RU2598731C2 - Use of 1,3-dihydroxybenzol as sensitizers of bacterial cells to damaging action of nano-structured carbon compounds - Google Patents
Use of 1,3-dihydroxybenzol as sensitizers of bacterial cells to damaging action of nano-structured carbon compounds Download PDFInfo
- Publication number
- RU2598731C2 RU2598731C2 RU2014150585/15A RU2014150585A RU2598731C2 RU 2598731 C2 RU2598731 C2 RU 2598731C2 RU 2014150585/15 A RU2014150585/15 A RU 2014150585/15A RU 2014150585 A RU2014150585 A RU 2014150585A RU 2598731 C2 RU2598731 C2 RU 2598731C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- effect
- bacterial cells
- nano
- carbon
- group
- Prior art date
Links
- 0 *c(ccc(O)c1)c1O Chemical compound *c(ccc(O)c1)c1O 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области дезинфектологии, санитарии и гигиены, а именно к способам обеззараживания различных сред и поверхностей с использованием химических соединений и их композиций. В частности, изобретение предназначено для повышения чувствительности бактериальных клеток к последующему повреждающему действию дезинфектантов на основе наноструктурированных соединений углерода.The invention relates to the field of disinfection, sanitation and hygiene, and in particular to methods for disinfecting various environments and surfaces using chemical compounds and their compositions. In particular, the invention is intended to increase the sensitivity of bacterial cells to the subsequent damaging effect of disinfectants based on nanostructured carbon compounds.
Актуальность обеззараживания объектов окружающей среды определяется необходимостью прерывания основных путей передачи бактериальных инфекций (в том числе имеющих водный механизм передачи). Для достижения этой цели в настоящее время применяются две основные группы способов: безреагентные (физические) и реагентные (химические). При этом безреагентные способы обеззараживания в основном включают в себя ультрафиолетовую обработку [Патент РФ №2472712, опубл. 20.01.2013], а к реагентным относят обработку окислителями или специально отобранными химическими соединениями [Патент РФ №2499771, опубл. 27.11.2013]. Однако с течением времени микроорганизмы вырабатывают защитные механизмы к подобным повреждающим воздействиям: только за последние 20 лет устойчивость бактерий к ультрафиолету возросла в 4 раза, а к окислителям (хлору) в 6 раз [Huang J.J., Hu H.Y., Wu Y.H., Wei В., Lu Y. Effect of chlorination and ultraviolet disinfection on tetA-mediated tetracycline resistance of Escherichia coli // Chemosphere. 2013. 90(8); Р. 2247-2253].The relevance of disinfecting environmental objects is determined by the need to interrupt the main transmission routes of bacterial infections (including those with an aqueous transmission mechanism). To achieve this goal, two main groups of methods are currently used: reagent-free (physical) and reagent (chemical). Moreover, non-reagent disinfection methods mainly include ultraviolet treatment [RF Patent No. 2472712, publ. 01/20/2013], and the treatment of reagents includes oxidizing agents or specially selected chemical compounds [RF Patent No. 2499771, publ. 11/27/2013]. However, over time, microorganisms develop protective mechanisms for such damaging effects: only in the last 20 years the resistance of bacteria to ultraviolet has increased 4 times, and to oxidizing agents (chlorine) 6 times [Huang JJ, Hu HY, Wu YH, Wei B., Lu Y. Effect of chlorination and ultraviolet disinfection on tetA-mediated tetracycline resistance of Escherichia coli // Chemosphere. 2013. 90 (8); R. 2247-2253].
Решение обозначенной проблемы представляется возможным с использованием двух основных подходов: 1) путем сенсибилизации (повышения чувствительности) микроорганизмов к уже известным дезинфектантам; 2) путем разработки новых дезинфектанов, реализующих ранее неизвестные механизмы антибактериальной активности.The solution to this problem seems possible using two main approaches: 1) by sensitizing (increasing the sensitivity) of microorganisms to already known disinfectants; 2) through the development of new disinfectants that implement previously unknown mechanisms of antibacterial activity.
