Verbesserung der antimikrobiellen Aktivität von Silbernanopartikeln gegen Krankheitserreger durch Verwendung von Teeextrakten

Forscher am Institut für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IPC PAS) haben gezeigt, dass Grüntee-Silber-Nanopartikel ein wirksames Mittel gegen Krankheitserreger wie Bakterien und Hefen sind. Ihre Arbeit ist veröffentlicht In Fortschritte im Nanomaßstab.

Ihr Ziel war es, eine effiziente Methode zur Bekämpfung von Bakterien zu entwickeln, denen antimikrobielle Wirkstoffe wie Antibiotika sonst nichts anhaben können.

Der übermäßige Einsatz von Antibiotika hat zur Entstehung von Resistenzen gegen diese Verbindungen geführt und ist zu einer der größten Gesundheitsbedrohungen weltweit geworden.

Infolgedessen ist die Antibiotikaresistenz schneller entstanden als die Weiterentwicklung von Antibiotika, ein Phänomen, das vom Wissenschaftlerteam des IPC PAS unter der Leitung von Prof. Jan Paczesny erforscht wurde, der neue Nanoformulierungen für den Einsatz gegen weit verbreitete und herausfordernde Krankheitserreger wie ESKAPE vorschlug Bakterien (Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa und Enterobacter spp.) und andere problematische Hefepilzerreger wie Candida auris oder Cryptococcus neoformans.

Diese Mikroorganismen entwickeln bei Behandlung mit handelsüblichen Antibiotika schnell Antibiotikaresistenzen. Als Zielgruppe wählten die Forscher ESKAPE, da diese Erreger zu schweren Erkrankungen führen, von Sepsis bis hin zu Krebs.

Vor einigen Monaten beschloss Paczesnys Team, Silbernanopartikel, die für ihre antimikrobiellen und antimykotischen Eigenschaften bekannt sind, mit Teeextrakten zu kombinieren, die reich an Polyphenolen sind und antioxidative Eigenschaften besitzen. Das Konzept wurde entwickelt, um die Breitbandwirksamkeit gegen Krankheitserreger mithilfe grüner Hybrid-Silber-Nanopartikel (AgNPs) zu verbessern, die deutlich wirksamer sind als alle Inhaltsstoffe und sogar wirksamer als bestimmte Antibiotika.

Warum sind diese Hybridpartikel so besonders? In ihrer Arbeit wurden drei bekannte Teesorten: schwarzer Tee (B-Tea), grüner Tee (G-Tea) und Pu-Erh-Tee (R-Tea) als Verschlussmittel verwendet, das als Stabilisator zum Schutz fungiert die synthetisierten Partikel vor der Aggregation. Dadurch bieten die Partikel im Vergleich zu anderen Formulierungen eine hohe aktive Oberfläche. Darüber hinaus ist eine solche Synthese umweltfreundlich, da bei der Fällung natürliche Inhaltsstoffe verwendet werden.

Die erzeugten Strukturen variieren in Form und Größe zwischen 34 und 65 nm, abhängig von der bei der Synthese verwendeten Teesorte, und zeigen unterschiedliche Reaktivität gegenüber Mikroorganismen.

Ursprünglich wurden Silbernanopartikel, die in Gegenwart von Teeextrakten (B-TeaNPs, G-TeaNPs und R-TeaNPs) hergestellt wurden, zur Behandlung von gramnegativen (E. coli) und grampositiven (E. faecium) Bakterienstämmen verwendet, um das zu testen Wirkung auf Stämme mit unterschiedlichen Zellhüllenmorphologien. Sie untersuchten die Wechselwirkungen zwischen den hergestellten Nanopartikeln und den Krankheitserregern, um die Wirksamkeit zu bestimmen, und verglichen die Ergebnisse mit kommerziell erhältlichen Antibiotika.

Anschließend wurden die ESKAPE-Krankheitserreger nach einem Protokoll auf die effektivste Konzentration und Zusammensetzung der Partikel getestet. Dabei zeigte sich eine bis zu 25-prozentige Abnahme der Bakterienzellzahl bei E. faecium und eine 90-prozentige Abnahme bei E. cloacae . Interessanterweise zeigten die grünen Silbernanopartikel auch antimykotische Aktivität, was zu einem Rückgang der Anzahl lebensfähiger Zellen um 80 % bei C. auris und etwa 90 % bei C. neoformans führte.

