Визуализация взаимодействия неорганических наночастиц и бактерий или грибов

Int J Наномедицина. 2010; 5: 1085-1094.
. Опубликовано на сайте 2010 6 декабря в подборку: 10.2147/IJN.S13532
PMCID: PMC3023237

Андре Хвалибог , 1 Эва Sawosz , 2 Анна Hotowy , 1 Яцек Шелига , 2 Станислав Mitura , 3 Катажина Mitura , 3 Марта Grodzik , 2 Петр Орловский , 2 и Александра Соколовска 4
Информация об авторе ► Авторские права и лицензии ►
Эта статья была цитируется других статей PMC.
Перейти к:
Абстрактный
Цель

Целью настоящего исследования была оценка морфологических характеристик самостоятельных агрегатов алмаза (нано-D), серебро (нано-Ag), золота (нано-Au) и платины (нано-Pt) наночастицы с золотистого стафилококка ( бактерии) и Candida Albicans (грибы), чтобы определить возможность строительства микроорганизм-наночастиц транспортных средств.

Методика

Гидроколлоиды отдельных наночастиц были добавлены к суспензии S. стафилококк и С. Albicans . Сразу после смешивания образцы проверены просвечивающей электронной микроскопии.

Результаты

Визуализация морфологического взаимодействия между наночастицами и микроорганизмов показал, что нано-D, которые являются диэлектрики и демонстрируют положительный дзета-потенциал, очень отличались от мембранных потенциалов микроорганизмов, и равномерно окружен микроорганизмы, не вызывая видимых повреждений и разрушение клеток . Все металлические наночастицы с отрицательной дзета-потенциала было разрушительных свойств ячеек. Нано-Ag показал свойства самоорганизации с клетками, распадающихся клеточных стенок и цитоплазматических мембран и выделяющее вещество (вероятно цитоплазмы) вне клетки. Организация нано-Au с микроорганизмами не создать систему самоорганизации, но вместо этого «бесконтактные» взаимодействие между наночастицами и микроорганизмов наблюдалось привести к повреждению клеток грибов. Нано-Pt вызвало оба микроорганизмы выпустить вещество вне клетки и распался цитоплазматической мембраны и клеточной стенки.

Вывод

Нано-Ag, нано-Au, и нано-Pt (все металлические наночастицы) вредны для бактерий и грибков. В противоположность этому, нано-D связываются близко к поверхности микроорганизмов, не вызывая видимых повреждений клеток, и демонстрирует хорошую способность самосборки. Результаты показывают, что оба микроорганизмы могут быть использованы в качестве потенциальных носителей для нано-D.

Ключевые слова: наночастицы, алмаз, серебро, золото, платина, золотистый стафилококк , Candida Albicans , морфология
Перейти к:
Введение
Целевые методы наркотиков транспортные являются ключевыми методы их просматривали в медицине. Терапии рака, в частности, требуется новая технология для доставки лекарств точно, быть нетоксичными для других тканей, с возможностью замедленного высвобождения активных веществ, а также к клеткам-мишеням. Микроорганизмы отличаются чрезвычайной потенциал двигаться, выжить безопасно, и поселиться в точно запрограммированные участках тела. 1 — 3 золотистый стафилококк отшелушивает эпидермиса слои и локализует в коже, 4 , а также могут проникать легкие, кровь, суставы и кости. 5 — 10 Candida Albicans живет на 75% человеческой популяции и обычно находится в желудочно-кишечном тракте, полости рта, и области половых органов, без вредных последствий. 11 Однако, когда сопротивляемость организма низкий, как в лейкемией, синдром аутоиммунной дефицит, или в реципиентов, С. Albicans . может попасть в кровь и проникают различные органы, вызывая серьезные инфекции 12 — 15

Хорошо известно, что неорганические наночастицы могут выступать в качестве антибактериальных и противогрибковых агентов, и, следовательно, иметь возможность взаимодействовать с микроорганизмами. 16 — 20 Тем не менее, перед использованием микроорганизмов, как средство транспортировки для биологически активных молекул, таких как наночастиц или лекарственных средств, связанных с наночастицы, важно исследовать, как внести молекулы в микроорганизмов. Как уже было описано, как грамотрицательных бактерий может быть использован для построения бактериальных духов, представляющий новый расширенный доставку и ориентации транспортные средства пригодны для доставки гидрофобных или водорастворимых лекарственных средств. 2 , 21 Кроме того, в патогенных грибов, как C. Albicans , некоторые компоненты, связанные с клеточной стенки были определены играть важную роль в грибковый-хозяин взаимодействий. 22

Ранее мы показали, что простым смешиванием наночастиц золота и платины с Salmonella Enteritidis и листерий , процесс самосборки происходит, но с разными морфологическими взаимодействий в зависимости от бактерий и наночастиц, используемых. 23 В настоящем исследовании, другие микроорганизмы и дополнительные наночастицы были выбраны для выяснения дальнейшей возможности построения микроорганизм-наночастиц транспортных средств.

Оказывая свои антибактериальные свойства, наночастицы серебра (нано-Ag) присоединить и якорь на поверхности клетки. Это взаимодействие вызывает структурные изменения и повреждения, заметно нарушая жизнедеятельность клеток, такие как проницаемость, вызывая ямы и пробелы, нажав на активность ферментов дыхательной цепи, и, наконец, приводит к гибели клеток. 20 , 24 — 28 Нано-Ag также ингибировать рост дрожжей 29 , 30 и обладает противогрибковой активностью в отношении различных Candida видов. 19 , 31 Результаты токсикологических анализов не показали цитотоксичность в пробирке наночастиц нано-Ag в концентрациях, достаточных для ингибирования роста микробов, 18 , 32 , но при высоких концентрациях, нано-Ag сделать оказывают цитотоксическое действие на мезенхимальных стволовых клеток человека. 33 Все больше и больше результаты свидетельствуют о молекулярной механизма нано-Ag активности, показывающие, что нано-Ag действовать через генерации активных форм кислорода, 29 приводит к активации белков и индуцировать апоптоз посредством митохондриального путь. 34 IN VIVO измерения в куриных эмбрионах и перепелов показали, что гидроколлоиды из нано-Ag на уровне 50 частей на миллион не повлиять на развитие или стать причиной окислительного повреждения ДНК к эмбрионов 35 или роста перепелов. 36

Наночастицы золота (нано-Au), хорошо известны носители для доставки двухцепочечной ДНК в генной технологии пушки. 37 Было показано, что нано-Au можно локализовать в опухолях пассивным накоплением, из-за повышенной проницаемости и следствия удержания в дырявые сосуды опухолей. 38 — 41 . Процесс таргетинг по нано-Au может свести к минимуму процедурные длительности и побочные эффекты препаратов 42 , 43

Антимикробная активность платины был известен с работой Розенберга, который сообщил его ингибиторной активностью в отношении кишечной палочки дивизии. 44 цисплатин и другие производные, синтезированные из платины были использованы в лечении рака, и действовать путем формирования аддуктов с ДНК и нарушению синтеза ДНК и ремонт. 45 Недавно анализ морфологических эффектов взаимодействия между наночастицами платины (нано-Pt) и S. Enteritidis показали, что нано-Pt были расположены внутри клеток бактерий, демонстрируя, что эти клетки могут быть использованы для доставки нано-Pt и приложить активные вещества с конкретными целями в организме, как обсуждалось ранее. 23

Алмазные наночастицы (нано-D) очень биосовместимых и нетоксичными для клеток человека. 46 , 47 Кроме того, антиокислительные свойства нано-D, через окислительно-восстановительных путей, может улучшить местную природной среды в районах очистных в организме. 48 Кроме того, было показали, что нано-D ингибируют генотоксического и клеточный стресс на молекулярном уровне в организме человека. 49 Nano-D может быть применен в качестве лекарственной изолирующих элементов, и имеют захватывающие перспективы, в том числе и регулируемой длительного времени высвобождения активного вещества. 50 Соответственно, в гистопатологическая и ультраструктурные исследования после трахею нано-D у мышей, никаких негативных последствий в легких не было замечено. Кроме того, не наблюдалось перекисное окисление липидов из легких. 51

В предыдущей статье, 23 мы показали, что в ближайшее время после смешивания нано-Pt с S. Enteritidis , нано-Pt проникает бактериальных клеток и оставался внутри бактерий, даже после промывки и центрифугирования, и что среднее число бактериальных клеток с нано-Pt не изменилась после длительной инкубации. Эти наблюдения показывают, что комплексы, визуализированы вскоре после смешивания, являются стабильными, и что взаимодействие можно наблюдать непосредственно в реальном времени и с минимальным химической (обработки образца) вмешательство. Следовательно, в настоящем исследовании, характеристики самосборки наблюдалось сразу после смешивания наночастиц с микроорганизмами. Цель состояла в том, чтобы определить дополнительные кандидатов на построении микроорганизм-наночастиц автомобили для доставки активных веществ в конкретных задач в организме. Рассмотренные соединения были С. стафилококк и С. Albicans , вместе с наночастицами алмаза, серебра, золота и платины.

