Магнітна гіпертермія мікроорганізмів з природними феримагнітними властивостями

Svitlana Gorobets, Oksana Gorobets, Liubov Kuzminykh, Roman Shevgalishyn

Анотація


Мета: Зазвичай у практиці знешкодження мікроорганізмів магнітною гіпертермією не враховують наявність у останніх власних біогенних магнітних наночастинок. Мета дослідження виявити мікроорганізми, для яких врахування характеристик їх власних біогенних магнітних наночастинок може привести до помітного зростання ефективності магнітної гіпертермії.Методи: У дослідженні використано методи порівняльної геноміки, зокрема, попарне вирівнювання з використанням бази даних Genbank. Проведено вирівнювання протеомівмагнітотаксисної бактерії Magnetospirillumgryphiswaldense MSR-1 з протеомами патогенних мікроорганізмів, які були класифіковані за місцем локалізації і типом внутрішньої будови  їх біогенних магнітних наночастинок.Результати: Проаналізовано геноми 24 штамів  патогенних мікроорганізмів, які належать до таких родів: Staphylococcus, Pseudomonas, Bacillus, Shigella, Clostridioides, Streptococcus, Peptostreptococcus. Показано, що 2 із них мають кристалічні внутрішньоклітинні біогенні магнітні наночастинки, зовнішньоклітинні кристалічні – 11 штамів, внутрішньоклітинні аморфні – 8 штамів, зовнішньоклітинні аморфні – 3 штами. Також в роботі представлені розрахунки сил диполь-дипольних взаємодій між аморфними біогенними наночастинками Staphylococcusaureus та штучними магнітними наночастинками. Обговорення: Ми рекомендуємо використовувати методи порівняльної геноміки для поділу мікроорганізмів за магнітними властивостями для підбору більш ефективного способу знешкодження магнітною гіпертермією. Так 3 штами, що продукують кристалічні внутрішньоклітинні біогенні магнітні наночастинки, можна знешкодити методом магнітної гіпертермії, використовуючи у якості магнітного матеріалу їх власні наночастинки. 21 штам із зовнішньоклітинними кристалічними, внутрішньоклітинними аморфними та зовнішньоклітинними аморфними біогенними магнітними наночастинками, можна знешкодити магнітною гіпертермією, використовуючи методи штучного магнітомічення. Показано, що сил диполь-дипольних взаємодій між аморфними магнітними наночастинками та штучними магнітними наночастинками достатньо для того, щоб магнітомітити S. aureus і в подальшому знешкоджувати їх за допомогою магнітної гіпертермії. Висновки: Отже, врахування природних феримагнітних властивостей мікроорганізмів підвищить ефективність знешкодження магнітною гіпертермією.


Ключові слова


магнітна гіпертермія; патогенні бактерії; знешкодження; біогенні магнітні наночастинки; методи порівняльної геноміки; магнітодипольні взаємодії

Посилання


Kurono Y., Tomonaga K., Mogi G. (1988) Staphylococcus epidermidis and Staphylococcus aureus in otitis media with effusion. Archives of Otolaryngology-Head & Neck Surgery, vol. 11, no. 114, pp. 1262-1265.

Payne S.C., Benninger M. S. (2007) Staphylococcus aureus is a major pathogen in acute bacterial rhinosinusitis: A Meta-Analysis. Clinical Infectious Diseases, vol. 10, no. 45, pp. 121-127.

Carlin K., Lofmark S., Blad L. (2014) Swedish work on containment of antibiotic resistance. Stockholm, Public Health Agency of Sweden, 134 p.

Tenover F.C. (2006) Mechanisms of antimicrobial resistance in bacteria.The American Journal of Medicine, vol. 119, no. 6, pp. 3-10.

Chen C., Chen L., Yi Y. (2016) Killing of Staphylococcus aureus via magnetic hyperthermia mediated by magnetotactic bacteria. Applied and Environmental Microbiology, vol. 82, no. 7, pp. 2219-2226.

John L., Janeta M., Szafert S. (2017) Designing of macroporous magnetic bioscaffold based on functionalized methacrylate network covered by hydroxyapatites and doped with nano-MgFe2O4 for potential cancer hyperthermia therapy. Materials Science and Engineering: C, vol. 78, pp. 901 -911.

Zee J. (2002) Heating the patient: a promising approach. Ann Oncol. Aug, vol. 8, no. 13, pp. 1173-84.

Heydari M., Javidi M., Attar M. M., Karimi A., Navidbakhsh M., Haghpanahi M., Amanpour S. (2015) Magnetic fluid hyperthermia in a cylindrical gel contains water flow. Journal of Mechanics in Medicine and Biology, vol. 15, no. 05, 15500888: 1 – 16. doi: 10.1142/S0219519415500888

Hildebrandt, B. (2002). The cellular and molecular basis of hyperthermia. Critical Reviews in Oncology/Hematology, vol. 43, no. 1, pp. 33–56.

Ulashchik V. S. (2014) Lokal'naya gipertermiya v onkologii: ispol'zovaniye magnitnogo polya, lazernogo izlucheniya, ul'trazvuka [Local hyperthermia in oncology: the use of a magnetic field, laser radiation, ultrasound]. Voprosy kurortologii, fizioterapii i lechebnoy fizicheskoykul'tury [Questions of balneology, physiotherapy and medical physical culture], vol. 91, no. 2, pp. 48–57. (In Russian)

Perigo E. A., Hemery G., Sandre O., Ortega D. (2015) Fundamentals and advances in magnetic hyperthermia. Applied Physics Reviews, no. 2, pp. 041302-1 – 041302-35.

Freeman C., Halperin E.C., Brady L.W., Wazer D. E. (2008) Perez and Brady's Principles and Practice of Radiation Oncology. Philadelphia, Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins. pp. 637–644.

