Russian Journal of Infection and ImmunityRussian Journal of Infection and ImmunityИнфекция и иммунитет2220-76192313-7398SPb RAACI135910.15789/2220-7619-MNA-1359SHORT COMMUNICATIONSКРАТКИЕ СООБЩЕНИЯMetal nanoparticle antibacterial effect оn antibiotic-resistant strains of bacteriaАнтибактериальный эффект наночастиц металлов на антибиотикорезистентные штаммы бактерийhttps://orcid.org/0000-0001-9578-4335UdegovaE. S.УдеговаЕ. С.
Russian Federation

5th year Student majoring in Medical Cybernetics

Krasnoyarsk 

студентка 5 курса специальности «Медицинская кибернетика»

г. Красноярск 

To-oz@ya.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1260-5790GildeevaK. A.ГильдееваК. А.
Russian Federation

5th year Student majoring in Medical Cybernetics

Krasnoyarsk 

студентка 5 курса специальности «Медицинская кибернетика»

г. Красноярск 

karinusyagil@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-2713-8726RukosuevaT. V.РукосуеваТ. В.
Russian Federation

PhD (Biology), Associate Professor, Department of Microbiology named after Associate Professor B.M. Zelmanovich

Krasnoyarsk 

к.б.н., доцент кафедры микробиологии им. доц. Б.М. Зельмановича

г. Красноярск 

ru-ta@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0554-8764BakerS.СьедБ.
Russian Federation

PhD (Biology), Professor, Department of Microbiology named after Associate Professor B.M. Zelmanovich

Krasnoyarsk 

к.б.н., преподаватель кафедры микробиологии им. доц. Б.М. Зельмановича

г. Красноярск 

syedbaker3@gmail.comKrasnoyarsk State Medical University named after Professor V.F. Voino-YasenetskyФГБОУ ВО Красноярский государственный медицинский университет им. профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого200920211147717761001202029112020Copyright ©; 2021, Udegova E.S., Gildeeva K.A., Rukosueva T.V., Baker S.Copyright ©; 2021, Удегова Е.С., Гильдеева К.А., Рукосуева Т.В., Сьед Б.2021Udegova E.S., Gildeeva K.A., Rukosueva T.V., Baker S.Удегова Е.С., Гильдеева К.А., Рукосуева Т.В., Сьед Б.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://iimmun.ru/iimm/article/view/1359

The rapid formation of microbial resistance to modern antibacterial drugs requires to search for new, alternative therapies. It is known that some organisms, such as plants, algae, fungi, are able to convert inorganic metal ions into metal nanoparticles due to the recovery process carried out by proteins, sugars and metabolites contained in the tissues and cells of these organisms. At the same time, many plants (e.g., plantain, yarrow, wormwood, turmeric long, calendula, marsh bagulnik, etc.) and metals (copper, silver, gold, zinc, etc.) themselves have antibacterial properties, so that metal nanoparticles obtained by biological method, or via “Green” synthesis method, from extracts of such plants can become a current alternative to many modern antibacterial drugs. The antibacterial mechanism of action of nanoparticles depends on the type of microorganisms affected, as well as on the type of nanoparticles, their concentration, size, and how they are obtained. Based on this, the study of the antibacterial effect of nanoparticles is one of the promising directions of solving the problem of microbial antibiotic resistance. There was examined antibacterial effect of metal nanoparticles containing silver, copper and gold obtained by biological method from the salts of AgNO3, CuSO4, H[AuCl4] metals, respectively, and the extract of the plant — turmeric long (lat. Curcuma longa) — related to the following bacteria strain collection: E. coli (ATCC 25922), S. aureus (ATCC 25923), MRSA (ATCC 38591) and polyresistant clinical strains isolated from patients of the Regional clinical hospital (Krasnoyarsk) — К. рneumoniae, strain 104, P. аeruginosa, strain 40, P. аeruginosa, strain 215, А. baumannii, strain 210, А. baumannii, strain 211. Study allowed to identify the minimum suppressive concentration of nanoparticles by the method of serial dilutions (MUK 4.2.1890-04) with azurin dye. It was proved that metal nanoparticles exhibit different antibacterial efficacy depending on the type of nanometals used and bacterial cultures. Copper nanoparticles have the highest antibacterial activity, and gold nanoparticles have the lowest. The most marked antibacterial effect was observed against clinical polyresistant strains. Metal nanoparticles can become an alternative to the currently known antibacterial drugs, but despite the high efficiency of nanoparticles against polyresistant to antibacterial drugs microorganisms in vitro, it is necessary to take into account their possible toxic effect on live tissues, which requires further study in experiments in vivo.

