Антимікробні хлорактивні полімери широкого призначення: пригнічення мультирезистентних мікроорганізмів та спротив мікробному проникненню

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/2519-4852.2022.266171

Ключові слова:

антимікробні полімери, активний хлор, N-хлорсульфонаміди, іммобілізація, антибіотикорезистентність, спротив мікробному проникненню, пов'язки, захисні маски

Анотація

Метою роботи було оцінити антимікробну активність полімерних матеріалів з іммобілізованими N-хлорсульфонамідними групами проти мультирезистентних госпітальних штамів поширених мікроорганізмів та визначити спротив цих матеріалів мікробному проникненню.

Матеріали і методи. Досліджуваними зразками були сополімери стиролу з дивінілбензолом у формі штапельного волокна та нетканого полотна з іммобілізованими N-Хлорсульфонамідними групи різної будови. Госпітальні штами мікроорганізмів були виділені клінічного матеріалу, їх антибіотикочутливість була визначена методом Кірбі-Бауера. Антимікробну активність полімерів визначено методами дифузії в агарі. Спротив мікробному проникненню зразків нетканого полотна визначено методом мембранної фільтрації.

Результати: синтезовано зразки полімерів з іммобілізованими

N-Хлорсульфонамідними групи в Na- і H-формах, а також з

N,N-дихлорсульфонамідною групою, з діапазоном концентрації хлору 3,7-12,5 %. Усі зразки продемонстрували виражену антимікробну активність проти як стандартних, так і госпітальних штамів. Штапельне волокно в цілому більш ефективне, очевидно, через більшу питому поверхню. Зі збільшенням концентрації іммобілізованого хлору спостерігалося збільшення зони пригнічення росту мікроорганізмів. Усі досліджувані тканинні зразки непроникні для S. aureus. Контрольні зразки, які містили вільну сульфонамідну групу, не виявили антимікробних властивостей.

Висновки: синтезовані хлорактивні полімери мають виражену антимікробну активність відносно мультирезистентних мікроорганізмів, демонструють високий спротив мікробному проникненню, і тому є перспективними для створення на їх основі широкого спектру медичних виробів: ранових пов’язок, захисних масок, антимікробних фільтрів. і т.д.

Біографії авторів

Богдан Валерійович Мурашевич, Дніпровський державний медичний університет

Кандидат хімічних наук, доцент

Кафедра біохімії та медичної хімії

Ірина Петрівна Кошова, Дніпровський державний медичний університет

Кандидат медичних наук, доцент

Кафедра мікробіології, вірусології, імунології, епідеміології та медико-біологічної фізики й інформатики

Олена Василівна Сурмашева, ДУ «Інститут громадського здоров’я ім. О.М. Марзєєва НАМН України»

Доктор медичних наук, професор

Лабораторія санітарної мікробіології та дезінфектології

Дмитро Вадимович Гиренко, Український державний хіміко-технологічний університет

Доктор хімічних наук, професор

Кафедра фізичної хімії

Василь Іванович Чуйко, Дніпровський державний медичний університет

Кандидат медичних наук

Кафедра акушерства і гінекології

Dmytro Stepanskyi, Dnipro State Medical University

Doctor of Medical Sciences, Professor

Department of Microbiology, Virology, Immunology, Epidemiology and Medical and Biological Physics and Informatics

