تأثیر نانوذرات دی اکسید تیتانیوم بر بیان ژن‌ های موثر در تولید زیست لایه در سویه های کلبسیلا نومونیه مقاوم

محورهای موضوعی : باکتری شناسی

مرضیه شفیعی ¹ , کیومرث امینی ² , پروانه جعفری ³

1 - گروه میکروب شناسی ، واحد علوم و تحقیقات ، دانشگاه آزاد اسلامی ، اراک، ایران
2 - دانشیار،گروه میکروبیولوژی، دانشکده علوم پایه، واحد ساوه، دانشگاه آزاد اسلامی، ساوه - ایران.
3 - گروه میکروب شناسی ، دانشکده علوم، دانشگاه آزاد اسلامی ، اراک، ایران

تاریخ دریافت : 1401/05/18 تاریخ پذیرش : 1401/09/20 تاریخ انتشار : 1401/12/15

کلید واژه: مقاومت آنتی بیوتیکی, نانوذرات TiO2, زیست لایه, کلبسیلا نومونیه,

چکیده مقاله :

سابقه و هدف: توانایی کلبسیلا نومونیه به عنوان یک باکتری فرصت طلب در عفونت های بیمارستانی، با تولید بیوفیلم بر روی ادوات طبخ مواد غذایی و سطوح بیمارستان، تأثیرات نامطلوبی بر درمان و زنده مانی بیماران بستری در بیمارستان دارد. مطالعه حاضر با هدف بررسی تأثیر نانو ذراتTiO2 بر تشکیل بیوفیلم کلبسیلا نومونیه انجام شده است.مواد و روش ها: نانوذراتTiO2 با استفاده از روش سُل-ژل تولید شد. 62 سویه کلبسیلا نومونیه از سه بیمارستان تهران جدا شد. فعالیت ضد میکروبی نانوذرات TiO2 در برابر سویه های مولد بیوفیلم و مقاوم به آنتی بیوتیک از طریق روش انتشار دیسک تعیین شد. شناسایی قطعی جدایه ها از طریق آزمایش های بیوشیمیایی متداول و تعیین توالیS rRNA 16 انجام شد و بیان ژن های treC ، mrkD، sugE،luxS وSrRNA 16 توسط Real time PCR مورد بررسی قرار گرفت.یافته ها: داده ها نشان داد که توانایی تشکیل بیوفیلم در بین جدایه های به دست آمده از خلط از سایر جدایه ها بیشتر بود. نانو ذرات TiO2 با غلظتμg/ml256 تولید بیوفیلم را در چهارده سویه جدا شده مهار نمودند. مقایسه بیان ژن LuxS در کلبسیلا نومونیه تیمار نشده و تحت تیمار باTiO2 نشان داد که میزان بیان ژن 3/85 برابر کاهش یافته است (0/002 =.(pنتیجه گیری: این مطالعه نشان داد که نانوذراتTiO2 سنتز شده در برابر تشکیل بیوفیلم در سویه های کلبسیلا نومونیه مقاوم به چند دارو موثر هستند و می توانند به عنوان عوامل ضد میکروبی غیر آلی قابل اعتماد و کاربردی باشند.

چکیده انگلیسی:

Background and Objectives: The ability of Klebsiella pneumoniae as an opportunistic bacterium in hospital infections, by producing biofilm on food utensils and hospital surfaces, has adverse effects on the treatment and survival of hospitalized patients. The present study was conducted with the aim of investigating the effect of TiO2 nanoparticles on Klebsiella pneumoniae biofilm formation.Materials and methods: TiO2 nanoparticles were produced using sol-gel method. 62 strains of Klebsiella pneumoniae were isolated from three hospitals in Tehran. Antimicrobial activity of TiO2 nanoparticles against biofilm-producing and antibiotic-resistant strains was determined by disk diffusion method. Definitive identification of the isolates was done through common biochemical tests and 16S rRNA sequencing, and the expression of treC, mrkD, sugE, luxS and 16SrRNA genes was investigated by real time PCR.Findings: The data showed that the ability to form biofilm among isolates obtained from sputum was higher than other isolates. TiO2 nanoparticles with a concentration of 256 μg/ml inhibited biofilm production in fourteen isolated strains. Comparison of LuxS gene expression in Klebsiella pneumoniae untreated and treated with TiO2 showed that the level of gene expression decreased by 3.85 times (p = 0.002).Conclusion: This study showed that the synthesized TiO2 nanoparticles are effective against the formation of biofilm in Klebsiella pneumoniae strains resistant to several drugs and can be reliable and useful as inorganic antimicrobial agents.

منابع و مأخذ:

1. Wyres KL, Lam MM, Holt KE. Population genomics of Klebsiella pneumoniae. Nature Reviews Microbiology. 2020:1-16.


2. Choby JE, Howard‐Anderson J, Weiss DS. Hypervirulent Klebsiella pneumoniae–clinical and molecular perspectives. J Intern Med. 2020;287(3):283-300.


3. Ernst CM, Braxton JR, Rodriguez-Osorio CA, Zagieboylo AP, Li L, Pironti A, et al. Adaptive evolution of virulence and persistence in carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae. Nat Med. 2020;26(5):705-11.


4. Maruthapandi M, Saravanan A, Luong JH, Gedanken A. Antimicrobial Properties of the Polyaniline Composites against Pseudomonas aeruginosa and Klebsiella pneumoniae. Journal of functional biomaterials. 2020;11(3):59.