Быстрое формирование устойчивости микроорганизмов к современным антибактериальным препаратам требует поиска все новых, альтернативных методов терапии. Известно, что некоторые организмы, например растения, водоросли, грибы, способны превращать ионы неорганических металлов в металлические наночастицы за счет процесса восстановления, осуществляемого белками, сахарами и метаболитами, содержащимися в тканях и клетках этих организмов. Вместе с тем многие растения (подорожник, тысячелистник, полынь, куркума длинная, календула, багульник болотный и т. д.) и металлы (медь, серебро, золото, цинк и т. д.) сами по себе обладают антибактериальными свойствами. Таким образом наночастицы металлов, полученные биологическим методом, или методом «зеленого» синтеза, из экстрактов таких растений, могут стать альтернативой существующим на данным момент многим современным антибактериальным препаратам. Антибактериальный механизм действия наночастиц зависит как от вида микроорганизмов, на которые оказывается воздействие, так и от типа наночастиц, их концентрации, размера, а также от способа их получения. В работе изучен антибактериальный эффект наночастиц серебра, меди и золота, полученных биологическим методом из солей металлов AgNO3, CuSO4, H[AuCl4] соответственно и экстракта растения — куркумы длинной (лат. Curcuma longa), — в отношении коллекционных штаммов следующих бактерий: Е. coli (АТСС 25922), S. aureus (АТСС 25923), MRSA (АТСС 38591) и полирезистентных клинических штаммов, выделенных от пациентов КГБУЗ ККБ (г. Красноярск) — К. рneumoniae, штамм 104, P. аeruginosa, штамм 40, P. аeruginosa, штамм 215, А. baumannii, штамм 210, А. baumannii, штамм 211. В ходе исследования определена минимальная подавляющая концентрация наночастиц методом серийных разведений (МУК 4.2.1890-04) с красителем азурином. Доказано, что наночастицы металлов проявляют разную антибактериальную эффективность в зависимости от вида используемых нанометаллов и культур бактерий. Наибольшей антибактериальной активностью обладают наночастицы меди, наименьшей — наночастицы золота. Наиболее выраженный антибактериальный эффект наблюдается в отношении клинических полирезистентных штаммов. Наночастицы металлов могут стать альтернативой известным на сегодняшний день антибактериальным препаратам, но несмотря на высокую эффективность наночастиц в отношении полирезистентных к антибактериальным препаратам микроорганизмов in vitro, следует учитывать их возможное токсическое действие, оказываемое на живые ткани, что требует дальнейшего изучения в экспериментах in vivo.