Перейти к:
Материалы и методы
Наночастицы

Алмазные наночастицы были получены из биомедицинской инженерии отдела технического университета Lody. Нано-D был получен по методу, описанному на Даниленко 52 с модификацией ампулы свободной синтеза с взрывов в взрывной камеры. Графит был помещен непосредственно в цилиндрического заряда, состоящей из ТНТ-гексогена смеси TG40;. Заряд охватило водяной рубашкой для подавления графитизации и уменьшить скорость выгрузки синтезированного алмаза 53 для экспериментов с микроорганизмами, нано-D суспендировали в Milli-Q воды (Millipore, Billerica, MA) при концентрации 50 частей на миллион. Форма и размер наночастиц были оценены с использованием JEM-2000EX просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) при 200 кэВ (JEOL, Tokyo, Japan), показывая, что размер частиц в диапазоне от 2 до 10 нм ( рис. 1 ).

Изображение
Рисунок 1
Наночастицы с бриллиантами, серебра, золота и платины.
Гидроколлоиды из серебра, золота и платины наночастиц (50 частей на миллион), полученных из Nano-Tech (Варшава, Польша) были произведены с помощью электрического безвзрывного запатентованным способом (Польский патентной 3883399) от высоких металлов чистоты (99,9999%) и высокой чистоты деминерализованной воды. Форма и размер наночастиц были проверены с помощью ПЭМ ( рис. 1 ), показывая, что диаметр частиц был 2-35 нм для Ag, 2-29 нм для Au, и 2-19 нм для Pt.

Дзета-потенциал гидроколлоидами наночастиц и микроорганизмов измеряли методом электрофореза рассеяния света, 54 с использованием Zetasizer Nano ZS, модель ZEN3500 (Малверн Instruments, Вустершир, UK). Каждый образец был измерен после 120 секунд стабилизации при 25 ° С, в 20 повторах. Дзета-потенциал был средний -9,2 мВ (нано-Ag), -1,9 мВ (нано-Au), -9,6 мВ (нано-Pt) и +27 мВ (нано-D). Микроорганизмы были дзета потенциалов между -20 и -27 мВ.

Микроорганизмы

Штаммы были получены из LGC стандартов (Łomianki, Польша). Бактерии напрягать S. стафилококк АТСС 25923 выращивали на trypto-казеина-соевом агаре (BioRad, Сан-Франциско, Калифорния). Грибы штамм C. Albicans АТСС 24433 выращивали на агаре Сабуро (BTL, Lody, Польша). Микроорганизмы были осторожно промывали из агара с использованием стерильной дистиллированной воды. Чтобы удалить жидкие остатки среды, бактерии центрифугировали при 4000 оборотах в минуту в течение пяти минут с использованием центрифуги Эппендорфа MiniSpin и осадок (осадок) снова суспендируют в Milli-Q воды. Чтобы вычислить точный количество микроорганизмов в суспензии, оптическая плотность при 600 нм (OD 600) оценивали по спектрофотометра (Гелиос Эпсилон, Unicam; Термо Spectronic, Мэдисон, Висконсин), и серийные разведения суспензии были подготовлены. Один миллилитр каждого разведения переносили в чашки Петри с агаром. После 24 часов инкубации при 37 ° C, количество колоний оценивалась. По результатам измерений тройных, плотность микробной суспензии OD 600 = 0,140 соответствует 1,95 × 108 КОЕ / мл и при OD 600 = 0,182 соответствует 7,3 × 107 КОЕ / мл для S. стафилококк и С. Albicans , соответственно.

Метод наблюдения

Гидроколлоиды каждого вида наночастицы (200 мкл) были отдельно добавлены к суспензии микроорганизмов (200 мкл). Контрольные образцы микроорганизмов были обработаны с Milli-Q воды. Образцы осторожно перемешивают в течение 15 минут и затем капли образцов были поставлены на формвар покрытием 300 сетки Cu сетей (Агар Научно Ltd, Станстед, Великобритания). Таким образом, осмотрел объект можно было наблюдать после очень короткого времени взаимодействия наночастиц с живыми микроорганизмами. Образцы сушат при комнатной температуре, в стерильных условиях, и наблюдаемые с помощью ПЭМ JEM-2000EX при 200 кэВ (JEOL). Приложенное напряжение было выбрано, чтобы избежать повреждения образца. Разработанный метод позволил непосредственное наблюдение начальной интерфейса между наночастицами и микроорганизмов, особенно в том числе визуализации малых количеств вещества выводится из микроорганизмов.

Перейти к:
Результаты
Экспертиза контрольных микроорганизмов указано некоторые изменения, вызванные применяемых методов (центрифугирования, Milli-Q воды, сушки), но не показали токсикологические или разрушительное изменение ( рис. 2 ).

Изображение
Рисунок 2
Золотистый стафилококк и Candida Albicans . Ни один из токсикологических или разрушительных последствий процедуры не видно.
Морфология взаимодействия нано-D и S. стафилококк представлен в рисунке 3 . Нано-D были прикреплены неспецифически к клеточной стенке, показывающий сродство к пептидогликана слоя. Нано-D можно рассматривать также в клетки и клеточной стенки. При нано-D взаимодействовали с С. Albicans , было отмечено, что алмаз также ассоциируются, в окружении клеток очень тесно. Нано-D была собрана вытекающим веществом, вероятно цитоплазме ( рис. 4 ).

Изображение
Рисунок 3
Взаимодействие между золотистого стафилококка и алмазных наночастиц. Стрелки указывают наночастиц неспецифически прикрепленные к микроорганизмам.
Изображение
Рисунок 4
Взаимодействие между Candida Albicans и алмазных наночастиц. Стрелки указывают наночастиц окружающие клетки очень тесно.
Образ морфологических эффектов нано-Ag и S. стафилококк сборки ( рисунок 5 ) показывает, что нано-Ag были расположены в заданных точках на бактериальной клетки. Они вызвали пробелы и сделал клетка освободить некоторые из веществ, к которым они адсорбированных. Морфологический эффект взаимодействия между нано-Ag и С. Albicans был очень похож ( Рисунок 6 ). Клетки стали искажаться, и нано-Ag распалась и разрушали клеточную стенку и цитоплазматической мембраны и substence (вероятно цитоплазмы) протекал от клеток грибов.

Изображение
Рисунок 5
Взаимодействие между золотистого стафилококка и наночастиц серебра. Стрелки указывают наночастиц, расположенных в определенных точках на клетки, прикрепленные к веществу, распространенном микроорганизмов.

Изображение
Рисунок 6
Взаимодействие между Candida Albicans и наночастиц серебра. Белые стрелки указывают наночастицы, прикрепленные к веществу, распространенном микроорганизмов. Черные стрелки указывают искаженные клетки, разрушенной клеточной стенки и cytoplasmac мембрану.
Нано-Au не окружают S. стафилококк но были захвачены в биопленки, получаемого ячейкой ( рис. 7 ). Нано-Au распался через клеточную стенку и цитоплазматической мембраны С. Albicans. Тем не менее, они были не видел вокруг грибковых клеток. Клетки и их скопления были окружены выпущен неоднородной материи, содержащие капельки различной плотности электронов. Нано-Au, казалось, быть присоединены к нитчатого вещества, вероятно, выводится из разрушенных клеток ( рис. 8 ).

Изображение
Рисунок 7
Взаимодействие между золотистого стафилококка и наночастиц золота. Белые стрелки указывают наночастиц захваченных биопленки и вещества, выпущенный клеток. Черный стрелка указывает искаженное клеточную стенку.

Изображение
Рисунок 8
Взаимодействие между Candida Albicans и наночастиц золота. Стрелки указывают содержание различной плотности электронов выделяется клетками.
Нано-Pt вызвало С. стафилококк выпустить вещества и так же распался цитоплазматической мембраны и клеточной стенки, как это делали другие металлические наночастицы ( рис. 9 ). Нано-Pt распался через клеточную стенку и цитоплазматической мембраны и в С. Albicans и стимулировали высвобождение некоторых веществ, которые просочились из клеток ( рис. 10 ). Клеточной стенки, казалось, быть ослаблены и отделен от цитоплазматической мембраны. Интересно, что наночастицы, казалось, в окружении независимо от того, отличается от веществом.

