Biologická aktivita nanočástic stříbra vůči eukaryotním a prokaryotním organismům

Mgr. Monika SMÉKALOVÁ

Doctoral thesis

Abstract:

Tato disertační práce shrnuje poznatky z oblasti biologické aktivity nanočástic stříbra (AgNP) vůči eukaryotním a prokaryotním organismům. Na jedné straně se zabývá studiem bakteriální citlivosti (antibakteriální aktivita) a odolnosti (rezistence) vůči AgNP a na straně druhé řeší otázku jejich cytotoxicity vůči savčím buňkám a ekotoxicity vůči Daphnia magna. První část práce je zaměřena na studium posílení antibakteriálního působení antibiotik kombinací s AgNP. Míra kombinovaného účinku byla hodnocena pomocí frakční inhibiční koncentrace (FIC) získané mikrodiluční metodou. Získané hodnoty FIC prokázaly silný synergický efekt různých antibiotik v kombinaci s AgNP proti Gram-negativním i Gram-pozitivním bakteriím při velmi nízkých koncentracích řádově desetin až jednotek mg/l, které nevykazovaly cytotoxický efekt vůči savčím buňkám. Nezanedbatelný kombinovaný antibakteriální účinek antibiotik a AgNP byl prokázán i vůči testovaným zvířecím patogenním bakteriím. Z aplikačního pohledu lze za velice úspěšný výsledek považovat obnovení antibakteriálního účinku amoxicilinu pomocí AgNP proti multirezistentní bakterii Actinobacillus pleuropneumoniae způsobující závažné infekční onemocnění prasat. Druhá část disertační práce odpovídá na otázku, zda se u bakterií může vyvinout rezistence k AgNP podobně jako k antibiotikům po dlouhodobé a opakované expozici. Escherichia coli a Pseudomonas aeruginosa byly opakovaně vystavovány subinhibičním koncentracím AgNP a po každé kroku byla určena minimální inhibiční koncentrace (MIC). Na základě zvyšující se MIC byla již po 13 expozičních krocích jasně prokázána zvýšená odolnost bakterií vůči AgNP. Mechanismus takto indukované rezistence spočívá v produkci proteinu flagelinu, který vyvolává agregaci a nárůst velikosti AgNP, které tak ztrácí své antibakteriální účinky. Celkový náhled na biologickou aktivitu AgNP uzavírá studium jejich chronické toxicity pro korýše D. magna. V této studii byl zkoumán vliv koncentrace kultivačního média a použití povrchového stabilizátoru AgNP na stabilitu a chronickou toxicitu AgNP vůči D. magna na základě sledování jejich viability a reprodukce. Získané výsledky prokázaly zásadní vliv kultivačního média na stabilitu a krystalinitu AgNP, které výrazně ovlivňovaly chronickou toxicitu AgNP.

Abstract:

Dissertation thesis summarizes results related to the biological activity of silver nanoparticles (AgNPs) against eukaryotic and prokaryotic organism. On the one hand, the thesis is focused on the study of bacterial sensitivity (antibacterial activity) and resistance against AgNPs and, on the other hand, AgNPs cytotoxicity towards mammalian cells and ecotoxicity towards Daphnia magna is discussed. First part of the thesis is focused on study of the enhancement of antibiotic antibacterial activity in combination with AgNPs. The effect of combined activity was evaluated by using of fraction inhibition concentration index (FIC) measured by microdilution method. Obtained values of FIC demonstrated strong synergistic effect of various antibiotics with AgNPs against both, Gram-positive and Gram-negative bacteria. The effect was proved even at low concentrations (in the order of tenths to units mg/l), where no cytotoxic effect against mammalian cells was observed. Enhanced antibacterial effect of antibiotics in combination with AgNPs was also proved against animal pathogenic bacteria. From the application point of view is one of the most successful results restoration of antibacterial action of amoxicillin against multi-resistant bacteria Actinobacillus pleuropneumoniae, which causes serious causing respiratory disease and mortality in pigs. The second part deals with question of whether bacteria can develop resistance against AgNPs similar to the resistance against antibiotics after long-term and repeated exposition. Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa were repeatedly exposed to sub-inhibition concentrations of AgNPs. After each step minimal inhibition concentration (MIC) was measured. Increasing tolerance of bacteria towards AgNPs resulting from increasing value of MIC has already been proven after 13th exposition steps. The mechanism of induced resistance is based on production of protein flagellin, which causes aggregation and increase of AgNP size. This is accompanied by a loss of antibacterial activity. The overview of the biological activity of AgNPs is completed by study of chronic toxicity against crustacean Daphnia magna. There were studied influence of concentration of culture medium and use of surface stabilisation agent to the stability and chronic toxicity of AgNPs against Daphnia magna. The study was carried out on the basis of monitoring of viability and reproduction. The obtained results proved essential influence of culture media to the stability and crystallinity of AgNPs, which significantly influenced chronic toxicity of AgNPs.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 19. 4. 2018

Thesis defence

PALACKÝ UNIVERSITY OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry / Physical Chemistry