Посилання

  1. Shahid, A., Aslam, B., Muzammil, S., Aslam, N., Shahid, M., Almatroudi, A. et. al. (2021). The prospects of antimicrobial coated medical implants. Journal of Applied Biomaterials & Functional Materials, 19. doi: https://doi.org/10.1177/22808000211040304
  2. Low, J. L., Kao, P. H.-N., Tambyah, P. A., Koh, G. L. E., Ling, H., Kline, K. A. et. al. (2021). Development of a polymer-based antimicrobial coating for efficacious urinary catheter protection. Biotechnology Notes, 2, 1–10. doi: https://doi.org/10.1016/j.biotno.2020.12.001
  3. Choudhury, M., Bindra, H. S., Singh, K., Singh, A. K., Nayak, R. (2022). Antimicrobial polymeric composites in consumer goods and healthcare sector: A healthier way to prevent infection. Polymers for Advanced Technologies, 33 (7), 1997–2024. doi: https://doi.org/10.1002/pat.5660
  4. Gulati, R., Sharma, S., Sharma, R. K. (2021). Antimicrobial textile: recent developments and functional perspective. Polymer Bulletin, 79 (8), 5747–5771. doi: https://doi.org/10.1007/s00289-021-03826-3
  5. Parham, S., Kharazi, A. Z., Bakhsheshi-Rad, H. R., Kharaziha, M., Ismail, A. F., Sharif, S. et. al. (2022). Antimicrobial Synthetic and Natural Polymeric Nanofibers as Wound Dressing: A Review. Advanced Engineering Materials, 24 (6). doi: https://doi.org/10.1002/adem.202101460
  6. Carmona-Ribeiro, A. M., Araújo, P. M. (2021). Antimicrobial Polymer – Based Assemblies: A Review. International Journal of Molecular Sciences, 22 (11), 5424. doi: https://doi.org/10.3390/ijms22115424
  7. Pullangott, G., Kannan, U., S., G., Kiran, D. V., Maliyekkal, S. M. (2021). A comprehensive review on antimicrobial face masks: an emerging weapon in fighting pandemics. RSC Advances, 11 (12), 6544–6576. doi: https://doi.org/10.1039/d0ra10009a
  8. Armentano, I., Barbanera, M., Carota, E., Crognale, S., Marconi, M., Rossi, S. et. al. (2021). Polymer Materials for Respiratory Protection: Processing, End Use, and Testing Methods. ACS Applied Polymer Materials, 3 (2), 531–548. doi: https://doi.org/10.1021/acsapm.0c01151
  9. Dugré, N., Ton, J., Perry, D., Garrison, S., Falk, J., McCormack, J. et. al. (2020). Masks for prevention of viral respiratory infections among health care workers and the public: PEER umbrella systematic review. Canadian family physician, 66 (7), 509–517.
  10. Ferris, M., Ferris, R., Workman, C., O’Connor, E., Enoch, D. A., Goldesgeyme, E. et. al. (2021). Efficacy of FFP3 respirators for prevention of SARS-CoV-2 infection in healthcare workers. ELife, 10. doi: https://doi.org/10.7554/elife.71131
  11. Deng, C., Seidi, F., Yong, Q., Jin, X., Li, C., Zheng, L., Yuan, Z., Xiao, H. (2022). Virucidal and biodegradable specialty cellulose nonwovens as personal protective equipment against COVID-19 pandemic. Journal of Advanced Research, 39, 147–156. doi: https://doi.org/10.1016/j.jare.2021.11.002
  12. Santos, M., Fonseca, A., Mendonça, P., Branco, R., Serra, A., Morais, P., & Coelho, J. (2016). Recent Developments in Antimicrobial Polymers: A Review. Materials, 9 (7), 599. doi: https://doi.org/10.3390/ma9070599
  13. Kamaruzzaman, N. F., Tan, L. P., Hamdan, R. H., Choong, S. S., Wong, W. K., Gibson, A. J. et. al. (2019). Antimicrobial Polymers: The Potential Replacement of Existing Antibiotics? International Journal of Molecular Sciences, 20 (11), 2747. doi: https://doi.org/10.3390/ijms20112747
  14. Qiu, H., Si, Z., Luo, Y., Feng, P., Wu, X., Hou, W., Zhu, Y., Chan-Park, M. B., Xu, L., Huang, D. (2020). The Mechanisms and the Applications of Antibacterial Polymers in Surface Modification on Medical Devices. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 8. doi: https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.00910
  15. Hui, F., Debiemme-Chouvy, C. (2013). Antimicrobial N-Halamine Polymers and Coatings: A Review of Their Synthesis, Characterization, and Applications. Biomacromolecules, 14 (3), 585–601. doi: https://doi.org/10.1021/bm301980q