Изображение
Рисунок 9
Взаимодействие между золотистого стафилококка и наночастиц платины. Стрелки указывают наночастиц и вещество выделяется клетками.

Изображение
Рисунок 10
Взаимодействие между Candida Albicans и наночастиц платины. Черные стрелки указывают наночастицы, окруженные веществом. Белые стрелки указывают клеточной стенки ослаблены и отделен от мембраны или нарушена.
Перейти к:
Обсуждение
В настоящем исследовании, различные химические и физические свойства алмазов и металлических наночастиц были подтверждены, когда они вступили в контакт с живыми организмами. Они выставлены различные эффекты на бактерии и грибы.

Мы могли наблюдать четкую связь между дзета-потенциала и электронной структуры наночастиц и их взаимодействия с микроорганизмами. Нано-D являются диэлектриками и демонстрируют положительный дзета-потенциал, будучи очень отличается от мембранного потенциала микроорганизмов, и равномерно окружен микроорганизмы, не вызывая видимых повреждений и разрушение клеток ( рис. 3 и и4 4 ).

В случае С. Albicans , глюкан и хитин, оба микрофибриллярный полисахариды, являются клеточные компоненты, которые придают жесткость в общую структуру клеточной стенки, и, кажется, более концентрированным во внутреннем слое клеточной стенки, прилегающей к мембране. В наружном слое клеточной стенки, белки и маннопротеинов-видимому, преобладают, 55 и нано-D, возможно, связать их внимательно, без разрушения видимого клеток.

Все металлические наночастицы с отрицательным зета-потенциал, то есть меньше, чем дзета-потенциал бактериальных клеток, показал свойства клеточного повреждения. Тем не менее, их поведение были разные, в том серебра показали свойства самоорганизации с клетками, распадающихся клеточных стенок и цитоплазматических мембран и выделяющее вещество (вероятно цитоплазмы) вне клетки. Выпущен вещество сильно связано с нано-Ag, указывающие на возможные хемосорбцию вещества в нано-Ag ( рис. 5 ).

Нано-Ag, когда оценивали на их антимикробную активность против грамположительных и грамотрицательных бактерий, показали высокую антибактериальную активность против обоих типов бактерий, в том числе высоко полирезистентных штаммов, таких как S. стафилококк . 56 , 57 противогрибковой активности нано-Ag 29 — 31 , 56 был также предложил в настоящем исследовании. Результаты показывают, что нано-Ag может оказывать фунгицидной активностью, уничтожив клеток целостности мембраны ( рис. 6 ). Другие результаты 30 также показали, что грибковые клетки, обработанные нано-Ag показывают значительный ущерб, характеризуется образованием ямы в их клеточных стенок и поры в их плазматической мембране.

В случае нано-Pt, трудно оценить, произошло ли самосборка, так как активность Pt была насильственной, в результате чего отток вещества вне клеток, вероятно, из-за поврежденных стен и клеточных мембран ( Цифры 9 и и10 ). 10 ). Это согласуется с нашими предыдущими результатами в отношении самоорганизации между нано-Pt и S. Enteritidis , показывая, что нано-Pt распался бактериальной клеточной стенки и цитоплазматические мембраны. 23

По сравнению с нано-Ag и нано-Pt, нано-Au показали различное влияние на бактерии и грибы клеток. Организация нано-Au с микроорганизмами не создать систему самоорганизации. Тем не менее, «бесконтактный» взаимодействие между наночастицами и микроорганизмов нанесли ущерб грибковых клеток ( рисунок 8 ) и, возможно, защитная реакция со стороны бактериальных клеток ( рисунок 7 ). Воздействие золота можно объяснить ионной эмиссии от наночастиц в водной среде. Кроме того, это очень интересно, что взаимодействие с нано-Au не то же самое, как и нано-Ag. Можно было бы ожидать, что взаимодействие происходящие будут аналогичны, так как оба вида наночастиц следует связывать те же химически активных групп на поверхности клетки. Однако взаимодействие наблюдалось отличается для этих двух видов наночастиц.

Настоящие наблюдения показывают, что контакт между металлических наночастиц (нано-Ag, нано-Au, и нано-Pt) и микроорганизмов способствуют химические взаимодействия, которые вредны для микроорганизма. Тем не менее, диэлектрическая нано-D, с высокой, положительной дзета-потенциал, по-видимому, быть химически неагрессивных, а также создавать последовательные системы самосборки с микроорганизмами. Это наблюдение может быть важным ориентиром для выбора применений наночастиц в качестве антимикробных соединений и / или в качестве носителей активных лекарственных веществ.

Применение ТЕМ визуализации обеспечивает уникальную возможность для оценки морфологического текущих взаимодействий между микроорганизмами и наночастиц. К сожалению, с помощью этой техники, так и не удалось определить химические связи между двумя компонентами. Как упоминалось ранее, интерфейс между ними очень специфична а также для типов микроорганизмов и наночастиц. Можно предположить, только какие микроорганизмов конверте участвует во взаимодействии, и это требует дальнейшего изучения с помощью специальных методов окрашивания.

Перейти к:
Вывод
Нано-Ag, нано-Au, и нано-Pt (металлические наночастицы) вредны для бактерий и грибков. Нано-Ag приложить специально для микробной клеточной стенки, вызывают выделение вещества из микроорганизмов, и привязать к нему. Нано-Au акт в «бесконтактной» способом, стимулировать производство биопленки и агрегат в этой биопленки. Нано-Pt повреждения клеточных стенок и вызвать высвобождение вещества утечки из клеток. В отличие от металлических наночастиц, нано-D связываются близко к поверхности микроорганизмов, не вызывая видимых повреждений клеток, что указывает на хорошую способность самосборки. Результаты показывают, что оба микроорганизмы потенциально могут быть использованы в качестве носителей для нано-D.

Перейти к:
Благодарности
Эта работа была поддержана грантами в том числе «Новый, многофункциональный нанопорошка углерода» 357/ERA-NET 2008 — 2011, Датское агентство по науке технологиям и инновациям: 2106-08-0025 и MNiSW N31104931/3849, Польша.

Перейти к:
Примечания
Раскрытие

Авторы заявляют, что они не имеют конкурирующие интересы в этой работе.

