تهیه، تعیین ویژگی‌های ساختاری و بررسی خاصیت ضدبیوفیلمی نانوالیاف‌های کوئرستین-فسفات‌باریوم

محورهای موضوعی : میکروب شناسی پزشکی

سمیه مجتبوی ¹ , خشایار وجدانی طلب ² , مانیکا نگهداری پور ³ , محمدرضا دلنوازی ⁴ , محمد علی فرامرزی ⁵

1 - دانشگاه علوم پزشکی تهران، دانشکده داروسازی، گروه بیوتکنولوژی دارویی
2 - دانشگاه علوم پزشکی تهران، دانشکده داروسازی، گروه بیوتکنولوژی دارویی
3 - دانشگاه علوم پزشکی شیراز، دانشکده داروسازی، گروه بیوتکنولوژی دارویی
4 - دانشگاه علوم پزشکی تهران، دانشکده داروسازی، گروه فارماکوگنوزی
5 - دانشگاه علوم پزشکی تهران، دانشکده داروسازی، گروه بیوتکنولوژی دارویی

تاریخ دریافت : 1401/09/18 تاریخ پذیرش : 1402/02/21 تاریخ انتشار : 1402/03/15

کلید واژه: نانوالیاف, کوئرستین, کلمات کلیدی: بیوفیلم, ساختار هیبریدی,

چکیده مقاله :

سابقه و هدف: گسترش مقاومت های دارویی و اثربخشی محدود آنتی‌ بیوتیک ها بر بیوفیلم حاصل از میکروارگانیسم های پاتوژن، در کنار افزایش روزافزون عفونت های بیمارستانی سبب تحمیل هزینه‌های سنگین بر سیستم بهداشت و درمان شده است. در مطالعه حاضر، نانوساختارهای هیبریدی کوئرستین-فسفات باریوم به منظور بهبود اثرات ضدبیوفیلمی آن تهیه و مشخصه یابی گردید. مواد و روش ها: برای تهیه نانوساختارهای هیبریدی، پس از اضافه کردن سولفات باریوم به بافر فسفات حاوی کوئرستین 1/0 میلی گرم بر میلی لیتر، مخلوط واکنش به مدت 10 دقیقه سونیکه و رسوب حاصله جمع آوری شد. غلظت بافر فسفات و سولفات باریوم به ترتیب در محدوده 250-50 و 50-10 میلی مولار بررسی شد تا نانوساختارهای هیبریدی با بیشینه میزان کوئرستین تثبیت شده بدست آید. نانوساختارهای هیبریدی حاصله با استفاده از میکروسکوپ الکترونی نگاره، طیف سنجی مادون قرمز و آنالیز پراش اشعه ایکس مشخصه یابی گردید و اثر آن بر جلوگیری از تشکیل و نیز تخریب بیوفیلم های باکتریایی ارزیابی شد. یافته ها: بازده تثبیت کوئرستین درون ساختارهای هیبریدی 95% بود. تصاویر حاصل از میکروسکوپ الکترونی نگاره، ساختارهایی الیاف مانند با سطحی صاف، بدون گره و یکنواخت را نشان داد. نانو‌الیاف‌ های هیبریدی توانستند به‌طورمعناداری میزان تشکیل بیوفیلم سودوموناس آئروژینوزا را 100 درصد و بیوفیلم استافیلوکوکوس اورئوس را 80 درصد مهار نمایند. همچنین در حضور کوئرستین تثبیت شده (500 میلی گرم در لیتر)، بیوفیلم های استافیلوکوکوس اورئوس 75 و باسیلوس سوبتیلیس 70 درصد تخریب شدند. نتیجه گیری: با توجه به اثرات ضدبیوفیلمی قابل توجه نانوالیاف های هیبریدی کوئرستین-فسفات باریوم، استفاده از آن ها در تجهیزات پزشکی، فرآیندهای درمانی و محیط زیست می تواند ثمربخش باشد.