Известные способы сенсибилизации представлены использованием кватернизованных фталоцианинов цинка или алюминия [Патент РФ №2281953, опубл. 20.08.2006], а также композиций, в состав которых кроме названных соединений входят красители акридинового, родаминового или фенотиазинового ряда [Патент РФ №2235688, опубл. 10.09.2004]. При этом положительный эффект от их использования определяется первичным взаимодействием кватернизованных фталоцианинов цинка или алюминия с поверхностью бактериальных клеток, в отношении которых они выступают как фотосенсибилизаторы и при освещении ведут к образованию синглетного кислорода. Однако синглетный кислород является недостаточно сильным окислителем, в связи с чем продолжение подобного поиска было связано с разработкой модифицированного фталоцианинового сенсибилизатора, под действием света активирующего образование гидроксильных радикалов, обладающих более выраженными антибактериальными свойствами [Патент РФ №2375371, опубл. 10.12.2009]. Другим существенным недостатком подобных способов является необходимость удаления сенсибилизаторов из обеззараженной воды, т.к. подобные соединения способны оказать неблагоприятное воздействие не только на бактерии, но и на организм человека или животных. Для устранения этого недостатка синтезированы гетерогенные сенсибилизаторы, содержащие химическую прививку фталоцианинов к твердофазным аминопропилированным силикагелям [Патент РФ №2447027, опубл. 03.11.2010], а также предложен способ обеззараживания воды с использованием нерастворимых в воде гетерогенных сенсибилизаторов, в структуре активной фазы которых содержатся фталоцианины алюминия и цинка [Патент РФ №2520857, опубл. 27.06.2014]. Таким образом, сенсибилизация микроорганизмов к известным дезинфицирующим воздействиям имеет целый ряд недостатков, устранение которых делает вновь предлагаемые способы все более технически сложными и материально затратными.Known sensitization methods are represented by the use of quaternized phthalocyanines of zinc or aluminum [RF Patent No. 2281953, publ. 08/20/2006], as well as compositions, which in addition to the above compounds include dyes of acridine, rhodamine or phenothiazine series [RF Patent No. 2235688, publ. 09/10/2004]. In this case, the positive effect of their use is determined by the primary interaction of quaternized phthalocyanines of zinc or aluminum with the surface of bacterial cells, in respect of which they act as photosensitizers and, when illuminated, lead to the formation of singlet oxygen. However, singlet oxygen is not a strong oxidizing agent, and therefore the continuation of such a search was associated with the development of a modified phthalocyanine sensitizer, which activates the formation of hydroxyl radicals with more pronounced antibacterial properties under the action of light [RF Patent No. 2375371, publ. 12/10/2009]. Another significant drawback of such methods is the need to remove sensitizers from disinfected water, because such compounds can have an adverse effect not only on bacteria, but also on humans or animals. To eliminate this drawback, heterogeneous sensitizers have been synthesized containing the chemical grafting of phthalocyanines to solid-phase aminopropylated silica gels [RF Patent No. 2447027, publ. 11/03/2010], and also proposed a method of disinfecting water using water-insoluble heterogeneous sensitizers, the structure of the active phase of which contains aluminum and zinc phthalocyanines [RF Patent No. 2520857, publ. 06/27/2014]. Thus, the sensitization of microorganisms to known disinfecting effects has a number of disadvantages, the elimination of which makes the newly proposed methods more and more technically difficult and financially expensive.
Альтернативное решение обсуждаемой проблемы лежит в сфере поиска принципиально новых дезинфектантов, в том числе наночастиц и наноматериалов. Важным аргументом в пользу подобного поиска является принципиальная невозможность формирования у микроорганизмов устойчивости к нанодезинфектантам в связи с отсутствием аналогичных факторов в естественной среде их обитания. При этом спектр нанодезинфектантов принципиально может быть разделен на две основные группы: 1) наночастицы металлов и их оксидов; 2) углеродные наноматериалы.An alternative solution to the problem under discussion lies in the search for fundamentally new disinfectants, including nanoparticles and nanomaterials. An important argument in favor of such a search is the fundamental impossibility of the formation of microorganisms resistance to nanodisinfectants due to the absence of similar factors in their natural environment. Moreover, the spectrum of nano-disinfectants can be fundamentally divided into two main groups: 1) nanoparticles of metals and their oxides; 2) carbon nanomaterials.
Большинство известных из научно-технической и патентной литературы способов дезинфекции с использованием наночастиц металлов и их оксидов связано с использованием наночастицами серебра (Ag) и диоксида титана (TiO2). Так известны способы получения и использования антибактериальных композиций на основе дисперсии наночастиц Ag, стабилизированных хлоридом бензилдиметил [3-(миристоиламино) - пропил] аммония и другими четвертичными аммониевыми соединениями [Патенты РФ №2419439, опубл. 27.05.2011; №2427380, опубл. 27.08.2011], которые при совместном применении взаимно усиливают (до 20 раз) свое антибактериальное действие в отношении патогенных бактерий и грибов. Однако широкое применение подобных способов сдерживается, в основном, достаточно высокой стоимостью исходного драгоценного металла. В свою очередь, использование наночастиц диоксида титана основано на их способности к фотогенерации окисляющих агентов (в подобном контексте они выступают как «фотосенсибилизаторы») и преимущественно касается различных антимикробных покрытий на основе TiO2 [Патенты US 6235351 В1, опубл. 22.05.2001; US 7288232 В2, опубл. 30.10.2007; US 2004/0224145 А1, опубл. 11.11.2004; WO 2008/097778 А1, опубл. 14.08.2008]. Однако их существенными недостатками являются очень жесткие требования к обрабатываемой поверхности, необходимость термической обработки фотокаталитического покрытия при температурах до 350°С, а также достаточно большая продолжительность последующего облучения, требующегося для достижения 99,9%-ного дезинфицирующего эффекта.Most of the methods of disinfection using metal nanoparticles and their oxides known from the scientific, technical and patent literature are associated with the use of silver (Ag) and titanium dioxide (TiO 2 ) nanoparticles. So there are known methods for producing and using antibacterial compositions based on a dispersion of Ag nanoparticles stabilized with benzyl dimethyl [3- (myristoylamino) propyl] ammonium chloride and other quaternary ammonium compounds [RF Patents No. 2419439, publ. 05/27/2011; No. 2427380, publ. 08/27/2011], which, when used together, mutually enhance (up to 20 times) their antibacterial effect against pathogenic bacteria and fungi. However, the widespread use of such methods is restrained, mainly, by the rather high cost of the initial precious metal. In turn, the use of titanium dioxide nanoparticles is based on their ability to photogenerate oxidizing agents (in this context, they act as “photosensitizers”) and mainly concerns various antimicrobial coatings based on TiO 2 [Patents US 6235351 B1, publ. 05/22/2001; US 7288232 B2, publ. 10/30/2007; US 2004/0224145 A1, publ. 11/11/2004; WO 2008/097778 A1, publ. 08/14/2008]. However, their significant drawbacks are very stringent requirements on the surface to be treated, the need for heat treatment of the photocatalytic coating at temperatures up to 350 ° C, as well as the relatively long duration of subsequent irradiation required to achieve a 99.9% disinfecting effect.