Перейти к:
Ссылки
. 1 Paukner S, Коль G, Ялава К, Lubitz В. Запечатанные бактериальные призраки — роман ориентации транспортных средств для доставки достижения наркотиков водорастворимых веществ. J наркотиками Целевой. 2003; 11 . :151-161 [ PubMed ]
. 2 Paukner S, Stiedl Т, Kudela P, Bizik J, Аль Laham F, Lubitz W. Бактериальные призраки, как роман расширенный систему ориентации для наркотиков и ДНК доставки. экспертов ОПИН Drug Deliv. 2006; 3 . :11-22 [ PubMed ]
3. Акин D, Стургис J, Рагеб К, и др.. Бактерии-опосредованной доставки наночастиц и грузов в клетки. Nat Nanotechnol. 2007; 2 . :441-449 [ PubMed ]
4. Лоуи FD. Золотистый стафилококк инфекций. N Engl J Med. 1998; 339 . :520-532 [ PubMed ]
. 5 Каннингем R, Cockayne, Хамфрис Г. Клинические и молекулярные аспекты патогенеза золотистого стафилококка инфекции костей и суставов. J Med Microbiol. 1996; 44 :157-164. [ PubMed ]
6. Оказывает NHM, ван Belkurn А, Overbeek SE, Mouton JW, Hrbrugh HA. . Молекулярная эпидемиология штаммов золотистого стафилококка колонизации легких от родственных и неродственных пациентов с кистозным фиброзом Clin Microbiol Infect. 1997; 3 . :216-221 [ PubMed ]
7. Koort JK, Макинен TJ, Knuuti J, Ялава J, Аро HT. Сравнительный 18F-ФДГ ПЭТ экспериментальной золотистый стафилококк остеомиелита и нормального костного исцеления. J Ядерная Med. 2004; 45 . :1406-1411 [ PubMed ]
8. Elizur, ORSCHELN RC, Ferkol TW, и др.. Пантон-Валентина лейкоцидин-положительных метициллин-устойчивый золотистый стафилококк инфекция легких у пациентов с кистозным фиброзом. Грудь. 2007; 131 . :1718-1725 [ PubMed ]
. 9 Амстердам D, Кумбс G, Dowzicky М. Антибактериальная восприимчивость кровоток изолятов золотистого стафилококка: Глобальные результаты от оценки Tigecycline и наблюдения суда, 2004-2008 годы. Am J Infect Dis. 2010; 6 :1-7.
10. Big C, Malani PN. Золотистый стафилококк инфекций кровотока у пожилых людей. Клинические исходы и факторы риска госпитальной летальности . J Am Soc Geriatr 2010; 58 . :300-305 [ PubMed ]
11. МакКаллэм Д. Candida Albicans: новый взгляд на инфекции, болезни и лечения. В: Кавана К, редактор. Нью Insight в медицинской микологии. Берлин, Германия: Springer-Verlag, 2007.
12. Стиннетт Е.А., Чайлдерс Н.К., Райт JT, RÕDU BK, Брэдли EL-младший Обнаружение устной Candida у пациентов педиатрических лейкемии.. Pediatr Дент. 1992; 14 . :236-239 [ PubMed ]
13. Канту Дж. Hepatosplenic кандидоз у пациентов с острым лейкозом. Интернет J Экстрен Intens Care Med. 2005; 8 (2)
14. Dongari-Bagtzoglou, Двиведи P, Иоанниду Е, и др.. . Устные инфекции Candida и колонизация в твердых органов реципиентов Оральный Microbiol Иммунол. 2009; 24 . :249-254 [ PMC бесплатно статья ] [ PubMed ]
15. Басу S, Чакраборти D, Дас С. Восприимчивость видов Candida, выделенных из ВИЧ-инфицированных и новорожденных пациентов кандидемия к амфотерицина В. OnLine J Biol Sci. 2010; 10 :109-113.
16. Эрнандес-Сьерра JF, Руис F, Пена DC, и др.. Противомикробное чувствительность стрептококками наночастиц серебра, оксид цинка и золота. Nanomedicine НБМ. 2008; 4 . :237-240 [ PubMed ]
17. Дрор-Ehre, Мамане Н, Беленкова Т, Маркович G, Адин А. Серебряный наночастиц — кишечная палочка коллоидный взаимодействие в воде и эффекта на выживаемость кишечной палочки. J коллоидной интерфейс Научно. 2009; 339 :521-526. [ PubMed ]
18. Эби Д.М., Shaeublin Н.М., Фаррингтон К.Е., Хусейн С.М., Джонсон GR. Лизоцим катализирует образование наночастиц серебра антимикробных. ACS Nano. 2009; 3 . :984-994 [ PubMed ]
19. Panáček, Колар М, Večeřová Р. и др.. Противогрибковой активности наночастиц серебра против Candida SPP. биоматериалов. 2009; 30 . :6333-6340 [ PubMed ]
20. Рай М, Ядав, Гаде А. Наночастицы серебра, как новое поколение противомикробных препаратов. Biotechnol Adv. 2009; 27 . :76-83 [ PubMed ]
21. Beachey EH. Прикрепление бактерий:. Adhesin-рецепторов взаимодействия посреднические прикрепление бактерий к слизистой поверхности . J Infect Болезнь 1881; 143 . :325-345 [ PubMed ]
22. Манро С. Candida Albicans клеточной стенки опосредованного вирулентности. В: Ashbee HR, Bignell Е.М., редакторы. Патогенные дрожжей. Справочник Дрожжи. Берлин, Германия: Springer-Verlag, 2010.
23. Sawosz Е, Хвалибог, Шелига J, и др.. Визуализация золотых и платиновых наночастиц, взаимодействующих с Salmonella Enteritidis и листерий. Int J NanoMed. 2010; 5 . :631-637 [ PMC бесплатно статья ] [ PubMed ]
24. Morones JR, Elechiguerra JL, Камачо и др.. . Бактерицидный эффект наночастиц серебра Нанотехнологии. 2005; 16 . :2346-2353 [ PubMed ]
25. Pal S, Tak YK, Песня JM. Антибактериальная активность наночастиц серебра зависит от формы наночастицы ли? Изучение грамотрицательная бактерия кишечной палочки . Appl экологи Microbiol. 2007; 73 . :1712-1720 [ PMC бесплатно статья ] [ PubMed ]
26. Шривастава S, Бера Т, Рой, Сингх G, Ramachandrarao P, Dash D. Характеристика усовершенствованных антибактериального эффекта новых наночастиц серебра. Нанотехнологии. 2007; 18 :225103-225111.
27. Ли WR, Се ВБ, Ши QS, Цзэн HY, Ои-Ян Ю.С., Чэнь YB. Антибактериальная активность и механизм наночастиц серебра на кишечной палочки . Appl Microbiol Biotechnol. 2010; 85 . :1115-1122 [ PubMed ]
28. Шарма В.К., Yngard РА, Лин Ю. Наночастицы серебра:. Зеленый синтез и их антимикробные деятельности . Расширенный коллоидной интерфейс Научно 2009; 145 . :83-96 [ PubMed ]
29. Ким JS, Кук Е, Ю. К. Н. и соавт. Антибактериальные эффекты наночастиц серебра. Наномедицина НБМ. 2007; 3 . :95-101 [ PubMed ]
30. Kvítek L, Vaníčková М, Panáček, и др.. Предварительное исследование на токсичность наночастиц серебра (NPS) против Paramecium CAUDATUM. J физической химии. 2009; 113 :4296-4300.
31. Ким KJ, Сун WS, Су Б.К., и др.. Противогрибковые активность и механизм действия наночастиц серебра на Candida Albicans. Biometal. 2009; 22 :235-242. [ PubMed ]
32. Alt V, Bechert Т, Steinrucke Р, и др.. Оценка в пробирке из антибактериальными свойствами и цитотоксичности наночастиц серебра костного цемента. биоматериалов. 2004; 25 . :4383-4391 [ PubMed ]
33. Грейлих C, Киттлер S, Эппле М, Muhr G, Коллер М. Исследования по биосовместимости и взаимодействие наночастиц серебра с человеком мезенхимальных стволовых клеток (hMSCs) Langenbecks Арка SURG. 2009; 394 :495-502. [ PubMed ]
34. Синь YH, Чэнь CF, Хуан С, и др.. Апоптоза эффект наносеребра опосредуется РОС-и JNK-зависимого механизма с участием митохондриальную путь в клетках NIH3T3. Toxicol Lett. 2008; 179 . :130-139 [ PubMed ]
35. Sawosz Е, Binek М, Grodzik М., и др.. Влияние гидроколлоидному наночастиц серебра на кишечной микрофлоры и морфологии энтероцитов перепелов. Арка Anim Nutr. 2007; 61 . :444-451 [ PubMed ]
36. Sawosz Е, Grodzik М, Зелинская М, Niemiec Т, Olszańska B, Хвалибог А. Наночастицы серебра не влияют на рост, развитие и окислительных повреждений ДНК в куриных эмбрионах. Арка Geflügelk. 2009; 73 :208-213.
37. Нимейер CM. Наночастицы, белки и нуклеиновые кислоты: Биотехнология отвечает материаловедения. Angew Chem Int ред. 2001; 40 :4128-4158.
38. Коннор Е.Е., Mwamuka J, Gole, Мерфи CJ, Уайатт MD. Наночастицы золота принимаются к клетках человека, но не вызывают острую цитотоксичность. Малый. 2005; 1 . :325-327 [ PubMed ]
39. Томас М, Клибанов AM. Сопряжение с наночастицами золота повышает передачу полиэтиленимином в плазмидной ДНК в клетки млекопитающих. Proc Natl Изд-во АН США А. 2003; 100 . :9138-9143 [ PMC бесплатно статья ] [ PubMed ]
40. Ткаченко А.Г., Се Н, Лю Y, и др.. Сотовые траектории пептид-модифицированный комплексов золота частиц:. Сравнение сигналов ядерной локализации и пептид трансдукции доменов . Bioconjug Chem 2004; 15 . :482-490 [ PubMed ]
41. Мукерджи P, Бхаттачария R, Кость N и др.. Потенциал терапевтическое применение наночастиц золота в B-хронический лимфолейкоз (BCLL): Повышение апоптоза. J нанобиотехнологии. 2007; 5 :. 4 [ PMC бесплатно статья ] [ PubMed ]
42. Чжэн Y, Sache Л. Наночастицы золота повышения повреждений ДНК, индуцированных противораковых препаратов и радиации. Radiat Res. 2009; 172 . :114-119 [ PubMed ]
43. Ченг Y, Самия AC, Ли J, Кенни ME, Резник, Бурда С. Доставка и эффективность препарата рака в зависимости от связи к поверхности наночастицы золота. Ленгмюра. 2010; 26 . :2248-2255 [ PubMed ]
44. Розенберг B, ван Камо R, Krigas Т. Ингибирование клеточного деления в кишечной палочки электролизом изделий из платинового электрода. природе. 1965; 205 :698-699. [ PubMed ]
45. Desoize B, Madoulet С. Конкретные аспекты соединений платины, используемых в настоящее время в лечении рака. Критический Версия Oncol Hematol. 2002; 42 :317-325. [ PubMed ]
46. Schrand А.М., Хуан Н, Карлсон C, и др.. Являются ли наночастицы алмаза цитотоксические. J физической химии Б. 2007; 111 . :2-7 [ PubMed ]
. 47 Лам R, Хо Д. наноалмазы в качестве средства для системного и локализованной доставки лекарств. Expert Opin наркотиками Deliv. 2009; 6 :883-895. [ PubMed ]
48. Bakowicz К. дисс. Технический Университет Лодзи, в Польше: 2003. Биологическая активность Diamond.
49. Bakowicz-Mitura К, Бартош G, Mitura С. Влияние частиц алмазного порошка на экспрессию человеческого гена. Прибой Пальто Tech. 2007; 201 :6131-6135.
. 50 Лам R, Чэнь М, Pierstorff E, Хуан Н, Осава Е, Хо D. Наноалмазов-встроенные микрофильмы устройства для локализованной химиотерапевтического элюирования. ACS Nano. 2008; 2 . :2095-2102 [ PubMed ]
51. Юань Y, Ван X, Цзя G, и др.. Легочная токсичность и транслокация наноалмазов у мышей. Алмазные и связанных с ними материалов. 2010; 19 :291-299.
. 52 . Даниленко В.В. . синтезирующий и спекания алмаза взрывом Москва, Россия: Энергоатомиздат; 2003.
53. Mitura S, Mitura К, Niedzielski P, Louda P, Даниленко В. Нанокристаллический алмаз, его синтез, свойства и применение. J Удерживать Mater м Мотор ENG. 2006; 16 : 9-16.
54. Schärtl Вт, редактор. рассеяние света от Polymer Solutions и дисперсий наночастиц. Берлин, Германия: Springer-Verlag, 2007.
55. Чаффин WL, Лопес-Рибо JL, Казанова М, Gozalbo D, Мартинес JP. Клеточная стенка и выделяемые белки Candida Albicans:. Идентификационные, функциональные, и выражение Microbiol Молекулярная биология Преподобный 1998; 62 . :130-180 [ PMC бесплатно статья ] [ PubMed ]
56. Panáček, Kvítek L, Prucek Р. и др.. Серебро коллоидные наночастицы:. Синтез, характеристика и их антибактериальной активности J физической химии Б. 2006; 110 . :16248-16253 [ PubMed ]
. 57 Мартинес-Кастаньон Г.А., Нино-Мартинес N, Мартинес-Гутьеррес F, Мартинес-Мендоса JR, Руис Ф. Синтез и антибактериальная активность наночастиц серебра с различными размерами. J Nanopart Res. 2008; 10 :1343-1348.