Sada Raza, die Erstautorin der Studie, behauptet: „Darüber hinaus hängt die Größe von Nanopartikeln normalerweise mit der zytotoxischen Wirkung von Nanomaterialien zusammen, wobei kleinere Partikel zytotoxischer sind. Dies sollte Kontroll-AgNPs und R-TeaNPs gegenüber G-TeaNPs begünstigen.“ B-TeaNPs in unseren Experimenten. Dies war nicht der Fall. In den meisten Experimenten zeigten C-AgNPs und R-TeaNPs die geringste antimikrobielle Wirksamkeit. Dies steht im Einklang mit anderen Studien, die zeigten, dass die Größe kein primärer Faktor ist, der die antimikrobielle Wirksamkeit beeinflusst Aktivität von AgNPs.“

Die antibakteriellen und antimykotischen Eigenschaften von Silbernanopartikeln, die aus Teeextrakten hergestellt werden, sind aufgrund ihres hohen Gehalts an phenolischen Verbindungen, Isoflavonoiden (insbesondere Catechine wie Epigallocatechin (EGC) und Epigallocatechingallat (EGCG)), größer als die von Silbernanopartikeln allein. Diese Kombinationen, die biologisch aktive Teeextrakte und kleinere Mengen an Silbernanopartikeln verwenden, scheinen eine potenzielle Möglichkeit zur Bekämpfung einer Reihe von Infektionen zu sein und in einigen Anwendungen sogar Antibiotika zu ersetzen.

„Wir haben festgestellt, dass mit Teeextrakten synthetisierte Silbernanopartikel stärkere antibakterielle Eigenschaften haben als Silbernanopartikel allein. Daher könnten niedrigere Dosierungen von TeaNPs verwendet werden (0,1 mg mL−1). Wir haben bestätigt, dass in einigen Fällen die synergistische Wirkung von Teeextrakten und … „Silbernanopartikel ermöglichten eine höhere Wirksamkeit als Antibiotika (Ampicillin), wenn sie bei gleichen Konzentrationen (0,1 mg mL−1) und nach einer relativ kurzen Expositionszeit von drei Stunden getestet wurden“, sagt Mateusz Wdowiak, Mitautor dieser Arbeit.

Die Forscher fanden heraus, dass die antimikrobiellen Hybrid-Nanopartikel im Vergleich zu Antibiotika oder einzelnen Verbindungen zu einer deutlichen Reduzierung der Bakterien führten. Obwohl nicht alle Bakterien abgetötet wurden, stellt dies eine erhebliche Verbesserung dar, die die Behandlung von Superkeimen mit viel geringeren Dosen als bei anderen kommerziell erhältlichen Verbindungen unterstützen könnte.

Die Menge an hybriden Silbernanopartikeln, die zur Bekämpfung von Bakterien- oder Pilzinfektionen benötigt wird, ist äußerst gering, was sie kostengünstig macht. Der Schlüssel zu ihrer guten Verwendung liegt also nicht nur in der Funktionalität, sondern auch in den niedrigen Kosten der Anwendung.

Es handelt sich um einen Ansatz, der auch zur Bekämpfung anderer schwer behandelbarer bakterieller Infektionen angepasst werden kann. Die neuen Nanopartikel, die von Forschern am IPC PAS entwickelt wurden, könnten uns der wirksamen Abtötung tödlicher arzneimittelresistenter Superbakterien einen Schritt näher bringen und eine Alternative zu Antibiotika gegen gramnegative und grampositive Bakterien darstellen. Diese Studie zeigt auch, dass in diesem Bereich noch viel zu tun ist. Separat verwendete Verbindungen waren viel weniger wirksam als der grüne Hybrid.

Das Hauptziel der Forscher ist es, Nanopartikel künftig im Alltag einzusetzen, beginnend mit landwirtschaftlichen Anwendungen. In größerem Maßstab könnte das vorgeschlagene Material auch in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise als Zusatzstoff für Wundauflagen zum Schutz vor gramnegativen und grampositiven Bakterien. Sie hoffen auch, die Nanotechnologie nutzen zu können, um gezieltere Behandlungen für arzneimittelresistente Superbakterien zu entwickeln.