Среди разнообразных аллотропных соединений углерода применение для целей дезинфекции получили углеродные нанотрубки и фуллерены. При этом ключевым (инициальным) этапом действия частиц наноуглерода является их физический контакт с поверхностью бактериальных клеток-мишеней, запускающий глубокие нарушения ассоциированных с клеточными мембранами метаболических процессов. Так известны способы удаления бактерий из водной среды путем внесения в нее многостенных углеродных нанотрубок до концентрации 0,002 г на 100 мл водного раствора. При этом в целях увеличения антимикробной активности углеродные нанотрубки функционализируются карбоновыми, фенольными, октадеканольными [Патент US 20120213663 А1, опубл. 23.08.2012] или додециламинными группами [Патент US 8754041 В2, опубл. 17.06.2014]. Известные из уровня техники примеры использования фуллеренов также предусматривают их ковалентную функционализацию различными химическими группировками (аддендами), попутно увеличивающими растворимость данных соединений в водной среде [Патент РФ №2501785, опубл. 20.12.2013].Among the various allotropic carbon compounds, carbon nanotubes and fullerenes have been used for disinfection purposes. In this case, the key (initial) stage of the action of nanocarbon particles is their physical contact with the surface of the bacterial target cells, triggering deep disturbances in metabolic processes associated with cell membranes. Thus, methods are known for removing bacteria from an aqueous medium by introducing multi-walled carbon nanotubes into it to a concentration of 0.002 g per 100 ml of an aqueous solution. Moreover, in order to increase antimicrobial activity, carbon nanotubes are functionalized with carbon, phenolic, and octadecanol [US Patent No. 20120213663 A1, publ. 08/23/2012] or dodecylamine groups [Patent US 8754041 B2, publ. 06/17/2014]. Examples of the use of fullerenes known from the prior art also provide for their covalent functionalization by various chemical groups (addends), simultaneously increasing the solubility of these compounds in an aqueous medium [RF Patent No. 2501785, publ. 12/20/2013].
В целом, анализ открытых источников позволяет констатировать, что нанодезинфектанты на основе углеродных наноматериалов экономически эффективны, стабильны в процессе хранения, а также реализуют ранее неизвестный антибактериальный механизм, устойчивость к которому у бактерий отсутствует и предположительно не может сформироваться. В то же время не полностью решенной задачей является обеспечение быстрого и выраженного антибактериального эффекта подобных нанодезинфектантов: в большинстве случаев углеродные нанотрубки и фуллерены по этим параметрам пока еще уступают ряду наиболее совершенных традиционных дезинфектантов.In general, an analysis of open sources allows us to conclude that nanodeinfectants based on carbon nanomaterials are cost-effective, stable during storage, and also implement a previously unknown antibacterial mechanism, the resistance to which is absent in bacteria and presumably cannot form. At the same time, an incompletely solved task is to ensure a quick and pronounced antibacterial effect of such nanodeinfectants: in most cases, carbon nanotubes and fullerenes are still inferior to some of the most advanced traditional disinfectants in these parameters.
С точки зрения заявителей, возможным путем усиления антибактериальной активности углеродных наноматериалов может стать сочетание описанных выше подходов, а именно предварительная сенсибилизация клеток-мишеней с последующим воздействием на них нанодезинфектантов. Из уровня техники подобные способы очистки сред и поверхностей от бактериального загрязнения не известны, в связи с чем заявляемое изобретение соответствует требованию новизны.From the point of view of applicants, a combination of the approaches described above, namely, preliminary sensitization of target cells with subsequent exposure to nanodeinfectants, may become a possible way of enhancing the antibacterial activity of carbon nanomaterials. The prior art such methods for cleaning environments and surfaces from bacterial contamination are not known, and therefore the claimed invention meets the requirement of novelty.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение чувствительности (сенсибилизация) бактериальных клеток к повреждающему действию наноструктурированных соединений углерода (нанотрубок и фуллеренов).The technical result of the present invention is to increase the sensitivity (sensitization) of bacterial cells to the damaging effect of nanostructured carbon compounds (nanotubes and fullerenes).
