Antibakteriální působení nanočástic

Transkript

1 Antibakteriální působení nanočástic Klady a zápory 1

2 Obsah Motivace Toxicita nanočástic Vlivy, měření toxicity, adaptace organismu Antibakteriální působení Ekotoxicita 2

3 Použití & potřeba baktericidů Čištění vody (Dejvice) Textil (ložní prádlo, ponožky, ) Pračky, čisticí přípravky Dezinfekce (nemocnice, laboratoř) Chladničky, potravinářský průmysl a jiné /License/14/images/main.jpg 3

4 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) Zatím nezjištěné vybudování rezistence u bakterií Tvorba biofilmu. Zdroj: [1] 4

5 Adaptace mikrobů vznik biofilmu 5

6 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) Mechanismus cytotoxicity nanočástic na bakterii. Zdroj: [1] 6

7 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-) TiO 2, Ag, Au, ZnO, CuO, Al 2 O 3, 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] Funkcializované NPs (SPIONs). Zdroj: [1] 7

8 Vlivy na toxicitu nanočástic Morfologie částic Složení + adsorbanty Koncentrace ~reaktivita povrchu + množství Různé tvary nanočástic. Zdroj: 8

9 Morfologie Povrch/hmota (SSA-spec.surf.area) 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) 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. 9

10 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 10

11 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 Chybí rozsáhlejší výzkum dopadů (stále rostoucí) produkce nanočástic na životní prostředí 11

12 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) NanoAg únik do odpadních vod [10] 2) dichloran dioxiny (jedy) stačí o 1 až 2 řády nižší koncentrace Toxicita pro nižší formy života (např. okřehek, danio pruhované, ) Vychytávání v lidském těle játra, slezina, ledviny Produkty obsahující triclosan. Zdroj: 12

13 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 13

14 Aplikačních směry prostor k diskusi Lékařství Textilní průmysl Stříbro Ložní prádlo Nemocniční infekce, popáleniny, pooperační infekce (kloubní náhrady) Vyšší potřeba konzumace antioxidantů u pacientů Roztoči, mikrobi Ponožky a spodní prádlo Zápach Čištění vody Potravinářství Velmi problematická ochrana před únikem do odpadních vod Ochrana potravin (fólie, dózy s vrstvou Ag NPs) Chladničky (vnitřní nátěr) Drogerie Čisticí prostředky Zubní pasty, ústní voda Děkuji za pozornost 14

15 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), ]. Trends in Biotechnology [online]. 2013, roč. 31, č. 1, s [vid. 24. květen 2015]. ISSN Dostupné z: doi: /j.tibtech [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 [vid. 24. květen 2015]. ISSN Dostupné z: doi: /am507919m [3] LOUIS, Dr Catherine a Olivier PLUCHERY. Gold Nanoparticles for Physics, Chemistry and Biology. B.m.: World Scientific, ISBN [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 [vid. 24. květen 2015]. ISSN Dostupné z: doi: /am [5] Escherichia coli [online] [vid. 24. květen 2015]. Dostupné z: [6] NOHAVICA, D. Rizika nanomateriálů a nanotechnologií pro lidské zdraví a životní prostředí. Československý časopis pro fyziku. 2011, roč. 61, č. 3-4, s [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 ISSN [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 [vid. 19. červen 2014]. ISSN Dostupné z: doi: /jp [10] Triclosan [online] [vid. 24. květen 2015]. Dostupné z: 15