antibiotic resistancepolyresistanceantibacterial effectmetal nanoparticlesgreen synthesissilvercoppergoldантибиотикорезистентностьполирезистентностьантибактериальный эффектнаночастицы металловзеленый синтезсеребромедьзолотоВыражаем признательность заведующей кафедрой микробиологии им. доц. Б.М. Зельмановича КрасГМУ им. проф. В.Ф. Войно-Ясенецкого Перьяновой Ольге Владимировне, консультировавшей авторов в процессе выполнения и написания работы, а также сотрудникам технического персонала кафедры Потки ной Надежде Константиновне и Школьной Вере Григорьевне за помощь в проведении исследований.1. Авдеенков П.П., Чистяков Н.Е. Механизм денитрификации // Наука, техника и образование. 2019. № 4 (57). С. 19–22. [Avdeenkov P.P., Chistyakov N.E. Denitrification mechanism. Nauka, tekhnika i obrazovanie = Science, Technology and Education, 2019, no. 4 (57), pp. 19–22. (In Russ.)]2. Буданова Е.В., Горленко К.Л., Киселев Г.Ю. Вторичные метаболиты растений: механизмы антибактериального действия и перспективы применения в фармакологии // Антибиотики и химиотерапия. 2019. Т. 64, № 5–6. С. 69–76. [Budanova E.V., Gorlenko K.L., Kiselev G.Yu. Secondary plant metabolites: mechanisms of antibacterial action and perspectives of application in pharmacology. Antibiotiki i khimioterapiya = Antibiotics and Chemotherapy, 2019, vol. 64, no. 5–6, pp. 69–76. (In Russ.)] doi: 10.24411/0235-2990-2019-1000343. Гужова В.Ф., Чернова А.В., Казимирченко О.В. Исследование свойств соли, обогащенной фитокомпонентами лекарственных трав и специй // Вестник международной академии холода. 2017. № 4. С. 9–17. [Guzhova V.F., Chernova A.V., Kazimirchenko O.V. The Properties of salt enriched by phytocomponents of medicinal herbs and spices. Vestnik Mezhdunarodnoy akademii kholoda = Bulletin of the International Academy of Refrigeration, 2017, no. 4, pp. 9–17. (In Russ.)] doi: 10.21047/1606- 4313-2017-16-4-9-174. Дыкман Л.А., Щеголев С.Ю. Взаимодействие растений с наночастицами благородных металлов // Сельскохозяйственная биология. 2017. Т. 52, № 1. С. 13–24. [Dykman L.A., Shchyogolev S.Yu. Interactions of plants with noble metal nanoparticles (review). Sel’skokhozyaistvennaya biologiya = Agricultural Biology, 2017, vol. 52, no. 1, pp. 13–24. (In Russ.)] doi: 10.15389/agrobiology.2017.1.13rus5. Ефименко Т.А., Терехова Л.П., Ефременкова О.В. Современное состояние проблемы антибиотикорезистентности патогенных бактерий // Антибиотики и химиотерапия. 2019. № 5. С. 64–68. [Efimenko T.A., Terekhova L.P., Efremenkova O.V. Current state the problem of antibiotic resistance of pathogens. Antibiotiki i khimioterapiya = Antibiotics and Chemotherapy, 2019, no. 5, pp. 64–68. (In Russ.)] doi: 10.24411/0235-2990-2019-1000336. Леонтьев В.К., Кузнецов Д.В., Фролов Г.А., Погорельский И.П., Латута Н.В., Карасенков Я.Н. Антибактериальные эффекты наночастиц металлов // Российский стоматологический журнал. 2017. Т. 21, № 6. С. 304–307. [Leont’ev V.K., Kuznetsov D.V., Frolov G.A., Pogorelskiy I.P., Latuta N.V., Krasenkov Ya.N. Antibacterial effects of nanoparticles of metals. Rossiiskii stomatologicheskii zhurnal = Russian Dental Journal, 2017, vol. 21, no. 6, pp. 304–307. (In Russ.)] doi: 10.18821/1728-2802-2017-21-6-304-3077. Макаров В.В., Лав А., Синицына О.В., Макарова С.С., Яминский И.В., Тальянский М.Э., Калинина Н.О. «Зеленые» нанотехнологии: синтез металлических наночастиц с использованием растений // Acta Naturae (русскоязычная версия). 