nt J Nanomedicine. 2010; 5: 1085–1094.
Published online 2010 December 6. doi: 10.2147/IJN.S13532
PMCID: PMC3023237
Visualization of interaction between inorganic nanoparticles and bacteria or fungi

André Chwalibog,1 Ewa Sawosz,2 Anna Hotowy,1 Jacek Szeliga,2 Stanislaw Mitura,3 Katarzyna Mitura,3 Marta Grodzik,2 Piotr Orlowski,2 and Aleksandra Sokolowska4
Author information ► Copyright and License information ►
This article has been cited by other articles in PMC.
Go to:
Abstract
Purpose

The objective of the present investigation was to evaluate the morphologic characteristics of self-assemblies of diamond (nano-D), silver (nano-Ag), gold (nano-Au), and platinum (nano-Pt) nanoparticles with Staphylococcus aureus (bacteria) and Candida albicans (fungi), to determine the possibility of constructing microorganism–nanoparticle vehicles.

Methods

Hydrocolloids of individual nanoparticles were added to suspensions of S. aureus and C. albicans. Immediately after mixing, the samples were inspected by transmission electron microscopy.

Results

Visualization of the morphologic interaction between the nanoparticles and microorganisms showed that nano-D, which are dielectrics and exhibit a positive zeta potential, were very different from the membrane potentials of microorganisms, and uniformly surrounded the microorganisms, without causing visible damage and destruction of cells. All metal nanoparticles with negative zeta potential had cell damaging properties. Nano-Ag showed the properties of self-organization with the cells, disintegrating the cell walls and cytoplasmic membranes, and releasing a substance (probably cytoplasm) outside the cell. Arrangement of nano-Au with microorganisms did not create a system of self-organization, but instead a “noncontact” interaction between the nanoparticles and microorganisms was observed to cause damage to fungal cells. Nano-Pt caused both microorganisms to release a substance outside the cell and disintegrated the cytoplasmic membrane and cell wall.

Conclusion

Nano-Ag, nano-Au, and nano-Pt (all metal nanoparticles) are harmful to bacteria and fungi. In contrast, nano-D bind closely to the surface of microorganisms without causing visible damage to cells, and demonstrating good self-assembling ability. The results indicate that both microorganisms could be used as potential carriers for nano-D.

Keywords: nanoparticles, diamond, silver, gold, platinum, Staphylococcus aureus, Candida albicans, morphology
Go to:
Introduction
Targeted drug transport methods are key techniques being searched for in medicine. Cancer therapy, in particular, requires new technology to deliver drugs precisely, to be nontoxic to other tissues, with the possibility of sustained release of active substances, and to target cells. Microorganisms possess an extraordinary potential to move, survive safely, and settle in precisely programmed regions of the body.1–3 Staphylococcus aureus exfoliates epidermal layers and localizes within the skin,4 and can also penetrate lungs, bloodstream, joints, and bones.5–10 Candida albicans lives on 75% of the human population and is commonly found in the gastrointestinal tract, oral cavity, and genital area, with no harmful effects.11 However, when body resistance is low, as in leukemia, autoimmune deficiency syndrome, or in transplant recipients, C. albicans can enter the bloodstream and penetrate different organs, causing serious infections.12–15

It is well known that inorganic nanoparticles can act as antibacterial and antifungal agents, and thus have the ability to interact with microorganisms.16–20 However, prior to using microorganisms as a mean of transport for bioactive molecules, such as nanoparticles or drugs linked to nanoparticles, it is essential to investigate how to deposit the molecules within microorganisms. It has already been described how Gram-negative bacteria can be used for constructing bacterial ghosts, representing novel advanced delivery and targeting vehicles suitable for the delivery of hydrophobic or water-soluble drugs.2,21 Also, in pathogenic fungi, like C. albicans, several components associated with the cell wall have been identified to play an important role in fungal–host interactions.22

We have previously demonstrated that by simple mixing of nanoparticles of gold and platinum with Salmonella enteritidis and Listeria monocytogenes, a process of self-assembly takes place, but with different morphologic interactions depending on the bacteria and nanoparticles used.23 In the present investigation, other microorganisms and additional nanoparticles were chosen to elucidate further the possibilities for constructing microorganism–nanoparticle vehicles.

Exerting their antibacterial properties, silver nanoparticles (nano-Ag) attach and anchor to the surface of the cell. This interaction causes structural changes and damage, markedly disturbing vital cell functions, such as permeability, causing pits and gaps, depressing the activity of respiratory chain enzymes, and finally leading to cell death.20,24–28 Nano-Ag also inhibit yeast growth29,30 and have antifungal activity against different Candida species.19,31 Results from toxicologic assays have shown no in vitro cytotoxicity of nano-Ag nanoparticles in concentrations sufficient to inhibit microbial growth,18,32 but at high concentrations, nano-Ag do exert cytotoxic effects on human mesenchymal stem cells.33 More and more results provide evidence for a molecular mechanism of nano-Ag activity, showing that nano-Ag act through reactive oxygen species generation,29 leading to activation of proteins and inducing apoptosis via the mitochondrial pathway.34 In vivo measurements in chicken embryos and quails demonstrated that hydrocolloids of nano-Ag at the level of 50 ppm did not affect development or cause oxidative DNA damage to embryos35 or growth of quails.36

Gold nanoparticles (nano-Au) are well established carriers for delivery of double-stranded DNA in gene gun technology.37 It has been demonstrated that nano-Au can localize in tumors by passive accumulation, because of the enhanced permeability and retention effect in the leaky vessels of tumors.38–41 The process of targeting by nano-Au can minimize treatment durations and side effects of drugs.42,43

The antimicrobial activity of platinum has been known since the work of Rosenberg, who reported its inhibitory activity on Escherichia coli division.44 Cisplatin and other derivatives synthesized from platinum have been used in cancer treatment, and act by forming adducts with DNA and impairing DNA synthesis and repair.45 Recently, analysis of the morphologic effects of interaction between platinum nanoparticles (nano-Pt) and S. enteritidis revealed that nano-Pt were located inside bacteria cells, demonstrating that these cells might be used to deliver nano-Pt and attach active substances to specific targets in the body, as discussed previously.23

