Influence of metal nanoparticles on bacterial biofilm formation

Biofilm is one of the most common factors that provide additional protection for microorganisms. It protects the bacteria against the effects of antibiotics and makes them resistant to radical disinfectants used in hospital practice. Streptoccocus mutans, considered the main etiological factor of dental caries, have the ability to form biofilm. In recent years, the pharmaceutical companies and the researchers increasingly pay attention to the use of the antimicrobial properties of nanoparticles. The aim of this study was to evaluate the effect of obtained silver and copper nanoparticles on the development of S. mutans biofilm and to estimate their antibacterial activity. The nanoparticles were synthesized by a chemical reduction. The UV-Vis spectrophotometry was used to confirm the synthesis of nanoparticles. Characteristic peaks of surface plasmon resonance were observed. In current work evaluation of antibacterial activity of nanoparticles was investigated. Sensitivity of reference strain of Streptococcus mutans ATCC 25175 was evaluated by modified radial diffusion method and microdilution method. The anti-biofilm activity of S. mutans was estimated based on the decrease in the optical density of the biofilm stained with crystal violet. Obtained results confirmed antibacterial activity of silver and copper nanoparticles solution. The minimum inhibitory concentration and minimum bactericidal concentration of AgNPs was 0.003nM (1.56%), in the microdilution method and 0.03nM (12.5%) in the diffusion method. Only the highest concentration of CuNPs showed bactericidal and bacteriostatic activity. Analysis of biofilm growth indicated that with the early use of AgNPs it is possible to inhibit its development. The density of the biofilm was significantly lower in samples treated with nanoparticles (p <0.01). In the case of using nanoparticles on the fully developed biofilm structure, no statistically significant differences were observed. The obtained results indicate the potential use of NPs as anti-biofilm therapy at the early stage of biofilm development, among others in the prevention of caries development.

Jednym z powszechniejszych czynników, zapewniających dodatkową ochronę mikroorganizmom jest biofilm. Chroni bakterie przed działaniem antybiotyków oraz bardzo radykalnych środków dezynfekcyjnych stosowanych w praktyce szpitalnej. Udowodniono zdolność biofilmotwórczą większości bakterii chorobotwórczych. W śród nich jest Streptoccocus mutans, uznany za główny czynnik etiologiczny próchnicy. W ostatnich latach firmy farmaceutyczne i naukowcy coraz częściej zwracają uwagę na wykorzystanie przeciwbakteryjnych właściwości nanocząsteczek.Celem niniejszej pracy była ocena wpływu otrzymanych nanocząstek srebra i miedzi na rozwój biofilmu S. mutans oraz ocena ich działania antybakteryjnego.Nanocząsteczki uzyskano z wykorzystaniem metody redukcji chemicznej. Do potwierdzenia skuteczności syntezy zastosowano spektrofotometrię UV-Vis z uwidocznieniem charakterystycznych pików powierzchniowego rezonansu plazmonowego.Do oceny wrażliwości badanego szczepu referencyjnego na nanocząsteczki zastosowano zmodyfikowaną metodę dyfuzyjno-krążkową oraz metodę seryjnych rozcieńczeń. Stopień działania antybiofilmowego S. mutans oceniono w oparciu o spadek gęstości optycznej błony biologicznej wybarwionej fioletem krystalicznym.Uzyskane w niniejszej pracy wyniki potwierdziły antybakteryjne działanie nanocząsteczek srebra. Stężenie AgNPs hamujące wzrost bakterii i bakteriobójcze wyniosło 0,003nM (1,56%), w metodzie seryjnych mikrorozcieńczeń i 0,03nM (12,5%) w metodzie dyfuzyjnej. Jedynie najwyższe otrzymane stężenia CuNPs wykazało działanie bakteriobójcze i bakteriostatyczne. Analiza wzrostu biofilmu wskazała, że przy wczesnym zastosowaniu AgNPs możliwe jest zahamowanie jego rozwoju. Gęstość otrzymanego biofilmu była istotnie statystycznie niższa od gęstości uzyskanej w próbkach nie traktowanych nanocząsteczkami (p<0,01). W przypadku zastosowania nanocząstek na w pełni rozwiniętą strukturę biofilmu, nie obserwuje się obniżenia jego gęstości względem próbek kontrolnych.Otrzymane wyniki wskazują na potencjalne zastosowanie NPs jako terapii antybiofilmowej we wczesnym stadium rozwoju biofilmu m in. w prewencji rozwoju próchnicy.