2014. Т. 6, № 1 (20). С. 37–47. [Makarov V.V., Lav A., Sinitsyna O.V., Makarova S.S., Yaminsky I.V., Talyansky M.E., Kalinina N.O. “Green” nanotechnologies: synthesis of metal nanoparticles using plants. Acta Naturae (Russian version), 2014, vol. 6, no. 1 (20), pp. 37–47. (In Russ.)] doi: 10.32607/20758251-2014-6-1-35-448. Тапальский Д.В., Тапальский Ф.Д. Антибактериальные свойства растительных экстрактов и их комбинаций с антибиотиками в отношении экстремально-антибиотикорезистентных микроорганизмов // Курский научнопрактический вестник «Человек и его здоровье». 2018. № 1. С. 78–83. [Tapalsky D.V., Tapalsky F.D. Antibacterial effects of herbal extracts and their combinations with antibiotics in relation to extensively antibiotic-resistant microorganisms. Kurskii nauchno-prakticheskii vestnik “Chelovek i ego zdorov’e” = Kursk Scientific and Practical Bulletin “Man and His Health”, 2018, no. 1, pp. 78–83. (In Russ.)] doi: 10.21626/vestnik/2018-1/129. Хохлова О.Е., Акушева Д.Н., Перьянова О.В., Корецкая Н.М., Абарникова О.В., Королькова Е.К., Белоусова Ю.Н., Саламатина О.В., Безручкина Т.Н., Князева К.М., Шогжал И.С., Поткина Н.К., Элярт В.Ф., Ямамото Т. Молекулярногенетические особенности метициллинрезистентных S. aureus, выделенных от лиц пенитенциарной системы, инфицированных ВИЧ // Сибирское медицинское обозрение. 2018. № 2 (110). С. 13–18. [Khokhlova O.E., Akusheva D.N., Per'yanova O.V., Koretskaya N.M., Abarnikova O.V., Korol'kova E.K., Belousova Yu.N., Salamatina O.V., Bezruchkina T.N., Knyazeva K.M., Shogzhal I.S., Potkina N.K., Elyart V.F., Yamamoto T. Molecular-genetic features of methicillin-resistant S. aureus, have got from the persons of the penitentiary system, infected with HIV. Sibirskoe meditsinskoe obozrenie = Siberian Medical Review, 2018, no. 2 (110), pp. 13–18. (In Russ.)] doi: 10.20333/2500136-2018-2-13-1810. Arokiyaraj S., Vincent S., Saravanan M., Lee Y., Oh Y.K., Kim K.H. Green synthesis of silver nanoparticles using Rheum palmatum root extract and their antibacterial activity against Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa. Artif. Cells, Nanomed. Biotechnol., 2017, vol. 45, no. 2, pp. 372–379. doi: 10.3109/21691401.2016.116040311. Baker S., Perianova O.V., Prudnikova S.V., Kuzmin A., Potkina N.K., Khohlova O.Y., Lobova T.I. Phytogenic nanoparticles to combat multidrug resistant pathogens and photocatalytic degradation of dyes. BioNanoScience, 2020, no. 10, pp. 486–492. doi: 10.1007/s12668-020-00727-z12. El-Seedi H.R., El-Shabasy R.M., Khalifa Sh.A.M., Saeed A., Shah A., Shah R., Iftikhar F.J., Abdel-Daim M.M., Omri A., Hajrahand N.H., Sabir J.S.M., Zou X., Halabi M.F., Sarhann W., Guo W. Metal nanoparticles fabricated by green chemistry using natural extracts: biosynthesis, mechanisms, and applications. RSC Advances, 2019, no. 9, pp. 24539–24559. doi: 10.1039/C9RA02225B13. Hasani A., Madhi M., Gholizadeh P., Mojarrad J.S., Rezaee M.A., Zarrini G., Kafil H.S. Metal nanoparticles and consequences on multi-drug resistant bacteria: reviving their role. SN Appl. Sci. 2019, no. 1 (4). doi: 10.1007/s42452-019-0344-414. Jayarambabu N., Akshaykranth A., Venkatappa Rao T., Venkateswara Rao K., Rakesh Kumar R. Green synthesis of Cu nanoparticles using Curcuma longa extract and their application in antimicrobial activity. Mater. Lett., 2019, vol. 259: 126813. doi: 10.1016/j.matlet.2019.12681315. Nasrollahzadeh M., Sajjadi M., Dadashi J., Ghafuri H. Pd-based nanoparticles: plant-assisted biosynthesis, characterization, mechanism, stability, catalytic and antimicrobial activities. Adv. Colloid Interface Sci., 2020, vol. 276: 102103. doi: 10.1016/j.cis.2020.102103