5. Khan S, Khan SN, Akhtar F, Misba L, Meena R, Khan AU. Inhibition of multi-drug resistant Klebsiella pneumoniae: nanoparticles induced photoinactivation in presence of efflux pump inhibitor. Eur J Pharm Biopharm. 2020.


6. Wu G, Ji H, Guo X, Li Y, Ren T, Dong H, et al. Nanoparticle reinforced bacterial outer-membrane vesicles effectively prevent fatal infection of carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine. 2020;24:102148.


7. Ikram M, Umar E, Raza A, Haider A, Naz S, Ul-Hamid A, et al. Dye degradation performance, bactericidal behavior and molecular docking analysis of Cu-doped TiO 2 nanoparticles. RSC Advances. 2020;10(41):24215-33.


8. Kose O, Tomatis M, Leclerc L, Belblidia N-B, Hochepied J-F, Turci F, et al. Impact of the physicochemical features of TiO2 nanoparticles on their in vitro toxicity. Chem Res Toxicol. 2020;33(9):2324-37.


9. Gao Y, Nie W, Zhu Q, Wang X, Wang S, Fan F, et al. The Polarization Effect in Surface‐Plasmon‐Induced Photocatalysis on Au/TiO2 Nanoparticles. Angewandte Chemie. 2020;132(41):18375-80.


10. Cano EJ, Caflisch KM, Bollyky PL, Van Belleghem JD, Patel R, Fackler J, et al. Phage therapy for limb-threatening prosthetic knee Klebsiella pneumoniae infection: case report and in vitro characterization of anti-biofilm activity. Clin Infect Dis. 2020.


11. Alavi M, Karimi N. Antiplanktonic, antibiofilm, antiswarming motility and antiquorum sensing activities of green synthesized Ag–TiO2, TiO2–Ag, Ag–Cu and Cu–Ag nanocomposites against multi-drug-resistant bacteria. Artificial cells, nanomedicine, and biotechnology. 2018;46(sup3):S399-S413.


12. Moori Bakhtiari N, Javadmakoei S. Survey on biofilm production and presence of attachment factors in human uropathogenic strains of Escherichia coli. Jundishapur Journal of Microbiology. 2017;10(6).


13. Desai V, Meenal K. Antimicrobial activity of titanium dioxide nanoparticles synthesized by sol-gel technique. Res J Microbiol. 2009;4(3):97-103.


14. Nailis H, Kucharíková S, Řičicová M, Van Dijck P, Deforce D, Nelis H, et al. Real-time PCR expression profiling of genes encoding potential virulence factors in Candida albicans biofilms: identification of model-dependent and-independent gene expression. BMC microbiology. 2010;10(1):1-11.


15. Munoz-Price LS, Poirel L, Bonomo RA, Schwaber MJ, Daikos GL, Cormican M, et al. Clinical epidemiology of the global expansion of Klebsiella pneumoniae carbapenemases. The Lancet infectious diseases. 2013;13(9):785-96.


16. Seifi K, Kazemian H, Heidari H, Rezagholizadeh F, Saee Y, Shirvani F, et al. Evaluation of biofilm formation among Klebsiella pneumoniae isolates and molecular characterization by ERIC-PCR. Jundishapur journal of microbiology. 2016;9(1).


17. Yang D, Zhang Z. Biofilm-forming Klebsiella pneumoniae strains have greater likelihood of producing extended-spectrum β-lactamases. Journal of Hospital Infection. 2008;68(4):369-71.


18. Natarajan K. Antibiofilm activity of epoxy/Ag-TiO2 polymer nanocomposite coatings against Staphylococcus aureus and Escherichia coli. Coatings. 2015;5(2):95-114.


19. Ibrahem KH. Synthesis and antibiofilm activity of metal oxide nanoparticles against some Gram-negative bacteria. Annals of Tropical Medicine and Public Health. 2020;23:231-402.


20. Rosenberg M, Visnapuu M, Vija H, Kisand V, Kasemets K, Kahru A, et al. Selective antibiofilm properties and biocompatibility of nano-ZnO and nano-ZnO/Ag coated surfaces. Scientific reports. 2020;10(1):1-15.


21. Singh P, Kim YJ, Wang C, Mathiyalagan R, El-Agamy Farh M, Yang DC. Biogenic silver and gold nanoparticles synthesized using red ginseng root extract, and their applications. Artificial cells, nanomedicine, and biotechnology. 2016;44(3):811-6.


22. Awad NK, Edwards SL, Morsi YS. A review of TiO2 NTs on Ti metal: Electrochemical synthesis, functionalization and potential use as bone implants. Materials Science and Engineering: C. 2017;76:1401-12.


23. Pratt AS, Smith PR. Antimicrobial compositions consisting of metallic silver combined with titanium oxide or tantalum oxide. Google Patents; 1989.


24. Haghighi F, Roudbar Mohammdi S, Mohammadi P, Eskandari M. Comparative evaluation of the effects of TiO2 nanoparticles and its photocatalystic form on the formation of fungal biofilms. Journal of Arak University of Medical Sciences. 2012;15(1):27-34.


25. Reddy PVL, Kavitha B, Reddy PAK, Kim K-H. TiO2-based photocatalytic disinfection of microbes in aqueous media: a review. Environ Res. 2017;154:296-303.