چکیده انگلیسی:

Background & Objectives: The spread of drug resistance and limited effects of antibiotics on the pathogenic biofilms along with the increasing number of hospital infections have imposed heavy costs on the healthcare system. In the present study, quercetin-barium phosphate hybrid nanostructures were fabricated and characterized in order to improve their antibiofilm activity. Materials and methods: To prepare hybrid nanostructures, barium sulfate was added to sodium phosphate buffer containing quercetin (0.1 mg mL–1), the reaction mixture was sonicated for 10 min, and the obtained precipitate was collected. To obtain the hybrid nanostructures with the maximum immobilized quercetin, the concentrations of phosphate buffer and barium sulfate were examined in the range of 50–250 mM and 10–50 mM, respectively. The prepared hybrid nanostructures were characterized using scanning electron microscopy, infrared spectroscopy, and X-ray diffraction analysis, their effects were evaluated in preventing and destroying bacterial biofilms as well. Results: The immobilization yield of quercetin within hybrid structures was 95%. The scanning electron microscope images showed fiber-like structures with smooth, knot-free, and uniform surfaces. Quercetin-barium phosphate hybrid nanofibers significantly inhibited the biofilm formation in Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus by 100% and 80%. Also, in the presence of the immobilized quercetin (500 mg L–1), biofilms of Staphylococcus aureus and Bacillus subtilis were destroyed by 75% and 70%. Conclusion: Due to the notable antibiofilm properties of quercetin-barium phosphate hybrid nanofibers, they could be useful in medical devices, and therapeutic and environmental processes.

منابع و مأخذ:

1. Wang Y, Tao B, Wan Y, Sun Y, Wang L, Sun J, Li C. Drug delivery based pharmacological enhancement and current insights of quercetin with therapeutic potential against oral diseases. Biomed Pharmacother. 2020; 128: 110372.


2. Salehi B, Machin L, Monzote L, Sharifi-Rad J, Ezzat SM, Salem MA, Merghany RM, El Mahdy NM, Kılıç CS, Sytar O, Sharifi-Rad M. Therapeutic potential of quercetin: New insights and perspectives for human health. Acs Omega. 2020; 5(20): 11849–72.


3. Liu Y, Ji X, He Z. Organic–inorganic nanoflowers: from design strategy to biomedical applications. Nanoscale. 2019; 11(37): 17179–94.


4. Arasoğlu T, Derman S, Mansuroğlu B, Uzunoğlu D, Koçyiğit BS, Gümüş B, Acar T, Tuncer B. Preparation, characterization, and enhanced antimicrobial activity: quercetin-loaded PLGA nanoparticles against foodborne pathogens. Turk J Biol. 2017; 41(1): 127–40.


5. Kiani M, Mojtabavi S, Jafari-Nodoushan H, Tabib SR, Hassannejad N, Faramarzi MA. Fast anisotropic growth of the biomineralized zinc phosphate nanocrystals for a facile and instant construction of laccase@ Zn₃(PO₄)₂ hybrid nanoflowers. Int J Biol Macromol. 2022; 204: 520–31.


6. Fathali Z, Rezaei S, Faramarzi MA, Habibi-Rezaei M. Catalytic phenol removal using entrapped cross-linked laccase aggregates. Int J Biol Macromol. 2019; 122: 359–66.


7. Jafari-Nodoushan H, Mojtabavi S, Faramarzi MA, Samadi N. Organic-inorganic hybrid nanoflowers: The known, the unknown, and the future. Adv Colloid Interface Sci. 2022; 102780.


8. Emami S, Foroumadi A, Faramarzi MA, Samadi N. Synthesis and antibacterial activity of quinolone‐based compounds containing a coumarin moiety. Arch Pharm. 2008; 341(1): 42–8.


9. Machado IE, Prado L, Gomes L, Prison JM, Martinelli JR. Optical properties of manganese in barium phosphate glasses. J Non-Cryst Solids. 2004; 348: 113–7.