Nikiforov V., Brusentsov N. (2007) Magnitnayagipertermiya v onkologii [Magnetic hyperthermia in oncology].Medical Physics, no. 2, pp. 51–59.

Brusentsov N.A., KomissarovaL.Kh., Kuznetsov A.A. (2002) Evaluation of ferrifluids containing fotosensitizer for the AC magnetic field action to the tumor cells in vitro.J. Eur. Cells and Materials, vol. 3, no. 2, pp. 70–73.

Ahmed K., Zaidi S.F. (2013) Treating cancer with heat: hyperthermia as promising strategy to enhance apoptosis. J. Pak. Med. Assoc., vol. 63, no.4, pp. 504-8.

Banobre-Lopez M., Rodrigues D., Espina B. (2013) Control of bacterial cells growths by magnetic hyperthermia. IEEE transactions on magnetics, vol. 49, no. 7, pp. 3508–3511.

Horobets S.V., HorobetsO.Yu., Butenko K.O., Chyzh Yu. M. (2014) Biomineralizatsiya mahnitnykh nanochastynok bakterialnymy symbiontamy lyudyny [Biomineralization of magnet nanoparticles with bacterial symbionts of man]. Medical perspectives, vol. 19, no. 2, pp. 4-12. (In Ukrainian)

Chekhun V., Horobets S., Horobets O., Demyanenko I. (2011) Mahnitochutlyvi nanostruktury endohennoho pokhodzhennya v klitynakh kartsynomy Erlikha [Magneto-sensitive nanostructures of endogenous origin in Ehrlich carcinoma cells]. Material science of nanostructures, no. 2, pp. 102-109. (In Ukrainian)

Chekhun V., Horobets S., Horobets O., Demyanenko I. (2011) Mahnitninanostruktury v pukhlynnykhklitynakh [Magnetic nanostructures in neoplasm cells]. Visnyk of the National Academy of Sciences of Ukraine, no. 11, pp. 13-20. (In Ukrainian)

BLAST: Basic Local Alignment Search Tool [Internet]. Blast.ncbi.nlm.nih.gov. 2019 [cited 02.07.2019]. Available from: http://blast.ncbi.nlm.nih.gov.

Li W., Pio F., Pawlowski K., Godzik A. (2000) Saturated BLAST: an automated multiple intermediate sequence search used to detect distant homology. Bioinformatics, vol. 16, no. 12, pp. 1105-1110.

Schubbe S., Wurdemann C., Peplies J., Heyen U, Wawer C., Glockner F. (2006). Transcriptional Organization and Regulation of Magnetosome Operons in Magnetospirillumgryphiswaldense. Applied and Environmental Microbiology, vol. 72, no. 9, pp. 5757-5765. doi: 10.1128/AEM.00201-06.

Ullrich S., Kube M., Schubbe S., Reinhardt R., Schuler D. (2005) A Hypervariable 130-Kilobase Genomic Region of Magnetospirillum gryphiswaldense Comprises a Magnetosome Island Which Undergoes Frequent Rearrangements during Stationary Growth. Journal of Bacteriology, vol. 187, no. 21, pp. 7176-7184. doi: 10.1128/JB.187.21.7176-7184.2005.

The Statistics of Sequence Similarity Scores/ National Center for Biotechnology Information. Available at: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/tutorial/Altschul-1.html.

Gorobets O. Yu., Gorobets S.V., Sorokina L.V. (2014) Biomineralization and synthesis of biogenic magnetic nanoparticles and magnetosensitive in clusions in microorganisms and fungi. Functional Materials, vol. 21, no. 4, pp. 427-436.

Gorobets S., Gorobets O., Kovalyov O., Hetmanenko K., Kovalyova S. (2016) Examining the properties of dry magnetically controlled biosorbent, obtained by the method of mechanical and magneto-hydrodynamic agitation. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, vol. 84, no. 6/10, pp. 57–63.

Vainshtein. M., Suzina N., Kudryashova E., Ariskina E. (2002) New magnet-sensitive structures in bacterial and archaeal cells.Biology of the Cell, vol. 94, pp. 29–35.

Lins U., Farina M., (2001) Amorphous mineral phases in magnetotactic multicellular aggregates. Arch. Microbiol., vol. 176, pp. 323–328.

Machala L., Zboril R., Gedanken A. (2007)Amorphous Iron (III) Oxides - A Review. J. Phys. Chem. B, vol. 111, no. 16, pp. 4003–4018. doi: 10.1021/jp064992s.

Kirschvink J.L., Kobayashi-Kirschvink A., Woodford B.J. (1992) Magnetite biomineralization in the human brain. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, vol. 89, pp. 7683–7687.

Drummond D.C., Meyer O., Hong K. (1999) Optimizing Liposomes for delivery of chemotherapeutic agents to solid tumors. Pharmacological reviews, vol. 51, no. 4, pp. 691–743.

Dobson J.P., Grassi P. (1996) Magnetic Properties of Human Hippocampal Tissue –Evaluation of Artefact and Contamination Sources.Brain Res. Bull., vol. 39, pp. 255–259.

Bely V., Schlager M.A., Foster H., Reimer A.E., Carter A.P, Yildiz A. (2016) The mammalian dynein-dynactin complex is a strong opponent to kinesin in a tug-of-war competition. Nat. Cell. Biol., vol. 9, no. 18, pp. 1018–1024.

Hill D.B., Plaza M.J., Bonin K., Holzwarth G. (2004) Fast vesicle transport in PC12 neurites: velocities and forces. Eur. Biophys. J., vol. 33, no. 7, pp. 623-32. doi: 10.1007/s00249-004-0403-6.

Mikeshyna H.I., