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Method Article
Nanopartikel wie Halbleiter-Quantenpunkten (QP) verwendet werden, um photoaktivierbare Agenten für anti-mikrobiellen oder Anti-Krebs-Anwendungen zu erstellen. Diese Technik zeigt, wie Wasser-löslich zu Cadmium-Tellurid (CdTe) QDs, konjugieren sie gegen ein Antibiotikum, und führen Sie einen bakteriellen Hemmtest auf Wachstumskurven und die Keimzahl basiert.
Quantenpunkte (QP) sind fluoreszierende Halbleiter-Nanopartikel mit größenabhängigen Emissionsspektren, die durch eine breite Auswahl an Wellenlängen angeregt werden kann. Quantenpunkte haben ein großes Interesse für die Bildgebung, Diagnostik, Therapie und dank ihres hellen, stabile Fluoreszenz 1,2 3,4,5 angezogen. QD konjugiert werden kann, um eine Vielzahl von bioaktiven Molekülen zur Bindung an Bakterien und Säugerzellen 6.
QDs werden auch allgemein als Zytostatika für die gezielte Tötung von Bakterien untersucht. Die Entstehung der mehrfach resistente Bakterienstämme sich schnell zu einer Krise des öffentlichen Gesundheitswesens, insbesondere im Fall von Gram-negative Erreger 7. Wegen der bekannten antimikrobiellen Wirkung bestimmter Nanomaterialien, insbesondere Ag, gibt es Hunderte von Studien, welche die Toxizität von Nanopartikeln zu 8 Bakterien. Bakterielle Studien mit anderen Typen von Halbleiter-Nanopartikeln sowie, durchgeführt Especbeugende Wartung TiO2 9,10-11, sondern auch ZnO-12 und andere, einschließlich CuO 13. Einige Vergleiche von Bakterienstämmen wurden in diesen Studien durchgeführt, üblicherweise Vergleichen eines Gram-negativen Stamm mit einem Gram-positiven. Entweder die Photoerzeugung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) von den Partikeln oder die direkte Freisetzung von Metallionen, die oxidative Toxizität verursachen können: Mit all diesen Teilchen werden Mechanismen der Toxizität gegenüber Oxidation zugeschrieben. Selbst mit diesen Materialien gibt es unterschiedliche Ergebnisse verschiedener Studien erheblich. In einigen Studien die Gram-positive Test-Stamm ist dem Vernehmen empfindlicher als der Gram-negativen 10, in anderen ist es umgekehrt 14. Diese Studien wurden gut 15 bewertet.
In allen Studien Nanopartikel können Partikel Zusammensetzung, Größe, Oberflächenchemie, Probe Alterung / Abbau und Wellenlänge, Leistung und Dauer der Lichteinwirkung alle dramatischen Einfluss auf die Ergebnisse. Darüber hinaus SYNTHESIs Nebenprodukte und Lösungsmittel müssen 16 17 berücksichtigt werden. High-Throughput-Screening-Techniken nötig sind, um in der Lage sein, neue wirksame Nanomedizin Mittel zu entwickeln.
CdTe-QDs haben antimikrobielle Wirkungen allein 18 oder in Kombination mit Antibiotika. In einer vorangegangenen Studie konnten wir zeigen, dass die Kopplung von Antibiotika kann zu CdTe Toxizität gegenüber Bakterien zu erhöhen, sondern verringern die Toxizität für Säugerzellen, aufgrund der verringerten Produktion von reaktiven Sauerstoff-Spezies aus den Konjugaten 19. Obwohl es unwahrscheinlich, dass Cadmium-Verbindungen zur Verwendung bei Menschen zugelassen werden wird, könnte eine solche Zubereitungen zur Desinfektion von Oberflächen oder Sterilisieren von Wasser verwendet werden.
In diesem Protokoll, geben wir einen einfachen Ansatz zur Solubilisierung CdTe-QDs mit Mercaptopropionsäure (MPA). Die Quantenpunkte sind bereit, innerhalb einer Stunde zu nutzen. Wir haben dann zu demonstrieren eines antimikrobiellen Mittels Kopplung.
Der zweite Teil des Protokollsdemonstriert eine 96-Well-bakteriellen Hemmtest mit den konjugierten und unkonjugierten QDs. Die optische Dichte wird über viele Stunden zu lesen, es gestatten, die Wirkungen der Zugabe und QD Belichtung sofort als auch nach einer Erholungszeit ausgewertet. Wir zeigen auch eine Zählung der Kolonien für die Quantifizierung von Bakterien das Überleben.
1. QD Solubilisierung
Dies ist eine geeignete Methode für CdTe. Ähnliche Verfahren können mit anderen Arten von QD wie InP / ZnS 20 und CdSe / ZnS 21 verwendet werden.
Repräsentative Ergebnisse: Abbildung 1 zeigt ein Bild von CdTe-QDs unter UV-Lampe Beleuchtung, und Emissionsspektren vor und nach Wasser Solubilisierung, zeigt vernachlässigbare Veränderung von der Kappe Austausch. Die Größe Werte der Kerndurchmesser gemessen durch Elektronenmikroskopie.