Diamond nanoparticles (nano-D) are highly biocompatible and nontoxic to human cells.46,47 Furthermore, the antioxidative properties of nano-D, via redox pathways, could improve the local environment of treatment areas in the body.48 It has also been demonstrated that nano-D inhibit genotoxic and cellular stress at the molecular level in humans.49 Nano-D can be applied as drug-sequestering elements, and have exciting prospects, including adjustable and extended time release of the active substance.50 Accordingly, in histopathologic and ultrastructural investigations after intratracheal administration of nano-D in mice, no adverse effects in the lungs were noticed. Furthermore, no lipid peroxidation of the lung was observed.51

In a previous paper,23 we indicated that shortly after mixing nano-Pt with S. enteritidis, nano-Pt penetrated bacterial cells and remained inside the bacteria, even after washing and centrifugation, and that the average number of bacterial cells with nano-Pt did not change after prolonged incubation. These observations indicate that the complexes, visualized shortly after mixing, are stable, and that the interaction can be observed directly in real time and with minimized chemical (handling of the sample) interference. Consequently, in the present investigation, the characteristics of self-assembly were observed immediately after mixing nanoparticles with microorganisms. The objective was to identify additional candidates for constructing microorganism–nanoparticle vehicles to deliver active substances to specific targets in the body. The examined compounds were S. aureus and C. albicans, together with nanoparticles of diamond, silver, gold, and platinum.

Go to:
Materials and methods
Nanoparticles

Diamond nanoparticles were obtained from the Biomedical Engineering Division, Technical University of ŁódŸ. Nano-D was produced by the method described by Danilenko52 with modification of ampoule-free synthesis with explosions in the explosion chamber. Graphite was placed directly into a cylindrical charge consisting of a TNT-hexogen mixture TG40; the charge was enveloped in a water jacket to suppress graphitization and to reduce the unloading rate of the synthesized diamond.53 For experiments with microorganisms, nano-D was suspended in Milli-Q water (Millipore, Billerica, MA) at a concentration of 50 ppm. Shape and size of nanoparticles were evaluated using a JEM-2000EX transmission electron microscope (TEM) at 200 keV (JEOL, Tokyo, Japan), showing that the size of particles ranged from 2 to 10 nm (Figure 1).

Figure 1
Figure 1
Nanoparticles of diamond, silver, gold, and platinum.
Hydrocolloids of silver, gold, and platinum nanoparticles (50 ppm) obtained from Nano-Tech (Warsaw, Poland) were produced by an electric nonexplosive patented method ( Polish Patent 3883399) from high purity metals (99.9999%) and high purity demineralized water. Shape and size of nanoparticles were inspected by TEM (Figure 1), showing that the diameter of the particles was 2–35 nm for Ag, 2–29 nm for Au, and 2–19 nm for Pt.

The zeta potential of hydrocolloids of nanoparticles and microorganisms was measured by the electrophoretic light-scattering method,54 using a Zetasizer Nano ZS, model ZEN3500 (Malvern Instruments, Worcestershire, UK). Each sample was measured after 120 seconds of stabilization at 25°C, in 20 replicates. The mean zeta potential was −9.2 mV (nano-Ag), −1.9 mV (nano-Au), −9.6 mV (nano-Pt), and +27 mV (nano-D). The microorganisms had zeta potentials between −20 and −27 mV.

Microorganisms

Strains were obtained from LGC Standards (Lomianki, Poland). Bacteria strain S. aureus ATCC 25923 was grown on trypto–casein–soy agar (BioRad, San Francisco, CA). Fungi strain C. albicans ATCC 24433 was grown on Sabouraud agar (BTL, LódŸ, Poland). Microorganisms were gently washed out from the agar using sterile distilled water. To remove the liquid remains of the medium, bacteria were centrifuged at 4000 rpm for five minutes using an Eppendorf MiniSpin centrifuge and the sediment (pellet) was resuspended in Milli-Q water. To calculate the exact number of microorganisms in the suspension, the optical density at 600 nm (OD600) was estimated by spectrophotometer (Helios Epsilon, Unicam; Thermo Spectronic, Madison, WI), and serial dilutions of the suspension were prepared. One milliliter of each dilution was transferred to Petri dishes with agar. After 24 hours of incubation at 37°C, the number of colonies was estimated. According to the results of triple measurements, the density of microbial suspension OD600 = 0.140 corresponded to 1.95 × 108 cfu/mL and at OD600 = 0.182 corresponded to 7.3 × 107 cfu/mL for S. aureus and C. albicans, respectively.

Method of observation

Hydrocolloids of each kind of nanoparticle (200 μL) were separately added to the microorganism suspensions (200 μL). Control samples of microorganisms were treated with Milli- Q water. The samples were gently mixed for 15 minutes and then droplets of samples were put on Formvar-coated 300 mesh Cu grids (Agar Scientific Ltd, Stansted, UK). In this way, the inspected object was observable after a very short time of interaction of nanoparticles with the living microorganisms. The samples were dried at room temperature, in sterile conditions, and observed using a JEM-2000EX TEM at 200 keV (JEOL). The applied voltage was chosen to avoid any damage to the sample. The method developed enabled direct observation of the initial interface between nanoparticles and microorganisms, particularly including visualization of small amounts of a substance excreted from the microorganisms.

Go to:
Results
Examination of the control microorganisms indicated some changes caused by the applied methods (centrifugation, Milli-Q water, drying), but did not show any toxicologic or destructive alteration (Figure 2).

Figure 2
Figure 2
Staphylococcus aureus and Candida albicans. None of the toxicologic or destructive effects of the procedure can be seen.
The morphology of interaction between nano-D and S. aureus is presented in Figure 3. Nano-D were attached nonspecifically to the cell wall, showing affinity for the peptidoglycan layer. Nano-D could be seen also within the cell and cell wall. When nano-D interacted with C. albicans, it was observed that diamond also attached and surrounded the cells very closely. Nano-D was gathered by the released substance, probably cytoplasm (Figure 4).

Figure 3
Figure 3
Interaction between Staphylococcus aureus and diamond nanoparticles. Arrows indicate nanoparticles nonspecifically attached to the microorganisms.
Figure 4
Figure 4
Interaction between Candida albicans and diamond nanoparticles. Arrows indicate nanoparticles surrounding cells very closely.
The image of morphologic effects of nano-Ag and S. aureus assembling (Figure 5) indicates that nano-Ag were located at given points on the bacterial cell. They caused gaps and made the cell release some of the substances to which they adsorbed. The morphologic effect of interaction between nano-Ag and C. albicans was quite similar ( Figure 6). Cells became distorted, and nano-Ag disintegrated and disrupted the cell wall and cytoplasmic membrane and a substence (probably cytoplasm) was leaking from the fungi cells.

Figure 5
Figure 5
Interaction between Staphylococcus aureus and silver nanoparticles. Arrows indicate nanoparticles located at specific points on the cells, attached to the substance released by microorganisms.
Figure 6
Figure 6
Interaction between Candida albicans and silver nanoparticles. White arrows indicate nanoparticles attached to the substance released by microorganisms. Black arrows indicate distorted cells, a disintegrated cell wall, and cytoplasmac membrane.
Nano-Au did not surround S. aureus but were trapped within the biofilm produced by the cell (Figure 7). Nano-Au disintegrated the cell wall and the cytoplasmic membrane of C. albicans. However, they were not seen around the fungal cells. Cells and their clusters were surrounded by released inhomogeneous matter, containing droplets of different electron density. Nano-Au appeared to be attached to a filamentous substance, probably excreted from the disrupted cells (Figure 8).

Figure 7
Figure 7
Interaction between Staphylococcus aureus and gold nanoparticles. White arrows indicate nanoparticles trapped by the biofilm and the substance released by cells. Black arrow indicates distorted cell wall.
Figure 8
Figure 8
Interaction between Candida albicans and gold nanoparticles. Arrows indicate the substance of different electron density released by cells.
Nano-Pt caused S. aureus to release substances and similarly disintegrated the cytoplasmic membrane and the cell wall, as did the other metal nanoparticles (Figure 9). Nano-Pt disintegrated the cell wall and cytoplasmic membrane also in C. albicans and stimulated release of some substances, which leaked from the cells (Figure 10). The cell wall seemed to be loosened and separated from the cytoplasmic membrane. Interestingly, the nanoparticles appeared to be surrounded by matter different from the released substance.

