Thesis (M.Sc.) -Cairo University, 2024.

Bibliography: pages 88-103.

The effectiveness of antibiotics that save millions of lives is in danger due to the increasing rise of resistant bacteria around the world. We proposed chitosan–copper ions (CSNP–Cu2+) and chitosan–cobalt ion nanoparticles (CSNP–Co2+) as biodegradable nanoparticles loaded with metal ions synthesized via an ionic gelation method for treatment of antibiotic resistant bacteria. The nanoparticles were characterized using TEM, FT-IR, zeta potential and ICP-OES. The MIC was evaluated for the NPs in addition to evaluating the synergetic effect of the nanoparticles in combination with cefepim or penicillin for five different antibiotic resistant bacterial strains. In order to investigate the mode of action, MRSA, DSMZ 28766 and Escherichia coli E0157:H7 were selected for further evaluation of antibiotic resistant genes expression upon treatment with NPs. Finally, the cytotoxic activities were investigated using MCF7, HEPG2 and A549 and WI-38 cell lines. The results showed quasi spherical shape and mean particle size of 19.9 ± 5 nm, 21 ± 5 nm and 22.27 ± 5 for CSNP, CSNP–Cu2+ and CSNP–Co2+ respectively. FT-IR showed slight shifting of the hydroxyl and amine group's peaks of chitosan indicating the adsorption of metal ions. Both nanoparticles had antibacterial activity with MIC ranging between 125 and 62 µg ml−1 for the used standard bacterial strains. Moreover, the combination of each of the synthesized NP with either cefepime or penicillin not only showed a synergetic effect as antibacterial activity of each NP or antibiotics alone, but also decreased the fold of antibiotic resistance genes expression. The NPs showed potent cytotoxic activities for MCF-7, HepG2 and A549 cancer cell lines with lower cytotoxic values for the WI-38 normal cell line. The NPs' antibacterial activity may be due to penetration and rupture of the cell membrane and the outer membrane of Gram negative and Gram positive bacteria causing bacterial cell death, in addition to, penetration into the bacterial genes and blocking gene expression that is vital to bacterial growth. The fabricated nanoparticles can be an effective, affordable and biodegradable solution to challenge antibiotic resistant bacteria.

إن فعالية المضادات الحيوية التي تنقذ ملايين الأرواح في خطر بسبب الارتفاع المتزايد للبكتيريا المقاومة في جميع أنحاء العالم. اقترحنا أيونات الشيتوزان-النحاس (CSNP-Cu2+) وجسيمات الشيتوزان-الكوبلت النانوية (CSNP-Co2+) كجسيمات نانوية قابلة للتحلل الحيوي محملة بأيونات معدنية تم تصنيعها عبر طريقة الهلام الأيوني او الالمعروفة بالجيلات الأيونية لعلاج البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية. تم توصيف الجسيمات النانوية باستخدام الميكرسكوب الاكتروني TEM و تحويل فورييه للطيف بالأشعة تحت الحمراء (FT-IR) و قياسات زيتا المحتملة (Zeta potential) و قياس طيف انبعاث البلازما المقترن بالحث ( ICP-OES) و تقييم الحد الأدنى للتركيز(MIC) لجسيمات النانوية بالإضافة إلى تقييم التأثير التآزري للجسيمات النانوية بالاشتراك مع سيفيبيم (cefepim) أو البنسلين (penicillin) لخمس سلالات بكتيرية مختلفة مقاومة للمضادات الحيوية. من أجل التحقيق في طريقة العمل ، تم اختيار مكورات عنقودية ذهبية مقاومة للميثيسيلين (MRSA, DSMZ 28766) و إشريكية قولونية (Escherichia coli E0157: H7) لمزيد من التقييم للتعبير الجيني المقاوم للمضادات الحيوية عند العلاج باستخدام جسيمات النانو. و من ثم ، تم الدراسة على الأنشطة السامة للخلايا باستخدام خطوط الخلايا MCF7 و HEPG2 و A549 و WI-38.
أظهرالميكرسكوب الاكتروني نتائج لشكل شبه كروي ومتوسط حجم جسيم 5±19.9 نانومتر و 5 ± 21 نانومتر و 5 ± 22.27 لكل من النانو شيتوزان CSNP و النانو شيتوزان المحمل بأيونات النحاس 2+CSNP-Cu و النانو شيتوزان المحمل بأيونات الكوبلت 2+CSNP-Co على التوالي. أظهر FT-IR تحولا طفيفا في قمم الشيتوزان لمجموعة الهيدروكسيل والأمين مما يشير إلى ارتباط أيونات المعادن بالنانو بوليمر. كان لكلا الجسيمين النانويين نشاط مضاد للبكتيريا مع تقييم الحد الأدنى للتركيز MIC مضاد للسلالات البكتيرية القياسية المستخدمة يتراوح بين 125 و 62 ميكروغرام لكل مللي. علاوة على ذلك ، فإن الجمع بين كل من جسيمات النانو المركب مع المضادات الحيوية لم يظهر فقط تأثيرا تآزريا كنشاط مضاد للبكتيريا لكل من الجسيمات النانوية أو المضادات الحيوية وحدها ، ولكن أيضا قلل من أضعاف التعبير الجيني المقاوم للمضادات الحيوية.
أظهرت الجسيمات أنشطة سامة للخلايا قوية لخطوط الخلايا السرطانية MCF-7 و HepG2 و A549 مع قيم أقل سُۤم٘ية للخلايا لخط الخلايا الطبيعي WI-38. قد يكون النشاط المضاد للبكتيريا لجسيمات النانو بسبب اختراق وتمزق غشاء الخلية والغشاء الخارجي للبكتيريا سالبة الجرام وإيجابية الجرام مما يسبب موت الخلايا البكتيرية ، بالإضافة إلى اختراق الجينات البكتيرية ومنع التعبير الجيني الذي يعد أمرا حيويا لنمو البكتيريا. و لهذا يمكن أن تكون الجسيمات النانوية المصنعة حلا فعالا وبأسعار معقولة وقابلة للتحلل البيولوجي لتحدي البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية.

Issued also as CD

Text in English and abstract in Arabic & English.