Suda dağılabilen metal nanopartiküllerin antibakteriyel ve antibiyofilm aktivitelerinin incelenmesi
Investigation of antibacterial and antibiofilm activities of water-dispersible metal nanoparticles
Yazar: AYŞE KAYAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ FATİH SEVGİ
Selçuk Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Tıbbi Laboratuvar Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology
Dizin: Antibakteriyel ajanlar = Anti-bacterial agents ; Biyofilmler = Biofilms ; Demir oksit = Iron oxide ; Grafen oksit = Graphene oxide ; Metaller = Metals ; Nanopartiküller = Nanoparticles

Özet:
Bakteriyel enfeksiyonların neden olduğu hastalıklar ve özellikle ilaca dirençli bakterilerin geliştirdiği antibiyotik direnci geleneksel antibiyotikleri yetersiz kılmış ve insan sağlığı için ciddi bir tehdit oluşturmuştur. Mikroorganizmaların çoğunluğu yüzeylere tutunarak biyofilm oluşturmaktadır. Tıbbi uygulamalar için kullanılan yüzeylerde antibiyotik direncine bağlı biyofilmle ilişkili enfeksiyonlar artmaktadır. Biyofilmleri yüzeyden uzaklaştırmak ve oluşumlarını engellemek için alternatif stratejiler aranmaktadır. Nanomalzemeler bu açıdan bakterilerin hedeflenen tedavisinde ve biyofilmleri inhibe edebilme özellikleriyle gelişen ve gelecek vaat eden bir çalışma alanı olarak umut vermektedir.
Demir oksit nanopartikülleri, olağanüstü fiziksel ve kimyasal özellikleriyle araştırmacıların dikkatini çekmiştir. Yüksek yüzey alanı-hacim oranına sahip olması, mükemmel manyetik karakteri, geri dönüştürülebilir kullanımı, biyouyumlu olması ve toksik etkisinin olmamasıyla bilim ve teknolojinin birçok alanında tercih edilmektedir. Fakat Fe3O4 nanopartikülünün çözünürlük problemi engel yaratmaktadır. Demir oksit nanopartiküllerine suda dağılabilirlik ve aynı zamanda antibakteriyel ve antibiyofilm özellik kazandırmak için hidrofilik yapıda eşsiz bir nanomalzeme olan grafen oksit ile konjigasyonu planlanmıştır. İnsan sağlığı için tehdit oluşturan biyofilmle ilişkili enfeksiyonların azaltılmasında olarak sentezlenen nanomalzemelerin alternatif olabileceği düşünülmektedir. 
Bu tez çalışmasında sentezlenen demir oksit nanopartikülleri APTES (3-aminopropyltriethoxysilane) organik çapraz bağlayıcı ile modifiye edildikten sonra grafen oksit ile konjuge edilmiş ve ayrıca hidrotermal metotla Fe3O4 ve GO nanomalzemeleri ara bağlayıcı olmadan da direkt birleştirilmiştir. Elde edilen Fe3O4, Fe3O4-APTES, Fe3O4-APTES-GO, GO ve Fe3O4@GO nanomalzemelerinin yapıları kızılötesi spektrokopisi (FT-IR) ve geçirimli elektron mikroskopisi (TEM) teknikleriyle aydınlatılmış ve Staphylococcus aureus ATCC 29213, Staphylococcus aureus ATCC 43300 (MRSA), Staphylococcus epidermidis ATCC 35984 ve Escherichia coli JM109 suşları üzerinde antibakteriyel ve antibiyofilm aktivitesi araştırılmıştır. 
Nanomalzemelerin bakteriler üzerindeki antibakteriyel aktivitelerini değerlendirmek için ilk olarak mikrodilüsyon broth yöntemi kullanılarak 96'lık mikro plakalarda antibakteriyel etkileri tespit edilmiştir. Ardından biyofilmi inhibe etme etkileri kristal viyole mikro plaka boyama tekniğiyle spektrofotometrik olarak değerlendirilmiştir. Son olarak biyofilm inhibisyon çalışmasını desteklemek için S. aureus ve E. coli bakteri suşları üzerinde, cam yüzeyde oluşturulan biyofilmlerin farklı boyama teknikleriyle ışık ve floresan mikroskobu altında görüntüleri elde edilmiştir. GO ile konjuge edilmiş demir oksitlerin 512 µg/mL konsantrasyonunda %51,76 - %99,97 biyofilm oluşumunu inhibe etme potansiyelleri olduğu bulunmuştur.

Abstract:
Diseases caused by bacterial infections and especially antibiotic resistance developed by drug-resistant bacteria have rendered conventional antibiotics inadequate and threatened health. The majority of microorganisms attach to surfaces and form biofilms. 
Biofilm-associated infections due to antibiotic resistance are increasing on surfaces used for medical applications. Alternative strategies are sought to remove biofilms from the surface and prevent their formation.Nanomaterials show promise as a developing field of study for the targeted treatment of bacteria and their ability to inhibit biofilms. 
Iron oxide nanoparticles have attracted the attention of researchers with their extraordinary physical and chemical properties. It is preferred in many fields of science and technology due to its high surface area-to-volume ratio, excellent magnetic character, recyclable use, biocompatibility and non-toxicity. However, the solubility problem of Fe3O4 nanoparticles creates an obstacle. Conjugation of iron oxide nanoparticles with graphene oxide, which is a unique nanomaterial in hydrophilic structure, is planned to impart water dispersibility as well as antibacterial and antibiofilm properties. It is thought that the synthesized nanomaterials can be an alternative for the solution of biofilm-associated infections that pose a threat to human health.
In this thesis, the synthesized iron oxide nanoparticles were modified with APTES (3-aminopropyltriethoxysilane) linkage molecule, then conjugated with graphene oxide and also Fe3O4 and GO nanomaterials were directly combined by hydrothermal method. The structures of the synthesized Fe3O4, Fe3O4-APTES, Fe3O4-APTES-GO, GO and Fe3O4@ GO nanomaterials were characterized by infrared spectroscopy (FT-IR) and transmission electron microscopy (TEM) techniques and the antibacterial and antibiofilm activity of Staphylococcus aureus ATCC 29213, Staphylococcus aureus ATCC 43300 (MRSA), Staphylococcus epidermidis ATCC 35984 and Escherichia coli JM109) strains was investigated.
 In order to evaluate the antibacterial activities of nanomaterials on bacteria, their antibacterial effects were determined in 96 well-plate by using microdilution broth method.
 The biofilm inhibition effects were then evaluated spectrophotometrically by crystal violet microplate staining technique. Finally, to support the biofilm inhibition study, images of S. aureus and E. coli biofilms on the glass surface were obtained under light and fluorescence microscopy with different staining techniques. Iron oxides conjugated with GO have been found to have a potential to inhibit biofilm formation of 51,76% to 99.97% at a concentration of 512 µg/mL.