Задача решается применением в качестве сенсибилизаторов бактериальных клеток к повреждающему воздействию наноструктурированных соединений углерода производных 1,3-дигидроксибензола общей формулыThe problem is solved by the use of bacterial cells as sensitizers to the damaging effects of nanostructured carbon compounds of 1,3-dihydroxybenzene derivatives of the general formula
где каждый Ra, Rb, Rc и Rd независимо выбирают из группы, состоящей из: водорода; алкильной группы, такой как метил, этил, пропил, бутил, пентил, гексил, гептил, октил, нонил, децил и тому подобное, и где по меньшей мере два из Ra, Rc, и Rd представляют собой водород; а также способом сенсибилизации, заключающимся во внесении соединений общей формулы (1) в обеззараживаемые среды или нанесении их на обеззараживаемые поверхности в виде сухих порошков или растворов (с содержанием 0,00001-0,0001 масс. %), инкубации в течение 60 мин и последующем воздействии наноструктурированных соединений углерода в объеме и количестве, необходимом для развития достаточного дезинфицирующего эффекта.where each Ra, Rb, Rc and Rd are independently selected from the group consisting of: hydrogen; an alkyl group such as methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, nonyl, decyl and the like, and wherein at least two of Ra, Rc, and Rd are hydrogen; as well as a sensitization method, which consists in introducing compounds of the general formula (1) into disinfected media or applying them to disinfected surfaces in the form of dry powders or solutions (with a content of 0.00001-0.0001 wt.%), incubation for 60 minutes and the subsequent exposure to nanostructured carbon compounds in the volume and amount necessary for the development of a sufficient disinfectant effect.
В данном изобретении раскрывается структурная формула соединений общей формулы (1), дается обоснование их применения для сенсибилизации бактериальных клеток к повреждающему действию наноуглерода, а также приводятся примеры практического использования указанных соединений для усиления антимикробной (дезинфицирующей) активности углеродных нанотрубок и фуллеренов.This invention discloses the structural formula of the compounds of general formula (1), substantiates their use for sensitizing bacterial cells to the damaging effects of nanocarbon, and provides examples of the practical use of these compounds to enhance the antimicrobial (disinfectant) activity of carbon nanotubes and fullerenes.
По сравнению с известными соединениями, составляющими сущность известных патентов [Патенты РФ №2419439, опубл. 27.05.2011; №2501785, опубл. 20.12.2013], заявляемое соединение общей формулы (1) имеет ряд существенных отличий, а именно:Compared with the known compounds that make up the essence of the known patents [Patents of the Russian Federation No. 2419439, publ. 05/27/2011; No. 2501785, publ. December 20, 2013], the claimed compound of general formula (1) has a number of significant differences, namely:
1) в отличие от четвертичных аммониевых соединений заявляемые соединения общей формулы (1) проявляют сенсибилизирующую активность в отношении широкого круга как грамотрицательных, так и грамположительных микроорганизмов;1) unlike quaternary ammonium compounds, the claimed compounds of general formula (1) exhibit sensitizing activity against a wide range of both gram-negative and gram-positive microorganisms;
2) в отличие от четвертичных аммониевых соединений у микроорганизмов не известны генетические детерминанты устойчивости к соединениям общей формулы (1), потенциально способные снизить или предотвратить вызываемый ими эффект сенсибилизации.2) unlike quaternary ammonium compounds, microorganisms do not know the genetic determinants of resistance to compounds of the general formula (1), which are potentially capable of reducing or preventing the sensitization effect caused by them.
В основе сенсибилизирующего эффекта соединений общей формулы (1) лежит их амфифильный характер и определяемая этим мембранотропная активность. В свою очередь, результативным проявлением воздействия данных соединений является изменение свойств бактериальной поверхности, существенно повышающей сродство к присутствующим в среде углеродным материалам - нанотрубкам и фуллеренам. Таким образом, структурные особенности соединений общей формулы (1) позволяют им функционировать в качестве своеобразных «склеивающих» агентов (англ. - cross-linker), повышающих вероятность физического контакта между бактериальными клетками-мишенями и частицами наноуглерода. В свою очередь, итоговым результатом подобной сенсибилизации является более выраженное и более быстрое развитие антимикробного эффекта, механизм которого определяется таковым у конкретного использованного углеродного нанодезинфектанта. Дополнительным положительным результатом от использования изобретения является агрегация бактериальных клеток и воздействующих на них частиц наноуглерода, облегчающая их последующее удаление из обеззараживаемых сред или поверхностей.The sensitizing effect of the compounds of the general formula (1) is based on their amphiphilic nature and the membrane-active activity determined by this. In turn, the effective manifestation of the effect of these compounds is a change in the properties of the bacterial surface, which significantly increases the affinity for carbon materials present in the medium — nanotubes and fullerenes. Thus, the structural features of the compounds of general formula (1) allow them to function as a kind of “bonding” agents (English - cross-linker) that increase the likelihood of physical contact between bacterial target cells and nanocarbon particles. In turn, the final result of such sensitization is a more pronounced and faster development of the antimicrobial effect, the mechanism of which is determined by that of the specific carbon nanodeinfectant used. An additional positive result from the use of the invention is the aggregation of bacterial cells and nanocarbon particles acting on them, facilitating their subsequent removal from disinfected media or surfaces.