2. QD Konjugation an Antibiotika
Dieser Teil des Protokolls ist anwendbar auf alle negativ geladene Wasser gelösten Nanopartikel, darunter die meisten kommerziellen QDs, Metallpartikel, 19 und mehr.
Repräsentative Ergebnisse. In diesem Beispiel wird PMB Konjugation durch Veränderungen in QD-Emission-Spektrum charakterisiert. Abbildung 2 zeigt die Spektren von CdTe-QDs mit PMB hinaus.
3. Vorbereitung der Bakterien für 96-Well-Screen; Bestimmung von Antibiotika-IC 50
Dies ist auf fast jedes Bakterienstamm in einem geeigneten Medium gezüchtet 18. Die genaue Länge der Zeit die Aufnahmen sollten weiterhin abhängig von der bakteriellen Wachstumsrate. In unserem Beispiel verwenden wir Escherichia coli in Lysogenie Brühe (LB)-Medium.
wobei H der Hill-Koeffizient ist, y max der höchste Punkt des Wachstums (im Idealfall auf einem Plateau) und y min ist der Nullpunkt, auch ideal auf einem Plateau. Es ist unwahrscheinlich, dass QD allein wesentlich Toxizität für die Zellen bei den verwendeten Konzentrationen zeigen, so dass ein Wert nicht bestimmt werden.
Repräsentative Ergebnisse. Am Ende der Aufnahmezeit wird klar Vertiefungen zeigen vollständige Zelltod, und einen Gradienten von Zelldichte sollte entlang steigenden Konzentrationen des Arzneimittels zu sehen. Die Bakterien sollten für S-förmigen Wachstumskurven (5 A), die Lage des Maximums Plateau wird sehr von Stamm zu Stamm und hängt auch von der Temperatur ab. Ein gegebenen Zeitpunkt kanngewählt als Vertreter und die Werte aufgetragen gegen log [Antibiotikum], um dem IC 50 (Abbildung 5 B). Um QD Toxizität zu bewerten, Überleben vs Log [QD] kann auch aufgetragen werden, aber Erzielung erheblicher Abtöten der Bakterien mit QDs allein ist selten (Abbildung 5 C).
4. Vorbereitung der Bakterien für 96-Well-Screen mit Antibiotika / QDs
Repräsentative Ergebnisse. Die Kombination von Quantenpunkten und Antibiotikum möglicherweise weniger toxisch als Antibiotikum allein, gleich toxisch; oder mehr giftig. Dies kann quantifiziert werden mit Hilfe der Wachstumskurven und IC 50 Messungen werden. Abbildung 7 zeigt ein Beispiel, dass Konjugate gleich toxisch als Antibiotikum allein, und ein Beispiel für Konjugate, die giftiger sind.
5. Keimzahl
Abbildung 8 zeigt ein Beispiel CFU Platte.
6. Repräsentative Ergebnisse
Abbildung 1. CdTe-QDs. (A) acht Zubereitungen von CdTe-QDs die Beleuchtung mit einer UV-Stab (365 nm). (B) Absorptions-und Emissionsspektren von fünf ausgewählten Größen vor und nach der Wasser-Solubilisierung. Die gestrichelten Linien sind Spektren in Toluol, die durchgezogenen Linien in Wasser.
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Abbildung 2. Spectral-und Gel-Analyse der QD-PMB-Konjugate. Orange-emittierende CdTe-QDs wurden für dieses Beispiel verwendet, die Auswirkungen auf andere Arten von QDs müssen für jedes Experiment ausgewertet werden. (A) Typische Absorption (graue Linie) und Emissionsspektren (schwarze Linie) der QDs vor der Konjugation von PMB und der Emission (gestrichelte Linie) nach der Zugabe von 160 Moläquivalenten PMB. (B) Beziehung zwischen dem Verhältnis von PMB und dem QD Emissionsintensität (Quadrate) und Peakwellenlänge Lage (Dreiecke).
Abbildung 3. Empfohlene Platte Layout für die Steuerung Wachstumsfuge. Eine Vielzahl von PMB und QD-Konzentrationen dargestellt. Die eine Hälfte der Platte wird bestrahlt (blau hervorgehoben), und eine identische Hälfte wird vor Licht geschützt. Klicken Sie hierfür eine größere Abbildung zu sehen.
Abbildung 4. Benutzerdefinierte 96-LED-Lampe für eine gleichmäßige Bestrahlung Platte, welche Erscheinung aus-und einschalten. Eine typische Hand-UV-Lampe kann auch verwendet werden, jedoch wird nicht die gesamte Platte gleichmäßig.
