Antibacterial and antibiofilm activity of Cu/Cu₂O NPs against multidrug-resistant bacteria

Abstract

Вступ. Мультирезистентні бактерії є дуже небезпечними та становлять серйозну проблему в усіх сферах охорони здоров’я: часто викликають захворювання, які не піддаються лікуванню антибіотиками, що призводить до неефективності лікування, ускладнень і високих затрат. Пошук нових антимікробних препаратів є одним із ключових компонентів успішної боротьби з інфекціями, що спричинені мультирезистентними бактеріями. Дана робота присвячена дослідженню антимікробної та антибіоплівкової активності наночастинок оксиду міді (Cu/Cu₂O) відносно мультирезистентних бактерій. Матеріали та методи досліджень. Кубічні наночастинки Cu/Cu₂O було синтезовано поліольним методом. Фізико-хімічні характеристики наночастинок досліджували за допомогою просвічуючої електронної мікроскопії, рентгенівської дифракції, енергодисперсійної спектроскопії та Фур’є-інфрачервоної спектроскопії. Лабораторні музейні бактеріальні штами (S. aureusATCC 25923. E. coli ATCC 25922, P. aeruginosa ATCC 27853) та клінічні штами мультирезистентних бактерій (S. aureus, E. coli, P. aeruginosa), що виділені від пацієнтів із гнійно-запальними процесами використовувалися для вивчення антибактеріальних властивостей наночастинок. Результати. Кубічні наночастинки Cu/Cu₂O показали ефективність відносно як грамнегативних так і грампозитивних бактерій, але антибіоплівкова активність наночастинок Cu/Cu₂O виявилася більш перспективною по відношенню до грамнегативних бактерій. Наночастинки Cu/Cu₂O виявилися менш ефективними відносно мультирезистентних штамів планктонних бактерій порівняно з лабораторними штамами. Не було виявлено істотних відмінностей між дією наночастинок Cu/Cu₂O на біоплівки, що сформовані музейними та клінічними штамами мультирезистентних бактерій. Обговорення. Результати цього дослідження можуть бути корисними для розробки нових ліків і підходів до лікування інфекцій, спричинених мультирезистентними мікроорганізмами. Необхідні подальші дослідження для з’ясування основних механізмів дії наночастинок Cu/Cu₂O, оптимізації їх складу та оцінки їх безпеки та ефективності в доклінічних і клінічних умовах.

Introduction. Multidrug-resistant (MDR) bacteria are very dangerous and represent a major problem in all areas of healthcare: they often cause diseases that cannot be treated with antibiotics, which leads to long-term ineffective treatment, complications, and high treatment costs. Searching for new antimicrobials is one of the key components of a successful fight against infections caused by MDR. This study was designed to elucidate the antimicrobial and antibiofilm activities of copper/copper oxide nanoparticles (Cu/Cu₂O NPs) against MDR bacteria. Methods. Cubic Cu/Cu₂O NPs were synthesized by the polyol method. The physicochemical characteristics of the nanoparticles were investigated using transmission electro microscope, X-ray diffraction investigation, energy dispersive spectroscopy and Fourier-transform infrared spectroscopy. Laboratory reference bacterial strains (S. aureus ATCC 25923. E. coli ATCC 25922, P. aeruginosa ATCC 27853) and MDR clinical strains isolated from patients with a purulent process (S. aureus, E. coli, P. aeruginosa) were used to examine the antibacterial effect of nanoparticles. Results. Cubic Cu/Cu₂O NPs showed antimicrobial activity against both Gram-negative and Gram-positive bacteria, but the antibiofilm activity of Cu/Cu₂O NPs was more promising for targeting Gram-negative bacteria. Cu/Cu₂O NPs were less effective against MDR strains of planktonic bacteria in comparison to laboratory reference strains. No significant differences were found between the action of the Cu/Cu₂O NPs on biofilms formed with reference laboratory strains or MDR clinical strains. Discussion. The findings of this research may be useful to develop new drugs and approaches for treating infection caused by MDR microorganisms. Further research is warranted to elucidate the underlying mechanisms of Cu/Cu₂O NPs action, optimize their formulation, and evaluate their safety and efficacy in preclinical and clinical settings.