Eco-vriendelijke koperoxide nanodeeltjes gedopeerd met gember en knoflookextracten tonen krachtige antibacteriële activiteit tegen Escherichia coli

Samenvatting

De opkomst van antibioticaresistente bacteriën en de persistentie van medicijnrestanten in voedselketens vormen een wereldwijde volksgezondheidscrisis. Conventionele antibiotica zijn steeds minder effectief, wat een snelle ontwikkeling van nieuwe antimicrobiële middelen vereist. Koperoxide (CuO) nanodeeltjes (ND's) bieden een veelzijdig anorganisch platform met bewezen antimicrobiële eigenschappen. In deze studie werden CuO ND's gesynthetiseerd via een groene route en gedopeerd met variërende concentraties gember (Zingiber officinale, ZO) en knoflook (Allium sativum, AS) extracten. De resulterende biogene ND's werden geëvalueerd tegen een pathogeen stam van Escherichia coli geïsoleerd van bovine mastitis. De data bevestigen dat gember-gedopeerde CuO ND's, met name bij een 6 mL : 1 extractverhouding, superieure bacteriecide activiteit vertonen, wat een kosteneffectieve, eco-vriendelijke alternatief voor conventionele antibiotica benadrukt.

Inleiding

Kruidenachtige planten zoals knoflook en gember zijn rijk aan fenolische verbindingen die krachtige antioxidantische en antibacteriële effecten vertonen. Gember bevat gingerol, shogaol en curcumine, terwijl knoflook een bron is van allicine en andere zwavelhoudende moleculen die breed-spectrum activiteit vertonen, inclusief tegen multidrug-resistente (MDR) stammen (refs [1]–[6]).

Nanotechnologie maakt het ontwerp van materialen met unieke fysico-chemische eigenschappen mogelijk. Koperoxide nanodeeltjes zijn onderzocht voor diverse toepassingen – antimicrobiële middelen, geneesmiddelafgifte, fotokatalysatoren en sensoren – dankzij hun halfgeleideraard en vermogen om reactieve zuurstofsoorten (ROS) te genereren die bacteriële membranen verstoren (refs [10]–[15]).

Escherichia coli is een sleutelpathogeen in de veterinaire en humane geneeskunde. In melkvee veroorzaken MDR E. coli stammen die extended-spectrum β-lactamases (ESBLs) of AmpC β-lactamases produceren, mastitis en aanzienlijke economische schade (refs [18]–[25]). Deze uitdagingen benadrukken de urgentie van nieuwe antimicrobiële middelen die traditionele resistentiemechanismen omzeilen.

Hier verkennen we groen-gesynthetiseerde CuO ND's, gedopeerd met gember- en knoflookextracten, als potentiële alternatieven voor antibiotica bij de bestrijding van E. coli infecties.

Methoden

Het doel was om de bactericide effectiviteit van fytochemisch gereduceerde CuO ND's te beoordelen tegen gember- en knoflookwortelextracten en een E. coli isolaat afkomstig van bovine mastitis.

Materialen

Chemisch gesynthetiseerde CuO ND's (Sigma-Aldrich) en gedroogde gember- en knoflookwortels (Lahore markt) werden gebruikt. Standaard groeimedia en analytische reagentia werden ongewijzigd toegepast.

Aqueuze extractie van ZO en AS wortels

Wortels werden vermalen, gemengd met gedestilleerd water (1:10 verhouding), 30 min geroerd bij 70 °C, gefilterd (Whatman Nr. 1), afgekoeld en opgeslagen bij 4 °C (Fig. 1a).

Groene synthese van CuO

Een 0,1 M koper(II)-nitraat oplossing werd gemengd met 3, 6 of 12 mL ZO of AS extract onder continue roeren. De pH werd ingesteld op 12 met 2 M NaOH, 2 uur verwarmd bij 90 °C om neerslag te vormen, welke gecentrifugeerd werd (10.000 rpm, 20 min), gewassen en overnacht gedroogd bij 90 °C (Fig. 1b).