Figure 9
Figure 9
Interaction between Staphylococcus aureus and platinum nanoparticles. Arrows indicate nanoparticles and the substance released by cells.
Figure 10
Figure 10
Interaction between Candida albicans and platinum nanoparticles. Black arrows indicate nanoparticles surrounded by the released substance. White arrows indicate the cell wall loosened and separated from the membrane or disrupted.
Go to:
Discussion
In the present investigation, different chemical and physical properties of diamond and metal nanoparticles were confirmed when they came into contact with living organisms. They exhibited various effects on bacteria and fungi.

We could observe a clear link between zeta potential and the electron structure of the nanoparticles and their interaction with microorganisms. Nano-D are dielectrics and exhibit a positive zeta potential, being very different from the membrane potential of microorganisms, and uniformly surrounded the microorganisms, without causing visible damage and destruction of the cells (Figures 3 and and44).

In the case of C. albicans, glucan and chitin, both microfibrillar polysaccharides, are cellular components that confer rigidity to the overall cell wall structure, and appear to be more concentrated in the inner cell wall layer, adjacent to the plasma membrane. In the outermost cell wall layer, proteins and mannoproteins appear to predominate,55 and nano-D could possibly bind them closely, without visible cell destruction.

All metal nanoparticles with negative zeta potential, ie, less than the zeta potential of bacterial cells, showed cell-damaging properties. However, their behaviors were different, in that silver showed the properties of self-organization with the cells, disintegrating the cell walls and cytoplasmic membranes, and releasing a substance (probably cytoplasm) outside the cell. The released substance was strongly connected with nano-Ag, indicating possible chemisorption of the substance to nano-Ag (Figure 5).

Nano-Ag, when evaluated for their antimicrobial activity against Gram-positive and Gram-negative bacteria, showed high antibacterial activity against both types of bacteria, including highly multiresistant strains, such as S. aureus.56,57 Antifungal activity of nano-Ag29–31,56 has been also suggested in the present investigation. The results suggest that nano-Ag may exert a fungicidal activity by destroying cell membrane integrity (Figure 6). Other results30 have also shown that fungal cells treated with nano-Ag show significant damage, characterized by the formation of a pit in their cell walls and pores in their plasma membrane.

In the case of nano-Pt, it is difficult to assess whether self-assembling occurred, since activity of Pt was violent, causing an outflow of a substance outside the cells, probably due to damaged walls and cell membranes (Figures 9 and and10).10). This is in agreement with our previous results regarding self-assembling between nano-Pt and S. enteritidis, showing that nano-Pt disintegrated bacterial cell walls and cytoplasmic membranes.23

Compared with nano-Ag and nano-Pt, nano-Au showed different effects on bacteria and fungi cells. Arrangement of nano-Au with microorganisms did not create a system of self-organization. However, a “noncontact” interaction between nanoparticles and microorganisms caused damage to fungal cells (Figure 8) and probably a defensive reaction on the part of the bacterial cells (Figure 7). The impact of gold could be explained by ion emission from the nanoparticles in an aqueous environment. Moreover, it is very interesting that the interaction with nano-Au is not the same as with nano-Ag. It could be expected that interactions occurring would be similar, because both kinds of nanoparticles should bind the same chemically active groups on the surface of the cell. However, the interaction observed was different for these two kinds of nanoparticles.

The present observations indicate that the contact between metal nanoparticles (nano-Ag, nano-Au, and nano-Pt) and microorganisms promote chemical interactions that are harmful to the microorganism. However, dielectric nano-D, with high, positive zeta potential, appear to be chemically nonaggressive, and create consistent systems of self-assembly with microorganisms. This observation could be an important guideline for selection of applications of nanoparticles as antimicrobial compounds and/or as carriers of active medical substances.

The application of TEM visualization provides an extraordinary opportunity for the morphologic evaluation of ongoing interactions between microorganisms and nanoparticles. Unfortunately, using this technique, it was not possible to identify chemical bonds between the two components. As mentioned earlier, the interface between them is very specific as well for the types of microorganisms and nanoparticles. It can only be speculated what kind of microorganism envelope is involved in the interaction, and this needs further investigation using specific staining methods.

Go to:
Conclusion
Nano-Ag, nano-Au, and nano-Pt (metal nanoparticles) are harmful to bacteria and fungi. Nano-Ag attach specifically to the microbial cell wall, evoke the release of a substance from the microorganisms, and bind to it. Nano-Au act in a “ noncontact” way, stimulate biofilm production, and aggregate within this biofilm. Nano-Pt damage cell walls and cause the release of a substance leaking from the cells. Unlike metal nanoparticles, nano-D bind closely to the surface of the microorganisms without causing visible damage to the cells, indicating good self-assembling ability. The results indicate that both microorganisms could potentially be used as carriers for nano-D.

Go to:
Acknowledgments
This work was supported by grants including “New, multifunctional nanopowder of carbon” 357/ERA-NET 2008– 2011, Danish Agency for Science Technology and Innovation: 2106-08-0025 and MNiSW N31104931/3849, Poland.

Go to:
Footnotes
Disclosure

The authors declare that they have no competing interests in this work.