Общий принцип применения соединений общей формулы (1) для заявленных целей включает их внесение в обеззараживаемые среды или нанесение на обеззараживаемые поверхности в виде сухих порошков или растворов (с содержанием 0,00001-0,0001 масс. %); инкубацию в течение 60 мин для достижения эффекта сенсибилизации; последующее внесение (нанесение) углеродного нанодезинфектанта в объеме и количестве, необходимом для развития дезинфицирующего эффекта.The general principle of the use of compounds of the general formula (1) for the stated purposes includes their application to disinfected environments or application to disinfected surfaces in the form of dry powders or solutions (with a content of 0.00001-0.0001 wt.%); incubation for 60 minutes to achieve a sensitization effect; subsequent application (application) of carbon nanodeinfectant in the amount and amount necessary for the development of a disinfecting effect.
На фиг. 1 в части А изображена кинетика биолюминесценции Е. coli К12 TG1 с клонированными luxCDABE-генами природного морского люминесцирующего микроорганизма P. leiognathi при воздействии различных концентраций углеродных нанотрубок (мг/мл). По оси абсцисс - время, с; по оси ординат - интенсивность биолюминесценции, отн. ед., в части Б - концентрационные зависимости, описывающие эффект сенсибилизации клеток Е. coli К12 TG1 с клонированными luxCDABE-генами природного морского люминесцирующего микроорганизма Р. leiognathi 1,3-дигидрокси-4-гексилбензолом в концентрациях 0,0001%, 0,00005% и 0,00001% относительно контроля (К) к воздействию углеродных нанотрубок (по оси абсцисс - мг/мл); по оси ординат - значения индекса биолюминесценции, отн. ед.In FIG. 1, part A shows the bioluminescence kinetics of E. coli K12 TG1 with cloned luxCDABE genes of the natural marine luminescent microorganism P. leiognathi when exposed to various concentrations of carbon nanotubes (mg / ml). The abscissa is time, s; along the ordinate axis is the intensity of bioluminescence, rel. units, in part B, concentration dependences describing the sensitization effect of E. coli K12 TG1 cells with cloned luxCDABE genes of the marine marine luminescent
На фиг. 2 изображены фазовые АСМ-изображения клеток Escherichia coli K12 TG1 в контроле (А) после контакта с производным С60-фуллерена Ф1 (Б) и после сенсибилизации 1,3-дигадрокси-4-гексилбензолом и последующим взаимодействием с Ф1 (В).In FIG. Figure 2 shows the AFM phase images of Escherichia coli K12 TG1 cells in control (A) after contact with the C60-fullerene derivative F1 (B) and after sensitization with 1,3-dihydroxy-4-hexylbenzene and subsequent interaction with F1 (C).
Заявляемое изобретение иллюстрируется, но никак не ограничивается следующими примерами.The invention is illustrated, but not limited to the following examples.
Пример 1. Использование 1,3-дигидрокси-4-гексилбензола для сенсибилизации клеток Escherichia coli к воздействию углеродных нанотрубок.Example 1. The use of 1,3-dihydroxy-4-hexylbenzene to sensitize Escherichia coli cells to the effects of carbon nanotubes.
Влияние соединения общей формулы (1), а именно 1,3-дигидрокси-4-гексилбензола, на чувствительность бактериальных клеток к повреждающему действию модифицированных аминогруппами укороченных одностенных углеродных нанотрубок было оценено в тесте ингибирования биолюминесценции сенсорного штамма Escherichia coli K12 TG1 с клонированными luxCDABE-генами морского люминесцирующего микроорганизма Photobacterium leiognathi. Использование данного тест-объекта позволило в режиме реального времени через параметр бактериальной биолюминесценции оценить развитие антибактериального эффекта (Фиг. 1А), а также количественно охарактеризовать его величинами ЕС50 - концентрациями углеродных нанотрубок, вызывающими подавление интенсивности биолюминесценции на 50% от контрольных значений (Фиг. 1Б).The effect of the compound of general formula (1), namely 1,3-dihydroxy-4-hexylbenzene, on the sensitivity of bacterial cells to the damaging effect of truncated single-walled carbon nanotubes modified by amino groups was evaluated in the bioluminescence inhibition test of the Escherichia coli K12 TG1 sensory strain with cloned luxCDABE genes marine luminescent microorganism Photobacterium leiognathi. The use of this test object made it possible in real time through the parameter of bacterial bioluminescence to evaluate the development of the antibacterial effect (Fig. 1A), as well as to quantitatively characterize it with EC50 concentrations of carbon nanotubes, which suppress the bioluminescence intensity by 50% of the control values (Fig. 1B )