  16. Liang, J., Wu, R., Wang, J.-W., Barnes, K., Worley, S. D., Cho, U., Lee, J. et. al. (2006). N-halamine biocidal coatings. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 34 (2), 157–163. https://doi.org/10.1007/s10295-006-0181-5
  17. Kohl, H. H., Wheatley, W. B., Worley, S. D., Bodor, N. (1980). Antimicrobial activity of N-chloramine compounds. Journal of Pharmaceutical Sciences, 69 (11), 1292–1295. doi: https://doi.org/10.1002/jps.2600691116
  18. Gottardi, W., Debabov, D., Nagl, M. (2013). N-Chloramines, a Promising Class of Well-Tolerated Topical Anti-Infectives. Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 57 (3), 1107–1114. doi: https://doi.org/10.1128/aac.02132-12
  19. Grace, V. G., Rajasekhara, R. S. (2021). Recent advances in the synthesis of organic chloramines and their insights into health care. New Journal of Chemistry, 45 (19), 8386–8408. doi: https://doi.org/10.1039/d1nj01086g
  20. Wang, F., Huang, L., Zhang, P., Si, Y., Yu, J., Ding, B. (2020). Antibacterial N-halamine fibrous materials. Composites Communications, 22, 100487. doi: https://doi.org/10.1016/j.coco.2020.100487
  21. Demir, B., Broughton, R., Qiao, M., Huang, T.-S., Worley, S. (2017). N-Halamine Biocidal Materials with Superior Antimicrobial Efficacies for Wound Dressings. Molecules, 22 (10), 1582. doi: https://doi.org/10.3390/molecules22101582
  22. Ahmed, A. E.-S. I., Hay, J. N., Bushell, M. E., Wardell, J. N., Cavalli, G. (2008). Biocidal polymers (II): Determination of biological activity of novel N-halamine biocidal polymers and evaluation for use in water filters. Reactive and Functional Polymers, 68 (10), 1448–1458. doi: https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2008.06.021
  23. Kocer, H. B., Worley, S. D., Broughton, R. M., Huang, T. S. (2011). A novel N-halamine acrylamide monomer and its copolymers for antimicrobial coatings. Reactive and Functional Polymers, 71 (5), 561–568. doi: https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2011.02.002
  24. Cerkez, I., Kocer, H. B., Worley, S. D., Broughton, R. M., Huang, T. S. (2011). N-Halamine Biocidal Coatings via a Layer-by-Layer Assembly Technique. Langmuir, 27 (7), 4091–4097. doi: https://doi.org/10.1021/la104923x
  25. Thomas, E. L., Grisham, M. B., Margaret Jefferson, M. (1986). Preparation and characterization of chloramines. Methods in Enzymology, 569–585. doi: https://doi.org/10.1016/s0076-6879(86)32042-1
  26. Cao, Z., Sun, Y. (2008). N-halamine-based chitosan: Preparation, characterization, and antimicrobial function. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 85A (1), 99–107. doi: https://doi.org/10.1002/jbm.a.31463
  27. Tan, K., Obendorf, S. K. (2007). Development of an antimicrobial microporous polyurethane membrane.Journal of Membrane Science, 289 (1-2), 199–209. doi: https://doi.org/10.1016/j.memsci.2006.11.054
  28. Ren, X., Kou, L., Kocer, H. B., Zhu, C., Worley, S. D., Broughton, R. M. (2008). Antimicrobial coating of an N-halamine biocidal monomer on cotton fibers via admicellar polymerization. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 317 (1-3), 711–716. doi: https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2007.12.007
  29. Kou, L., Liang, J., Ren, X., Kocer, H. B., Worley, S. D., Broughton, R. M., Huang, T. S. (2009). Novel N-halamine silanes.Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 345 (1-3), 88–94. doi: https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2009.04.047
  30. Li, L., Pu, T., Zhanel, G., Zhao, N., Ens, W., Liu, S. (2012). New biocide with bothN-chloramine and quaternary ammonium moieties exerts enhanced bactericidal activity. Advanced Healthcare Materials, 1 (5), 609–620. doi: https://doi.org/10.1002/adhm.201200018
  31. Chen, Y., Han, Q. (2011). Designing N-halamine based antibacterial surface on polymers: Fabrication, characterization, and biocidal functions. Applied Surface Science, 257 (14), 6034–6039. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.01.115
  32. Gottardi, W. (1992). Wäßrige chloramin T lösungen Als Desinfektionsmittel: Chemische Zusammensetzung, Reaktivität und toxizität. Archiv Der Pharmazie, 325 (7), 377–384. doi: https://doi.org/10.1002/ardp.19923250702
  33. Emerson, D. W. (1990). Polymer-bound active chlorine: Disinfection of water in a flow system. Polymer Supported Reagents. 5. Industrial & Engineering Chemistry Research, 29 (3), 448–450. doi: https://doi.org/10.1021/ie00099a022
  34. Emerson, D. W. (1991). Slow release of active chlorine and bromine from styrene-divinylbenzene copolymers bearing N,N-dichlorosulfonamide, N-chloro-n-alkylsulfonamide and N-bromo-N-alkylsulfonamide functional groups. Polymer Supported Reagents. 6. Industrial & Engineering Chemistry Research, 30 (11), 2426–2430. doi: https://doi.org/10.1021/ie00059a010
  35. Bogoczek, R., Kociołek-Balawejder, E. (1989). Studies on a macromolecular dichloroamine – the N,N‐dichloro-poly(styrene‐co‐divinylbenzene) sulphonamide. Angewandte Makromolekulare Chemie, 169 (1), 119–135. doi: https://doi.org/10.1002/apmc.1989.051690111
  36. Zhang, Y., Emerson, D. W., Steinberg, S. M. (2003). Destruction of cyanide in water using N-chlorinated secondary sulfonamide-substituted macroporous poly(styrene-co-divinylbenzene). Industrial & Engineering Chemistry Research, 42 (24), 5959–5963. doi: https://doi.org/10.1021/ie030151l
  37. Bogoczek, R., Kociolek-Balawejder, E., Stanisławska, E., Zabska, A. (2007). Oxidation of Fe(II) to Fe(III) by heterogeneous oxidant as a convenient process for iron removal from water. Environmental Engineering – Proceedings of the 2nd National Congress of Environmental Engineering, 183–190.
  38. Maddah, B. (2014). Anti-bacterial Activity of N-halamin in Hospital Fabrics: New Synthesis Approach and Examination of Anti-Bacterial Characteristics. Journal of Life Science and Biomedicine, 4 (6), 575–578.
  39. Maddah, B., Azimi, M. (2012). Preparation of N,N-dichloropolystyrene sulfonamide nanofiber asa regenerable self-decontaminating material for protection against chemical warfareagents. International Journal of Nano Dimension, 2 (4), 253–259.
  40. Soldatov, V. S. (2008). Syntheses and the main properties of Fiban fibrous ion exchangers.Solvent Extraction and Ion Exchange, 26 (5), 457–513. doi: https://doi.org/10.1080/07366290802301358
  41. Toropin, V., Burmistrov, K., Murashevych, B., Kremenchutskyi, G. (2016). Synthesis and emission of active chlorine from immobilized N-chloro-N-alkylsulfonamides. ScienceRise, 4 (21), 22–30. doi: https://doi.org/10.15587/2313-8416.2016.66881
  42. Toropin, V., Murashevych, B., Stepanskyi, D., Toropin, M., Kremenchutskiy, H., Burmistrov, K. (2019). New forms of immobilized active chlorine and its potential applications in medicine. Journal of the National Academy of Medical Sciences of Ukraine, 3, 340–352. doi: https://doi.org/10.37621/jnamsu-2019-3-340-352
  43. Murashevych, B., Toropin, V., Stepanskyi, D., Maslak, H., Burmistrov, K., Kotok, V., Kovalenko, V. (2021). Synthesis of new immobilized N-chloro-sulfonamides and release of active chlorine from them. EUREKA: Physics and Engineering, 4, 3–13. doi: https://doi.org/10.21303/2461-4262.2021.001929
  44. Dronov, S., Mamchur, V., Koshevaya, I., Stepanskiy, D., Kremenchutskiy, H., Toropin, B. et. al. (2019). New wound dressings with prolonged action. Zaporozhye medical journal, 21 (3), 365–373. doi: http://doi.org/10.14739/2310-1210.2019.3.169189
  45. Burmistrov, K., Toropin, V., Kremenchutskiy, H., Polikarpov, A., Shunkevich, A. (2016). A new chlorine-releasing material for a wide range of purposes: Structure and properties. Problems of Biological, Medical and Pharmaceutical Chemistry, 12 (19), 10–14.
  46. Burmistrov, K., Toropin, V., Ryabenko, V., Kremenchutskiy, H., Balalaev, A. (2014). Emission of active chlorine from immobilized N-chlorosulfonamides. Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii, 3, 30–36.