10. Shokri M, Mojtabavi S, Jafari-Nodoushan H, Vojdanitalab K, Golshani S, Jahandar H, Faramarzi MA. Laccase-loaded magnetic dialdehyde inulin nanoparticles as an efficient heterogeneous natural polymer-based biocatalyst for removal and detoxification of ofloxacin. Biodegradation 2022; 33(5): 489–508.


11. Rezayaraghi F, Jafari-Nodoushan H, Mojtabavi S, Golshani S, Jahandar H, Faramarzi MA. Hybridization of laccase with dendrimer-grafted silica-coated hercynite-copper phosphate magnetic hybrid nanoflowers and its application in bioremoval of gemifloxacin. Environ Sci Pollut Res. 2022; 29(59): 89255–72.


12. Mojtabavi S, Khoshayand MR, Torshabi M, Gilani K, Fazeli MR, Faramarzi MA, Samadi N. Formulation, characterization, and bioactivity assessments of a laccase-based mouthwash. J Drug Delivery Sci Technol. 2022: 69: 103128.


13. Mojtabavi S, Khoshayand MR, Fazeli MR, Faramarzi MA, Samadi N. Development of an enzyme-enhancer system to improve laccase biological activities. Int J Biol Macromol. 2021; 173: 99–108.


14. Vojdanitalab K, Jafari-Nodoushan H, Mojtabavi S, Shokri M, Jahandar H, Faramarzi MA. Instantaneous synthesis and full characterization of organic–inorganic laccase-cobalt phosphate hybrid nanoflowers. Sci Rep. 2022; 12(1): 1–6.


15. Khan MA, Zhou C, Zheng P, Zhao M, Liang L. Improving physicochemical stability of quercetin-loaded hollow zein particles with chitosan/pectin complex coating. Antioxidants. 2021; 10(9): 1476.


16. Hariri P, Jafari-Nodoushan H, Mojtabavi S, Hadizadeh N, Rezayaraghi F, Faramarzi MA. Magnetic casein aggregates as an innovative support platform for laccase immobilization and bioremoval of crystal violet. Int J Biol Macromol. 2022; 202: 150–60.


17. Scalia S, Mezzena M. Incorporation of quercetin in lipid microparticles: Effect on photo-and chemical-stability. J Pharm Biomed Anal. 2009; 49(1): 90–4.


18. Yu XN, Qian CX, Wang X. Bio-inspired synthesis of barium phosphates nanoparticles and its characterization. Dig J Nanomater. Biostructures 2015; 10: 199–205.


19. Barreto AC, Santiago VR, Mazzetto SE, Denardin JC, Lavín R, Mele G, Ribeiro ME, Vieira IG, Gonçalves T, Ricardo NM, Fechine PB. Magnetic nanoparticles for a new drug delivery system to control quercetin releasing for cancer chemotherapy. J Nanopart Res. 2011; 13(12): 6545–53.


20. Vashisth P, Nikhil K, Pemmaraju SC, Pruthi PA, Mallick V, Singh H, Patel A, Mishra NC, Singh RP, Pruthi V. Antibiofilm activity of quercetin-encapsulated cytocompatible nanofibers against Candida albicans. J Bioact Compat Polym. 2013; 28(6): 652–65.


21. Kim MK, Lee TG, Jung M, Park KH, Chong Y. In vitro synergism and anti-biofilm activity of quercetin–pivaloxymethyl conjugate against Staphylococcus aureus and Enterococcus Species. Chem Pharm Bull. 2018; 66(11): 1019–22.

22. Singh AK, Yadav S, Sharma K, Firdaus Z, Aditi P, Neogi K, Bansal M, Gupta MK, Shanker A, Singh RK, Prakash P. Quantum curcumin mediated inhibition of gingipains and mixed-biofilm of Porphyromonas gingivalis causing chronic periodontitis. RSC Adv. 2018; 8(70): 40426–45.