При проведении исследований водный раствор 1,3-дигидрокси-4-гексилбензола с концентрациями 0,00001 масс. %; 0,00005 масс. % и 0,0001 масс. % в равных объемах вносили в суспензию бактериальных клеток (108 КОЕ/мл), после чего выдерживали в течение 60 мин при 25°С для достижения эффекта сенсибилизации. В контрольные пробы вносили идентичные объемы растворителя (воды) и инкубировали в тех же условиях. После этого в опытные и контрольные пробы вносили водную суспензию углеродных нанотрубок с содержанием действующего агента от 4 мг/мл до 0,004 мг/мл, после чего образцы помещали в измерительный блок микропланшетного биолюминометра LM-01T («Immunotech», Чехия), с использованием которого в течение 60 минут динамически измеряли интенсивность биолюминесценции, прямо отражающую развитие антибактериального эффекта.When conducting research, an aqueous solution of 1,3-dihydroxy-4-hexylbenzene with concentrations of 0.00001 mass. %; 0.00005 mass. % and 0.0001 mass. % in equal volumes was added to the suspension of bacterial cells (10 8 CFU / ml), and then kept for 60 min at 25 ° C to achieve a sensitization effect. Identical volumes of solvent (water) were added to control samples and incubated under the same conditions. After that, an aqueous suspension of carbon nanotubes with an active agent content of 4 mg / ml to 0.004 mg / ml was added to the experimental and control samples, after which the samples were placed in the measuring unit of an LM-01T microplate bioluminometer (Immunotech, Czech Republic), using which Within 60 minutes, the intensity of bioluminescence was directly measured, which directly reflected the development of the antibacterial effect.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что 1,3-дигидрокси-4-гексилбензол в использованном диапазоне концентраций не влияет на биолюминесценцию/жизнеспособность бактериальных клеток-мишеней, но по мере роста концентраций прогрессивно увеличивает их чувствительность к последующему повреждающему воздействию углеродных нанотрубок. Так увеличение концентрации сенсибилизатора с 0,00001 до 0,00005 и далее до 0,0001 масс. % прогрессивно снижало значения ЕС50 для углеродных нанотрубок от 1,5 мг/мл (контроль) до 0,77, 0,45 и 0,05 мг/мл, соответственно.The results obtained indicate that 1,3-dihydroxy-4-hexylbenzene in the concentration range used does not affect the bioluminescence / viability of the target bacterial cells, but as the concentration increases, it progressively increases their sensitivity to the subsequent damaging effects of carbon nanotubes. So the increase in the concentration of sensitizer from 0.00001 to 0.00005 and then to 0.0001 mass. % progressively reduced the EC50 values for carbon nanotubes from 1.5 mg / ml (control) to 0.77, 0.45 and 0.05 mg / ml, respectively.
Таким образом, положительный эффект от использования изобретения заключается в том, что для достижения одинаково выраженного антибактериального эффекта после сенсибилизации 1,3-дигидрокси-4-гексилбензолом требуется меньшее количество нанодезинфектанта (углеродных нанотрубок), а при сохранении равных концентраций в варианте сенсибилизации нанотрубки оказывают в 1,1-32 раз более быстрый и в 1,9-30 раз более выраженный антибактериальный эффект. Дополнительным положительным результатом от использования изобретения в данном случае является агрегация бактериальных клеток и углеродных нанотрубок, ведущая к их быстрой седиментации в обеззараживаемой водной среде.Thus, the positive effect of using the invention lies in the fact that to achieve an equally pronounced antibacterial effect after sensitization with 1,3-dihydroxy-4-hexylbenzene, a smaller amount of nanodeinfectant (carbon nanotubes) is required, and while maintaining equal concentrations in the sensitization variant, the nanotubes have 1.1-32 times faster and 1.9-30 times more pronounced antibacterial effect. An additional positive result from the use of the invention in this case is the aggregation of bacterial cells and carbon nanotubes, leading to their rapid sedimentation in a disinfected aqueous medium.
Пример 2. Использование 1,3-дигидрокси-4-гексилбензола для сенсибилизации клеток Escherichia coli к воздействию фуллеренов.Example 2. The use of 1,3-dihydroxy-4-hexylbenzene to sensitize Escherichia coli cells to the effects of fullerenes.
Влияние соединения общей формулы (1), а именно 1,3-дигидрокси-4-гексилбензола, на степень сродства бактериальной поверхности к производным С60-фуллерена (Ф1, Ф2, Ф3), ковалентно модифицированным 4-5 группировками различного химического состава, представленным в таблице 1, было оценено методом атомно-силовой микроскопии (ACM), а развитие обусловленного этим антибактериального эффекта контролировалось в тесте ингибирования биолюминесценции сенсорного штамма Escherichia coli K12 TG1 с клонированными luxCDABE-генами морского люминесцирующего микроорганизма Photobacterium leiognathi (как описано в Примере 1).The effect of the compound of general formula (1), namely 1,3-dihydroxy-4-hexylbenzene, on the degree of affinity of the bacterial surface for derivatives of C60-fullerene (F1, F2, F3), covalently modified by 4-5 groups of different chemical composition, presented in Table 1 was evaluated by atomic force microscopy (ACM), and the development of the resulting antibacterial effect was monitored in the bioluminescence inhibition test of the Escherichia coli K12 TG1 sensory strain with the cloned luxCDABE genes of Photoba marine luminescent microorganism cterium leiognathi (as described in Example 1).