Abbildung 5. Beispiel für Kontrolle Wachstumsfuge. (A) Repräsentative Bakterienwachstum Kurven mit unterschiedlichen Wirkstoffkonzentrationen, von 0 abzuschließen Zelltod. Die offenen Symbole sind nur mit PMB Konzentrationen gegeben, die festen Symbole sind CdTe-PMB ohne Bestrahlung, und die halb gefüllte Symbole sind CdTe-PMB mit Bestrahlung. Die Bestrahlung hatte keinen Einfluss auf den PMB nur Muster, so dass diese Kurven aus Gründen der Klarheit weggelassen wurden. Alle PMB-CdTe-Konjugate sind 30:1 PMB: QD-Verhältnisse. (B) Plots der Wachstumskurve Werte bei 200 min vs Log [PMB] und passt zu Gl. (1). Um control für die Wirkung des Lichts wird eine Kurve mit Antibiotika nur 30 min mit der Belichtung erfolgen. (C) die Überlebensrate der Bakterien bei 200 min vs QD-Konzentration, mit CdTe-QDs. Einige Toxizität ist mit der Belichtung, aber zu wenig, um einen IC 50-Wert bestimmen zu sehen. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung anzuzeigen .
Abbildung 6. Vorgeschlagene Layout für Konjugat Testplatte. Die blau-markierten Hälfte der Platte sollte sie dem Licht ausgesetzt werden, und der nicht hervorgehobenen Hälfte wird geschützt. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung anzuzeigen .
Abbildung 7. Beispiel für konjugierte Testplatte. Wachstumskurve Werte bei 200 min waren plotted und fit zu Gl. (1). (A) CdTe-PMB-Konjugate Toxizität über PMB allein erhöht. (B) Gold-Nanopartikel-Au-PMB-Konjugate zeigen keine erhöhte Toxizität über PMB allein.
Abbildung 8. Beispiel einer CFU Platte. E. coli in einer 96-Well-Platte ausgesät wurde mit QD-PMB mit oder ohne Bestrahlung für 30 min behandelt. dann bei 32 ° C für 4 Stunden inkubiert. Serielle Verdünnungen von jeder bakteriellen Probe wurden mit Kochsalzlösung und 10 ul 100 X 10 7 X Verdünnungen wurden auf Agarplatten ausplattiert. Die Platten wurden inkubiert bei 37 ° C und Kolonien nach 16 Stunden gezählt. Die Platte zeigt, die Verdünnungen entlang der Reihen wie angegeben, die Säulen sind: (A) 0,06 uM PMB + 2 nM CdTe, (B) 0,12 uM PMB + 4 nM CdTe (C) 0,2 uM PMB + 6,7 nM CdTe, (D) 0,06 um PMB + 2 nM CdTe bestrahlt, (E) 0,12 uM PMB + 4 nM CdTe bestrahlt, (F) 0,2 uM PMB + 6,7 nM CdTe Bestrahlungsbestrahlte.
Nanopartikel bieten einen vielversprechenden Ansatz zur Schaffung neuer antimikrobieller Mittel. Wachstumskurvenanalyse ist ein Weg, der bakteriellen Zelldichte, die aktiv wachsenden Zellen von Wachstum gehemmt Zellen zeichnet überwachen. Wenn mit Platte gekoppelt zählt, ermöglicht es einer gründlichen Analyse des Antibiotikums Potenzial eines Konjugats. Der 96-Well-Format erlaubt relativ hohem Durchsatz Variationen der Konzentration und anderer Bedingungen, wie Belichtung, die letztere ist entscheidend für Licht a...
Keine Interessenskonflikte erklärt.
Diese Arbeit wurde vom NSERC Individuelle Discovery-Programms, dem NSERC / CIHR Collaborative Health Research Program (CHRP) und dem kanadischen NSERC CREATE Astrobiologie Training Program (CAPT) gefördert.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Name | Firma | Katalog-Nummer | Kommentare (optional) |
Boratpuffer Component # 1 | Fischer | Borsäure A-74-1 | |
Boratpuffer Component # 2 | Sigma-Aldrich | Natriumtetraborat B9876 | |
MPA | Sigma-Aldrich | M5801 | |
Vivaspin 500 | GE Healthcare | 28-9322 | Verschiedene MWCO verfügbar |
Glasfläschchen | Fischer | 03-338C | |
EDC | Sigma-Aldrich | E6383 | |
Polymyxin B | Sigma-Aldrich | P1004 | |
Bakterielle growth Medium (LB)-Komponente Nr. 1 | Fischer | NaCl-S271 | |
Bakterienwachstum Medium (LB)-Komponente # 2 | BD | Trypton 211705 | |
Bakterienwachstum Medium (LB)-Komponente # 3 | BD | Hefeextrakt 211929 | |
Lampe für Belichtung | Brauch | ||
Clear-bottom 96-Well Platten | Fischer | 07-200-567 oder 07-200-730 | |
Fluoreszenz-Spektrometer | Molecular Devices | ||
Die Absorption Plattenlesegerät | Molecular Devices | ||
Bactoagar für feste Medien | Bioshop | AGR001.1 | |
Petrischalen runden | Fischer | 08-75-12 | |
Petrischalen rechteckigen | Fischer | 08 bis 757-11A |
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