. R., Kow-shik M. Antimicrobial activity of hemocompatible silver doped hydroxyapatite nanoparticles synthesized by modified sol-gel technique. Applied Nanoscience, 2014, vol. 4, iss. 2, pp. 133-141.
3. Meeker D. G., Jenkins S. V, Miller E. K., Beenken K. E., Loughran A. J., Powless A., Muldoon T. J., Galan-zha E. I., Zharov V. P., Smeltzer M. S., Chen J. Synergistic Photothermal and Antibiotic Killing of Biofilm-Associated Staphylococcus aureus Using Targeted Antibiotic-Loaded Gold Nanoconstructs. ACS Infect. Dis, 2016, vol. 2, iss. 4, pp. 241-250.
4. Hamblin M. R. Mechanisms and applications of the anti-inflammatory effects of photobiomodulation. AIMS Biophys, 2017, vol. 4, pp. 337-361.
5. Penders J., Stolzoff M., Hickey D. J., Andersson M., Webster T. J. Shape-dependent antibacterial effects of non-cytotoxic gold nanoparticles. Int. J. of Nanomedi-cine, 2017, vol. 12, pp. 2457-2468.
6. Paiva L., Fidalgo T., Costa L. da, Maia L., Balan L., Anselme K., Ploux L., Thire R. Antibacterial properties and compressive strength of new one-step preparation silver nanoparticles in glass ionomer cements (NanoAg-GIC). J. Dent, 2018, vol. 69, pp. 102-109.
7. Wang S. G., Chen Y. C. Antibacterial gold nanoparticle-based photothermal killing of vancomycin-resistant bacteria. Nanomedicine, 2018, vol. 13, pp. 14051416.
8. Tuchina E. S., Gvozdev G. A., Kosobudskiy I. D. The Study of Antibacterial Properties of Coatins Based on Metal (Ag, Zn) Nanoparticles in Silicon Dioxide Matrix. Izv. Saratov Univ. (N. S.), Ser. Chemistry. Biology. Ecology, 2018, vol. 18, iss. 2, pp. 211-215 (inRussian). DOI: 10.18500/1816-9775-2018-18-2-211-215.
9. Santos G. M., De Santi Ferrara F. I., Zhao F., Rodrigues D. F., Shih W. C. Photothermal inactivation of heat-resistant bacteria on nanoporous gold disk arrays. Opt. Mater. Express., 2016, vol. 6, pp. 1217-1229.
Cite this article as:
Tuchina E. S., Gvozdev G. A., Kosobudskiy I. D., Shih W.-C., Tuchin V. V. Antimicrobial Photodynamic Effects Using Coatings Based on Metal Nanoparticles (Ag, Au). Izv. Saratov Univ. (N. S.), Ser. Chemistry. Biology. Ecology, 2019, vol. 19, iss. 3, pp. 322-325 (in Russian). DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9775-2019-19-3-322-325