При проведении исследований водный раствор 1,3-дигидрокси-4-гексилбензола в концентрациях 0,00001 масс. %, 0,00005 масс. % и 0,0001 масс. % в равных объемах вносили в суспензию бактериальных клеток 108 КОЕ/мл), после чего выдерживали в течение 60 мин при 25°С для достижения эффекта сенсибилизации. В контрольные пробы вносили идентичные объемы растворителя (воды) и инкубировали в тех же условиях. После этого в опытные и контрольные пробы вносили водную суспензию производных С60-фуллерена (Ф1, Ф2 или Ф3) с содержанием действующих агентов от 0,6 мг/мл до 0,006 мг/мл.When conducting research, an aqueous solution of 1,3-dihydroxy-4-hexylbenzene in concentrations of 0.00001 mass. %, 0.00005 mass. % and 0.0001 mass. % in equal volumes was added to a suspension of
Влияние 1,3-дигидрокси-4-гексилбензола на изменение сродства бактериальной поверхности к производным С60-фуллерена было оценено методом АСМ (Фиг. 2). При этом интактные клетки Escherichia coli характеризовались типичными для данного вида формой и размером, а также не имели на своей поверхности каких либо включений (Фиг. 2А). Контрольное воздействие фуллерена Ф1 сопровождалось визуализацией в образцах ряда округлых образований диаметром от 70 до 350 нм, представляющих собой ассоциаты данного соединения наноуглерода, неравномерно распределенные по поверхности бактериальных клеток и на подложке. Так последующий статистический анализ свидетельствовал об установлении физического контакта бактериальной поверхности с 18% наночастиц фуллерена Ф1, в то время как остальные 82% были визуализированы вне связи с бактериальными клетками (Фиг. 2Б). В свою очередь, предварительная сенсибилизация бактериальных клеток 1,3-дигидрокси-4-гексилбензолом существенно повышала сродство их поверхности к производным С60-фуллерена: доля наночастиц фуллерена Ф1, установивших физический контакт с бактериальной поверхностью, возрастала в 4,1 раза (до 74%), в то время как в свободном состоянии оставалось не более 26% наночастиц (Фиг. 2В).The effect of 1,3-dihydroxy-4-hexylbenzene on the change in the affinity of the bacterial surface for derivatives of C60-fullerene was evaluated by AFM (Fig. 2). Moreover, the intact cells of Escherichia coli were characterized by the shape and size typical of this species, and also did not have any inclusions on their surface (Fig. 2A). The control effect of fullerene F1 was accompanied by visualization in the samples of a number of rounded formations with a diameter of 70 to 350 nm, which are associates of this nanocarbon compound unevenly distributed over the surface of bacterial cells and on the substrate. Thus, subsequent statistical analysis indicated the establishment of physical contact of the bacterial surface with 18% of fullerene F1 nanoparticles, while the remaining 82% were visualized without connection with the bacterial cells (Fig. 2B). In turn, preliminary sensitization of bacterial cells with 1,3-dihydroxy-4-hexylbenzene significantly increased their surface affinity for C60-fullerene derivatives: the fraction of F1 fullerene nanoparticles that established physical contact with the bacterial surface increased 4.1 times (up to 74% ), while no more than 26% of nanoparticles remained in a free state (Fig. 2B).
Итоговым результатом проведенной сенсибилизации явилось более выраженное развитие антимикробного эффекта, оцененное по величине ЕС50 (мг/мл) при воздействии производных С60-фуллерена Ф1, Ф2, Ф3 в тесте ингибирования биолюминесценции сенсорного штамма Escherichia coli K12 TG1 с клонированными luxCDABE-генами морского люминесцирующего микроорганизма Photobacterium leiognathi, представленное в таблице 2. Так в случае предобработки бактериальных клеток 1,3-дигидрокси-4-гексилбензолом в концентрации 0,0001 масс. % с последующим воздействием производных С60-фуллерена антибактериальная активность возрастала в 1,9-2,3 раза.The final result of the sensitization was a more pronounced development of the antimicrobial effect, estimated by the value of EC50 (mg / ml) when exposed to derivatives of C60-fullerene F1, F2, F3 in the bioluminescence inhibition test of the Escherichia coli K12 TG1 sensory strain with cloned luxCDABE genes of the marine luminescent microorganism leiognathi, are presented in table 2. So in the case of pre-treatment of bacterial cells with 1,3-dihydroxy-4-hexylbenzene at a concentration of 0.0001 mass. % with subsequent exposure to derivatives of C60-fullerene antibacterial activity increased by 1.9-2.3 times.