Go to:
References
1. Paukner S, Kohl G, Jalava K, Lubitz W. Sealed bacterial ghosts – novel targeting vehicles for advances drug delivery of water-soluble substances. J Drug Target. 2003;11:151–161. [PubMed]
2. Paukner S, Stiedl T, Kudela P, Bizik J, Al Laham F, Lubitz W. Bacterial ghosts as a novel advanced targeting system for drug and DNA delivery. Expert Opin Drug Deliv. 2006;3:11–22. [PubMed]
3. Akin D, Sturgis J, Ragheb K, et al. Bacteria-mediated delivery of nanoparticles and cargo into cells. Nat Nanotechnol. 2007;2:441–449. [PubMed]
4. Lowy FD. Staphylococcus aureus infections. N Engl J Med. 1998;339:520–532. [PubMed]
5. Cunningham R, Cockayne A, Humphreys H. Clinical and molecular aspects of the pathogenesis of Staphylococcus aureus bone and joint infections. J Med Microbiol. 1996;44:157–164. [PubMed]
6. Renders NHM, van Belkurn A, Overbeek SE, Mouton JW, Hrbrugh HA. Molecular epidemiology of Staphylococcus aureus strains colonizing the lungs of related and unrelated cystic fibrosis patients. Clin Microbiol Infect. 1997;3:216–221. [PubMed]
7. Koort JK, Makinen TJ, Knuuti J, Jalava J, Aro HT. Comparative 18F-FDG PET of experimental Staphylococcus aureus osteomyelitis and normal bone healing. J Nucl Med. 2004;45:1406–1411. [PubMed]
8. Elizur A, Orscheln RC, Ferkol TW, et al. Panton-Valentine leukocidin-positive methicillin-resistant Staphylococcus aureus lung infection in patients with cystic fibrosis. Chest. 2007;131:1718–1725. [PubMed]
9. Amsterdam D, Coombs G, Dowzicky M. Antimicrobial susceptibility of bloodstream isolates of Staphylococcus aureus: Global results from the tigecycline evaluation and surveillance trial, 2004–2008. Am J Infect Dis. 2010;6:1–7.
10. Big C, Malani PN. Staphylococcus aureus bloodstream infections in older adults: Clinical outcomes and risk factors for in-hospital mortality. J Am Geriatr Soc. 2010;58:300–305. [PubMed]
11. MacCallum D. Candida albicans: New insight in infection, disease, and treatment. In: Kavanagh K, editor. New Insight in Medical Mycology. Berlin, Germany: Springer-Verlag; 2007.
12. Stinnett EA, Childers NK, Wright JT, Rodu BK, Bradley EL., Jr The detection of oral Candida in pediatric leukemia patients. Pediatr Dent. 1992;14:236–239. [PubMed]
13. Cantu J. Hepatosplenic candidiasis in patients with acute leukemia. Internet J Emerg Intens Care Med. 2005;8(2)
14. Dongari-Bagtzoglou A, Dwivedi P, Ioannidou E, et al. Oral Candida infection and colonization in solid organ transplant recipients. Oral Microbiol Immunol. 2009;24:249–254. [PMC free article] [PubMed]
15. Basu S, Chakraborty D, Das S. Susceptibility of Candida species isolated from HIV infected and newborn candidaemia patients to amphotericin B. OnLine J Biol Sci. 2010;10:109–113.
16. Hernandez-Sierra JF, Ruiz F, Pena DC, et al. The antimicrobial sensitivity of Streptococcus mutans to nanoparticles of silver, zinc oxide and gold. Nanomedicine NBM. 2008;4:237–240. [PubMed]
17. Dror-Ehre A, Mamane H, Belenkova T, Markovich G, Adin A. Silver nanoparticle – E. coli colloidal interaction in water and effect on E. coli survival. J Colloid Interface Sci. 2009;339:521–526. [PubMed]
18. Eby DM, Shaeublin NM, Farrington KE, Hussain SM, Johnson GR. Lysozyme catalyzes the formation of antimicrobial silver nanoparticles. ACS Nano. 2009;3:984–994. [PubMed]
19. Panacek A, Kolar M, Vecerova R, et al. Antifungal activity of silver nanoparticles against Candida spp. Biomaterials. 2009;30:6333–6340. [PubMed]
20. Rai M, Yadav A, Gade A. Silver nanoparticles as a new generation of antimicrobials. Biotechnol Adv. 2009;27:76–83. [PubMed]
21. Beachey EH. Bacterial adherence: Adhesin-receptor interactions mediating the attachment of bacteria to mucosal surfaces. J Infect Disease. 1881;143:325–345. [PubMed]
22. Munro C. Candida albicans cell wall mediated virulence. In: Ashbee HR, Bignell EM, editors. Pathogenic Yeasts. The Yeast Handbook. Berlin, Germany: Springer-Verlag; 2010.
23. Sawosz E, Chwalibog A, Szeliga J, et al. Visualization of gold and platinum nanoparticles interacting with Salmonella enteritidis and Listeria monocytogenes. Int J Nanomed. 2010;5:631–637. [PMC free article] [PubMed]
24. Morones JR, Elechiguerra JL, Camacho A, et al. The bactericidal effect of silver nanoparticles. Nanotechnology. 2005;16:2346–2353. [PubMed]
25. Pal S, Tak YK, Song JM. Does the antibacterial activity of silver nanoparticles depend on the shape of the nanoparticle? A study of the Gram-negative bacteriumEscherichia coli. Appl Environ Microbiol. 2007;73:1712–1720. [PMC free article] [PubMed]
26. Shrivastava S, Bera T, Roy A, Singh G, Ramachandrarao P, Dash D. Characterization of enhanced antibacterial effects of novel silver nanoparticles. Nanotechnology. 2007;18:225103–225111.
27. Li W-R, Xie X-B, Shi Q-S, Zeng H-Y, Ou-Yang Y-S, Chen YB. Antibacterial activity and mechanism of silver nanoparticles onEscherichia coli. Appl Microbiol Biotechnol. 2010;85:1115–1122. [PubMed]
28. Sharma VK, Yngard RA, Lin Y. Silver nanoparticles: Green synthesis and their antimicrobial activities. Adv Colloid Interface Sci. 2009;145:83–96. [PubMed]
29. Kim JS, Kuk E, Yu KN, et al. Antimicrobial effects of silver nanoparticles. Nanomedicine NBM. 2007;3:95–101. [PubMed]
30. Kvitek L, Vanickova M, Panacek A, et al. Initial study on the toxicity of silver nanoparticles (NPs) against Paramecium caudatum. J Phys Chem. 2009;113:4296–4300.
31. Kim K-J, Sung WS, Suh BK, et al. Antifungal activity and mode of action of silver nano-particles on Candida albicans. Biometal. 2009;22:235–242. [PubMed]
32. Alt V, Bechert T, Steinrucke P, et al. An in vitro assessment of the antibacterial properties and cytotoxicity of nanoparticulate silver bone cement. Biomaterials. 2004;25:4383–4391. [PubMed]
33. Greulich C, Kittler S, Epple M, Muhr G, Koller M. Studies on the biocompatibility and the interaction of silver nanoparticles with human mesenchymal stem cells (hMSCs) Langenbecks Arch Surg. 2009;394:495–502. [PubMed]
34. Hsin Y-H, Chen C-F, Huang S, et al. The apoptotic effect of nanosilver is mediated by a ROS- and JNK-dependent mechanism involving the mitochondrial pathway in NIH3T3 cells. Toxicol Lett. 2008;179:130–139. [PubMed]
35. Sawosz E, Binek M, Grodzik M, et al. Influence of hydrocolloidal silver nanoparticles on gastrointestinal microflora and morphology of enterocytes of quails. Arch Anim Nutr. 2007;61:444–451. [PubMed]
36. Sawosz E, Grodzik M, Zielinska M, Niemiec T, Olszańska B, Chwalibog A. Nanoparticles of silver do not affect growth, development and DNA oxidative damage in chicken embryos. Arch Geflügelk. 2009;73:208–213.
37. Niemeyer CM. Nanoparticles, proteins, and nucleic acids: Biotechnology meets materials science. Angew Chem Int Ed. 2001;40:4128–4158.
38. Connor EE, Mwamuka J, Gole A, Murphy CJ, Wyatt MD. Gold nanoparticles are taken up by human cells but do not cause acute cytotoxicity. Small. 2005;1:325–327. [PubMed]
39. Thomas M, Klibanov AM. Conjugation to gold nanoparticles enhances polyethylenimine’s transfer of plasmid DNA into mammalian cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 2003;100:9138–9143. [PMC free article] [PubMed]
40. Tkachenko AG, Xie H, Liu Y, et al. Cellular trajectories of peptide-modified gold particle complexes: Comparison of nuclear localization signals and peptide transduction domains. Bioconjug Chem. 2004;15:482–490. [PubMed]
41. Mukherjee P, Bhattacharya R, Bone N, et al. Potential therapeutic application of gold nanoparticles in B-chronic lymphocytic leukemia (BCLL): Enhancing apoptosis. J Nanobiotechnology. 2007;5:4. [PMC free article] [PubMed]
42. Zheng Y, Sache L. Gold nanoparticles enhance DNA damage induced by anti-cancer drugs and radiation. Radiat Res. 2009;172:114–119. [PubMed]
43. Cheng Y, Samia AC, Li J, Kenney ME, Resnick A, Burda C. Delivery and efficacy of a cancer drug as a function of the bond to the gold nanoparticle surface. Langmuir. 2010;26:2248–2255. [PubMed]
44. Rosenberg B, van Camo R, Krigas T. Inhibition of cell division in Escherichia coli by electrolysis products from platinum electrode. Nature. 1965;205:698–699. [PubMed]
45. Desoize B, Madoulet C. Particular aspects of platinum compounds used at present in cancer treatment. Crit Rev Oncol Hematol. 2002;42:317–325. [PubMed]
46. Schrand AM, Huang H, Carlson C, et al. Are diamond nanoparticles cytotoxic. J Phys Chem B. 2007;111:2–7. [PubMed]
47. Lam R, Ho D. Nanodiamonds as vehicles for systemic and localized drug delivery. Expert Opin Drug Deliv. 2009;6:883–895. [PubMed]
48. Bakowicz K. PhD Thesis. Technical University of Lodz; Poland: 2003. Bioactivity of Diamond.
49. Bakowicz-Mitura K, Bartosz G, Mitura S. Influence of diamond powder particles on human gene expression. Surf Coat Tech. 2007;201:6131–6135.
50. Lam R, Chen M, Pierstorff E, Huang H, Osawa E, Ho D. Nanodiamond-embedded microfilm devices for localized chemotherapeutic elution. ACS Nano. 2008;2:2095–2102. [PubMed]
51. Yuan Y, Wang X, Jia G, et al. Pulmonary toxicity and translocation of nanodiamonds in mice. Diamond and Related Materials. 2010;19:291–299.
52. Danilenko VV. Synthesizing and Sintering of Diamond by Explosion. Moscow, Russia: Energoatomizdat; 2003.
53. Mitura S, Mitura K, Niedzielski P, Louda P, Danilenko V. Nanocrystalline diamond, its synthesis, properties and applications. J Achieve Mater Manuf Eng. 2006;16:9–16.
54. Schärtl W, editor. Light Scattering from Polymer Solutions and Nanoparticle Dispersions. Berlin, Germany: Springer-Verlag; 2007.
55. Chaffin WL, Lopez-Ribot JL, Casanova M, Gozalbo D, Martinez JP. Cell wall and secreted proteins of Candida albicans: Identification, function, and expression. Microbiol Mol Biol Rev. 1998;62:130–180. [PMC free article] [PubMed]
56. Panacek A, Kvitek L, Prucek R, et al. Silver colloid nanoparticles: Synthesis, characterization and their antibacterial activity. J Phys Chem B. 2006;110:16248–16253. [PubMed]
57. Martinez-Castanon GA, Nino-Martinez N, Martinez-Gutierrez F, Martinez-Mendoza JR, Ruiz F. Synthesis and antibacterial activity of silver nanoparticles with different sizes. J Nanopart Res. 2008;10:1343–1348.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3023237/

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *