Рост устойчивости микроорганизмов к лекарствам и высокая распространённость онкологических заболеваний остаются ключевыми проблемами современной медицины. Снижение эффективности терапии связано с антибиотикорезистентностью, формированием биоплёнок и ограниченной селективностью противоопухолевых препаратов. Многообещающим направлением считается применение металлических наночастиц, которые благодаря малым размерам и большой поверхности эффективно взаимодействуют с биологическими системами. Среди них отдельного внимания заслуживают наночастицы висмута, поскольку данный металл отличается сравнительно низкой токсичностью и уже давно используется в фармацевтической практике.
Лейшманиоз — паразитарное заболевание, вызываемым простейшими рода Leishmania, лечение которого ограничено токсичностью и устойчивостью к препаратам сурьмы, что стимулирует поиск новых средств.
В связи с этим были разработаны гидратированные наночастицы оксида висмута, стабилизированные меркаптоэтансульфонатом натрия. Они имели размер около 70 ± 23 нм и отрицательный дзета-потенциал (-38,1 мВ ± 5,5 мВ) что обеспечивало их значительную коллоидную устойчивость.
В экспериментах in vitro они показали выраженную противолейшманиозную активность против Leishmania amazonensis и Leishmania guyanensis. Значения IC50 для промастигот составили менее 46 наномолей, что значительно превосходило эффективность препарата Глюкантим. Существенное снижение жизнеспособности паразитов наблюдалось уже при 870 наномолях, при этом даже значительно более высокие концентрации Глюкантима оказывались менее эффективными.
Активность наночастиц подтверждена и против внутриклеточных амастигот: доля инфицированных клеток макрофагов снижалась до менее 50 % (L. amazonensis) и с 70 % до 52 % (L. guyanensis) через 72 часа.
Дополнительно была проведена оценка цитотоксичности материала. Жизнеспособность перитонеальных макрофагов мышей сохранялась выше 90 % на протяжении всего эксперимента, что делает их привлекательной основой для разработки новых противопаразитарных препаратов [4].
Злокачественные новообразования остаются одной из ведущих причин смертности, что требует разработки эффективных и малотоксичных противоопухолевых средств. Особый интерес представляют наночастицы оксида висмута (Bi₂O₃), обладающие биосовместимостью и возможностью поверхностной модификации для усиления биологических свойств.
В ходе исследования были синтезированы наночастицы Bi₂O₃ размером 12–16 нм и модифицированы биотинилированным β-циклодекстрином. Полученная наносистема характеризовалась хорошей дисперсностью и коллоидной устойчивостью, при дзета-потенциале +41,2 мВ, что свидетельствует о сниженной агрегации и стабильности частиц.
Противоопухолевая активность оценивалась методом МТТ-теста на клеточных линиях человека: HepG2 (рак печени), MCF-7 (рак молочной железы) и A549 (рак лёгкого) при концентрациях наночастиц 6,25–100 мкг/мл в течение 24 часов. Установлено дозозависимое снижение жизнеспособности клеток: для HepG2 — с 91,69 % до 40,11 %, для MCF-7 — с 68,78 % до 41,57 %, для A549 — с 67,45 % до 44,58 %. Существенное выраженное угнетение наблюдалось при 50–100 мкг/мл. Значения IC50 составили 62,34 мкг/мл (MCF-7), 67,36 мкг/мл (A549) и 76,74 мкг/мл (HepG2), что подтверждает выраженное противоопухолевое действие наносистемы.
Кроме того, модифицированные наночастицы проявляют антибактериальную активность в отношении как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий. Диаметр зон ингибирования роста для Staphylococcus aureus составлял 17,54 мм, Pseudomonas aeruginosa — 15,31 мм, Streptococcus pneumoniae — 14,26 мм и Klebsiella pneumoniae — 12,23 мм. Модификация наночастиц создала многофункциональную наносистему, сочетающую противоопухолевые и антибактериальные свойства [1].
Метициллин-резистентный золотистый стафилококк (MRSA) является одним из наиболее опасных возбудителей внутрибольничных инфекций благодаря устойчивости к большинству β-лактамных антибиотиков и способности образовывать биоплёнки. В исследовании 200 образцов от пациентов ожогового стационара было выделено 65 штаммов MRSA, которые характеризовались высокой антибиотикорезистентностью. Чувствительность к метициллину, рифампицину и ванкомицину составила 8, 4 и 3 % соответственно, тогда как к ципрофлоксацину — 85 %.
В качестве альтернативного антибактериального средства были исследованы биосинтезированные наночастицы оксида висмута (Bi₂O₃), полученные с использованием бактерии Bacillus licheniformis PTCC1320.
Наночастицы получали с использованием внеклеточных метаболитов микроорганизма и нитрата висмута. Спустя 7 суток инкубации наблюдали изменение окраски раствора с жёлтой на коричневую, что указывало на их образование. Сформированные частицы имели преимущественно кубическую форму и средний размер около 45–47 нм, что было подтверждено сканирующей электронной микроскопией и рентгеноструктурным анализом.
Антибактериальные свойства наночастиц оксида висмута изучали в диапазоне 100–1500 ppm. Показано дозозависимое действие: с ростом концентрации усиливалось подавление бактерий, а максимальный эффект (зона задержки роста 17 мм) наблюдался при 1500 ppm, что сопоставимо с активностью некоторых антибиотиков (гентамицин, цефалотин).
Дополнительно оценивали влияние наночастиц на формирование биоплёнок. У MRSA средняя оптическая плотность биоплёнки составляла 1,557, после ципрофлоксацина снижалась до 0,65, а при действии наночастиц оксида висмута — до 1,055, что указывает на частичное разрушение биоплёнки. Исследуемый наноматериал подавлял биоплёнкообразование у 16 % штаммов, при этом рост всех 65 планктонных изолятов ингибировался с увеличением концентрации наночастиц, что свидетельствует о его потенциале в качестве вспомогательного средства для лечения инфекций [3].
Загрязнение водоёмов органическими красителями и патогенными микроорганизмами остаётся серьёзной экологической проблемой. Особую опасность представляет метиленовый синий — стойкий краситель, устойчивый к биологическому разложению и способный накапливаться в окружающей среде. Дополнительную угрозу создают бактерии Escherichia coli и Staphylococcus aureus, часто обнаруживаемые в загрязнённых водах.
Для решения данной проблемы были синтезированы наноструктуры оксида висмута методом соосаждения, модифицированные поливинилпирролидоном (PVP) и хитозаном. Модификация была направлена на повышение каталитической и антибактериальной активности материала.
В качестве модификаторов наночастиц использовали PVP и хитозан (2 и 4 %), что позволило увеличить количество активных центров на поверхности и улучшить функциональные свойства материала.
Каталитическую активность оценивали по степени разложения метиленового синего в присутствии боргидрида натрия при различных значениях pH. Наиболее эффективным оказался образец с PVP и 2 % хитозана, обеспечивший деградацию красителя на 94,51 % в кислой среде, 97,95 % в нейтральной и 98,27 % в щелочной. Высокая эффективность объясняется увеличением площади поверхности и количества активных центров. При этом каталитические свойства сохранялись не менее 72 часов.
Антибактериальные испытания показали, что модификация хитозаном и PVP усиливает бактерицидную активность оксида висмута. Наибольший эффект наблюдался для образца с 4 % хитозана: зона ингибирования роста Staphylococcus aureus достигала 3,09 мм против 1,25 мм у немодифицированного оксида висмута. В отношении Escherichia coli антибактериальное действие возрастало до 1,25 мм после модификации наночастицами. Антибактериальное действие связывают с образованием активных форм кислорода и повреждением клеточных структур бактерий. Полученные наноструктуры представляют собой многообещающие материалы для очистки воды и разработки бактерицидных покрытий [2].
Бактериальные и грибковые инфекции остаются серьёзной проблемой, особенно из-за формирования биоплёнок, повышающих устойчивость микроорганизмов к антимикробным препаратам. В связи с этим активно исследуются новые материалы, включая наночастицы висмута, обладающие антибактериальной и противогрибковой активностью.