Таким образом, положительный эффект от использования изобретения заключается в том, что для достижения одинаково выраженного антибактериального эффекта после сенсибилизации 1,3-дигидрокси-4-гексилбензолом требуется меньшее количество нанодезинфектанта (производных С60-фуллерена), а при сохранении его действующих концентраций в обеззараживаемой среде выраженность антибактериального действия усиливается.Thus, the positive effect of using the invention lies in the fact that to achieve an equally pronounced antibacterial effect after sensitization with 1,3-dihydroxy-4-hexylbenzene, a smaller amount of nano-disinfectant (derivatives of C60-fullerene) is required, and while maintaining its effective concentration in the disinfected medium the severity of the antibacterial effect is enhanced.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014150585/15A RU2598731C2 (en) | 2014-12-12 | 2014-12-12 | Use of 1,3-dihydroxybenzol as sensitizers of bacterial cells to damaging action of nano-structured carbon compounds |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014150585/15A RU2598731C2 (en) | 2014-12-12 | 2014-12-12 | Use of 1,3-dihydroxybenzol as sensitizers of bacterial cells to damaging action of nano-structured carbon compounds |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014150585A RU2014150585A (en) | 2016-07-10 |
| RU2598731C2 true RU2598731C2 (en) | 2016-09-27 |
Family
ID=56372458
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014150585/15A RU2598731C2 (en) | 2014-12-12 | 2014-12-12 | Use of 1,3-dihydroxybenzol as sensitizers of bacterial cells to damaging action of nano-structured carbon compounds |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2598731C2 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060052452A1 (en) * | 2004-09-07 | 2006-03-09 | 3M Innovative Properties Company | Phenolic antiseptic compositions and methods of use |
| US20090004296A1 (en) * | 2006-01-04 | 2009-01-01 | Do-Coop Technologies Ltd. | Antiseptic Compositions and Methods of Using Same |
| WO2011056013A2 (en) * | 2009-11-06 | 2011-05-12 | Lee, Yong Chan | Dental bone graft comprising 4-hexylresorcinol and implant coating with the same |
| US20120213663A1 (en) * | 2011-02-23 | 2012-08-23 | King Fahd University Of Petroleum And Minerals | Method of removing e. coli bacteria from an aqueous solution |
-
2014
- 2014-12-12 RU RU2014150585/15A patent/RU2598731C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060052452A1 (en) * | 2004-09-07 | 2006-03-09 | 3M Innovative Properties Company | Phenolic antiseptic compositions and methods of use |
| US20090004296A1 (en) * | 2006-01-04 | 2009-01-01 | Do-Coop Technologies Ltd. | Antiseptic Compositions and Methods of Using Same |
| WO2011056013A2 (en) * | 2009-11-06 | 2011-05-12 | Lee, Yong Chan | Dental bone graft comprising 4-hexylresorcinol and implant coating with the same |
| US20120213663A1 (en) * | 2011-02-23 | 2012-08-23 | King Fahd University Of Petroleum And Minerals | Method of removing e. coli bacteria from an aqueous solution |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| БЕЛИКОВ В.Г., Фармацевтическая химия, М., Высшая школа, 1993, C. 43-47. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2014150585A (en) | 2016-07-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Rodríguez-González et al. | An approach to the photocatalytic mechanism in the TiO2-nanomaterials microorganism interface for the control of infectious processes | |
| Leung et al. | Toxicity of ZnO and TiO2 to Escherichia coli cells | |
| Rathore et al. | Investigation of physicochemical properties of plasma activated water and its bactericidal efficacy | |
| Adam et al. | The chronic toxicity of ZnO nanoparticles and ZnCl2 to Daphnia magna and the use of different methods to assess nanoparticle aggregation and dissolution | |
| Xiao et al. | Impairment of biofilm formation by TiO2 photocatalysis through quorum quenching | |
| Zardini et al. | Microbial toxicity of ethanolamines—Multiwalled carbon nanotubes | |
| Kumar et al. | Synergistic effect of silver nanoparticles with doxycycline against Klebsiella pneumoniae | |
| Binh et al. | Common freshwater bacteria vary in their responses to short‐term exposure to nano‐TiO2 | |
| Zhao et al. | Hydrophilic ZnO nanoparticles@ calcium alginate composite for water purification | |
| Orou et al. | Antibacterial activity by ZnO nanorods and ZnO nanodisks: A model used to illustrate “Nanotoxicity Threshold” | |
| Jyoti et al. | Colorimetric detection of nucleic acid signature of shiga toxin producing Escherichia coli using gold nanoparticles | |
| Turolla et al. | Defence strategies and antibiotic resistance gene abundance in enterococci under stress by exposure to low doses of peracetic acid | |
| Mu et al. | Characterization of biological secretions binding to graphene oxide in water and the specific toxicological mechanisms | |
| Deng et al. | Antagonistic toxicity of carbon nanotubes and pentachlorophenol to Escherichia coli: Physiological and transcriptional responses | |
| Wei et al. | Polymer antimicrobial coatings with embedded fine Cu and Cu salt particles | |
| Verdugo et al. | N-functionalized carbon nanotubes as a source and precursor of N-nitrosodimethylamine: implications for environmental fate, transport, and toxicity | |
| Esimbekova et al. | Bioluminescent enzyme inhibition-based assay to predict the potential toxicity of carbon nanomaterials | |
| Abdul-Reda Hussein et al. | Antimicrobial finishing of textiles using nanomaterials | |
| Stewart et al. | Physiological studies of chloramine resistance developed by Klebsiella pneumoniae under low-nutrient growth conditions | |
| Qiu et al. | A mechanistic study of TiO2 nanoparticle toxicity on Shewanella oneidensis MR-1 with UV-containing simulated solar irradiation: Bacterial growth, riboflavin secretion, and gene expression | |
| Saygin et al. | Interaction of nanoplastics with simulated biological fluids and their effect on the biofilm formation | |
| Zhang et al. | Interference of non-lethal levels of graphene oxide in biofilm formation and adaptive response of quorum sensing in bacteria | |
| Gopinath et al. | Optimization of sporicidal activity and environmental Bacillus endospores decontamination by biogenic silver nanoparticle | |
| Deshmukh et al. | Ultrasonochemically modified Ag@ TiO2 nanocomposites as potent antibacterial agent in the paint formulation for surface disinfection | |
| Diggikar et al. | Silver-decorated orthorhombic nanotubes of lithium vanadium oxide: an impeder of bacterial growth and biofilm |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TC4A | Altering the group of invention authors |
Effective date: 20170426 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161213 |