Karakterisatie

UV-vis absorptie (200–500 nm) werd geregistreerd met een GENESYS-10S spectrophotometer. Röntgendiffractie (XRD) werd uitgevoerd op een Bruker D2 Phaser (Cu Kα, λ = 1,540 Å). Fourier-transformatie infrarood (FTIR) spectra werden verkregen via ATR-FTIR. Scanning elektronenmicroscopie (SEM) en energie-dispersieve Röntgenspectroscopie (EDS) werden uitgevoerd op een JSM-6610LV. Hoge-resolutie transmissie elektronenmicroscopie (HRTEM) en geselecteerde-gebied elektrondiffractie (SAED) werden uitgevoerd op een JEOL JEM-2100F. Röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS) werd gebruikt om elementaire toestanden te bevestigen.

E. coli isolatie en identificatie

Monstername

Melkmonsters werden verzameld van koeien en buffels met klinische mastitis over verschillende boerderijen.

E. coli isolatie

MacConkey agar werd gebruikt om monsters te kweken; kolonies werden subgekweekt en aan antibioticagevoeligheidstests onderworpen volgens NCCLS-richtlijnen.

Identificatie van E. coli

Gram-kleuring, morfologische beoordeling en biochemische tests (methyl-rood, catalase) bevestigden E. coli isolaten, bevestigd door groei op EMB agar.

In vitro antibacteriële evaluatie

Schijf-diffusie assays werden uitgevoerd tegen 10 pathogene E. coli isolaten. Petrischalen gezaaid met 1,5 × 10⁸ CFU/mL en 6-mm putjes gevuld met 100 µL van elke testoplossing (extracten, gedopeerde ND's, of chemisch gesynthetiseerde CuO). Platen werden geïncubeerd bij 37 °C gedurende 24 u, en inhibitiezones (mm) werden gemeten met een schuifmaat. Data geanalyseerd met one-way ANOVA (p < 0,05).

Resultaten en Discussie

UV-vis spectra toonden een kleurshift van wijnrood tot koolzwart tijdens CuO ND vorming. Extracten toonden maxima bij 275 nm (ZO) en 280 nm (AS). Gedopeerde CuO ND's vertoonden λmax bij 250 nm, met optimale absorptie bij een 6 mL : 1 extractverhouding (Fig. 2a,b).

XRD patronen bevestigden de monokliene CuO fase (JCPDS 00-002-1040). Kristallijngroottes waren 24,7 nm (ZO-gedopeerd), 47,6 nm (AS-gedopeerd) en 27,4 nm (onbehandeld) (Fig. 3a,b). FTIR spectra toonden karakteristieke O-H, C=O en Cu-O trillingen, wat fytochemische capping bevestigt (Fig. 4a,b).

SEM-afbeeldingen toonden spherische nanodeeltjes met agglomeraten <1 µm; EDS bevestigde hoge zuiverheid van Cu en O, met minor Zn en S signalen van de extracten (Fig. 5,6).

Schijf-diffusie assays toonden aan dat ZO-gedopeerde CuO ND's bij een 6 mL : 1 verhouding de grootste inhibitiezones produceerden (tot 2,30 mm) en een bactericide effectiviteit van 54,1 % (Fig. 9a–c). AS-gedopeerde ND's vertoonden matige activiteit, met een maximum van 1,00 mm zone en 23,5 % effectiviteit bij de hoogste extractconcentratie (Fig. 9b–d). De positieve controle (ciprofloxacine) produceerde een 4,25 mm zone, terwijl de negatieve controle (DIW) geen inhibitie vertoonde.

Het antibacteriële mechanisme wordt toegeschreven aan ROS-generatie en Cu²⁺ ion vrijgave, leidend tot membraanverstoring, proteïne denaturatie en DNA-schade (Fig. 10). Kleinere ND's produceren hogere ROS-niveaus, wat de bactericide efficiëntie verhoogt.

Conclusies

Groen-gesynthetiseerde CuO ND's gedopeerd met gember- en knoflookextracten vertonen significante antibacteriële activiteit tegen pathogene E. coli uit bovine mastitis. Gember-gedopeerde ND's, met name bij een 6 mL : 1 verhouding, leverden de hoogste effectiviteit, waarschijnlijk door synergistische interacties tussen flavonoïden en CuO. Structurele analyses bevestigden een monokliene fase, spherische morfologie en nanometrische grootte (24,7 nm voor ZO-gedopeerd, 47,6 nm voor AS-gedopeerd). Deze bevindingen ondersteunen het gebruik van op planten gebaseerde CuO ND's als economische, milieuvriendelijke alternatieven voor conventionele antibiotica, het adresseren van het groeiende probleem van antibioticaresistentie en residuverontreiniging.