В работе были получены наночастицы висмута методом химического восстановления, стабилизированные поливинилпирролидоном (PVP).
Для создания антимикробного материала были синтезированы наночастицы висмута, покрытые поливинилпирролидоном (PVP). Они имели сферическую форму, средний размер 8,4 ± 6,7 нм. Наночастицы демонстрировали высокую стабильность в водной среде (до 11 недель), тогда как исходные соединения висмута выпадали в осадок через несколько дней.
Антимикробная активность наночастиц висмута была изучена на Staphylococcus aureus и Candida albicans . Минимальная ингибирующая концентрация составила всего 1 мкг/мл для S. aureus и 16 мкг/мл для C. albicans, при этом активность была сопоставима или выше, чем у ряда традиционных антибиотиков и других металлических наночастиц.
Наночастицы висмута эффективно подавляли образование биоплёнок: IC50 составила 1,06 мкг/мл для S. aureus и 7,9 мкг/мл для C. albicans , что подтверждает их выраженное антимикробное действие в отношении планктонных клеток микроорганизмов, так и их биоплёночных форм.
Сканирующая электронная микроскопия показала, что наночастицы висмута нарушают формирование биоплёнок. У S. aureus снижались плотность и толщина биоплёночного слоя, появлялись клетки с изменённой морфологией, а при 8 мкг/мл биоплёнкообразование полностью подавлялось. У C. albicans нарушался переход в гифальную форму, а при 64 мкг/мл образование биоплёнок снижалось и наблюдались аномальные клетки. Это позволяет рассматривать наночастицы висмута как перспективную платформу для создания новых антимикробных материалов в медицине [5].
Вместе с тем для перехода от лабораторных исследований к клиническому применению необходимы дополнительные данные о долгосрочной безопасности наночастиц висмута, особенностях их взаимодействия с биологическими системами, фармакокинетике и механизмах биораспределения в организме. Несмотря на существующие ограничения, результаты рассмотренных исследований говорят о разнообразии биологических свойств наночастиц висмута и широких возможностях их использования при создании новых терапевтических, диагностических и многофункциональных наномедицинских платформ.
Литература:
- Alex J. Surface Modification of Bi₂O₃ Nanoparticles with Biotinylated β-Cyclodextrin as a Biocompatible Therapeutic Agent for Anticancer and Antimicrobial Applications / J. Alex, T. V. Mathew // Molecules. — 2023. Vol. 28. — Article 3604.
- Bari A. Evaluation of bactericidal potential and catalytic dye degradation of multiple morphology based chitosan/polyvinylpyrrolidone-doped bismuth oxide nanostructures / A. Bari, M. Ikram, A. Haider, A. Ul-Hamid, J. Haider, I. Shahzadi, G. Nazir, A. Shahzadi, M. Imran, A. Ghaffar // Nanoscale Advances. — 2022. Vol. 4. — P. 2713–2728.
- Dalvand L. F. Inhibitory Effect of Bismuth Oxide Nanoparticles Produced by Bacillus licheniformis on Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus Strains (MRSA) / L. F. Dalvand, F. Hosseini, S. M. Dehaghi, E. S. Torbati // Iranian Journal of Biotechnology. — 2018. Vol. 16. — P. 280–286.
- Grafov A. A Second Wind for Inorganic APIs: Leishmanicidal and Antileukemic Activity of Hydrated Bismuth Oxide Nanoparticles / A. Grafov, A.F. da Silva Chagas, A. de Freitas Gomes, W. Ouedrhiri, P. Cerruti, M. C. Del Barone, B. de Souza Mota, C.E. de Castro Alves, A. M. V. Brasil, A. M. R. F. Pereira et al. // Pharmaceutics. — 2024. Vol. 16. — Article 874.
- Vazquez-Munoz R. Bismuth nanoparticles obtained by a facile synthesis method exhibit antimicrobial activity against Staphylococcus aureus and Candida albicans / R. Vazquez-Munoz, M. J. Arellano-Jimenez, J. L. Lopez-Ribot // BMC Biomedical Engineering. — 2020. Vol. 2. — Article 11.