  47. Toropin, V., Burmistrov, K., Surmasheva, E., Romanenko, L. (2016). Study of the antimicrobial properties of immobilized fibrous N,N-dichloro sulfonamides. Science Rise: Pharmaceutical Science, 4 (4), 48–52. doi: http://doi.org/10.14739/2409-2932.2016.3.77993
  48. Guo, Y., Song, G., Sun, M., Wang, J., Wang, Y. (2020). Prevalence and Therapies of Antibiotic-Resistance in Staphylococcus aureus. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 10. doi: https://doi.org/10.3389/fcimb.2020.00107
  49. Serra, R., Grande, R., Butrico, L., Rossi, A., Settimio, U. F., Caroleo, B., et. al. (2015). Chronic wound infections: The role ofpseudomonas aeruginosaandstaphylococcus aureus. Expert Review of Anti-Infective Therapy, 13 (5), 605–613. doi: https://doi.org/10.1586/14787210.2015.1023291
  50. Rahim, K., Saleha, S., Basit, A., Zhu, X., Ahmed, I., Huo, L. et. al. (2017). Pseudomonas aeruginosa as a powerful biofilm producer and positive action of amikacin against isolates from chronic wounds. Jundishapur Journal of Microbiology, 10 (10). doi: https://doi.org/10.5812/jjm.57564
  51. Di Lodovico, S., Cataldi, V., Di Campli, E., Ancarani, E., Cellini, L., Di Giulio, M. (2017). Enterococcus hirae biofilm formation on hospital material surfaces and effect of new biocides. Environmental Health and Preventive Medicine, 22 (1). doi: https://doi.org/10.1186/s12199-017-0670-3
  52. Gil, J., Solis, M., Higa, A., Davis, S. C. (2022). Candida albicans infections: A novel porcine wound model to evaluate treatment efficacy. BMC Microbiology, 22 (1).doi: https://doi.org/10.1186/s12866-022-02460-x
  53. EN 12353:2006 Chemical disinfectants and antiseptics – Preservation of test organisms used for the determination of bactericidal, mycobactericidal, sporicidal and fungicidal activity (2006). Brussels: European Committee for Standardization. doi: https://doi.org/10.3403/30143742
  54. Jorgensen, J. H., Turnidge, J. D.; Murray, P. R., Baron, E. J., Jorgensen, J. H., Landry, M. L., Pfaller, M. A. (Eds.) (2007). Susceptibility test methods: dilution and disk diffusion methods. Manual of clinical microbiology. Washington: ASM Press, 1152–1172. doi: https://doi.org/10.1128/9781555817381.ch71
  55. Sarker, M. M., Islam, K. N., Huri, H. Z., Rahman, M., Imam, H., Hosen, M. B. et. al. (2014).Studies of the impact of occupational exposure of pharmaceutical workers on the development of Antimicrobial Drug Resistance. Journal of Occupational Health, 56 (4), 260–270. doi: https://doi.org/10.1539/joh.14-0012-oa
  56. Mao, G., Song, Y., Bartlam, M., Wang, Y. (2018). Long-term effects of residual chlorine on pseudomonas aeruginosa in simulated drinking water fed with low AOC medium. Frontiers in Microbiology, 9. doi: https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.00879
  57. Murashevych, B., Girenko, D., Maslak, H., Stepanskyi, D., Abraimova, O., Netronina, O. et. al. (2021).Acute inhalation toxicity of aerosolized electrochemically generated solution of sodium hypochlorite. Inhalation Toxicology, 34 (1-2), 1–13. doi: https://doi.org/10.1080/08958378.2021.2013348
Broad-purpose antimicrobial chlorine-active polymers: suppression of multidrug-resistant microorganisms and microbial penetration resistance

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-10-31

Як цитувати

Мурашевич, Б. В., Кошова, І. П., Сурмашева, О. В., Гиренко, Д. В., Чуйко, В. І., & Stepanskyi, D. (2022). Антимікробні хлорактивні полімери широкого призначення: пригнічення мультирезистентних мікроорганізмів та спротив мікробному проникненню. ScienceRise: Pharmaceutical Science, (5 (39), 64–73. https://doi.org/10.15587/2519-4852.2022.266171

Номер

№ 5 (39) (2022)

Розділ

Фармацевтичні науки

Ліцензія

Авторське право (c) 2022 Bohdan Murashevych, Iryna Koshova, Elena Surmasheva, Dmitry Girenko, Vasyl Chuiko, Dmytro Stepanskyi

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Наше видання використовує положення про авторські права Creative Commons CC BY для журналів відкритого доступу.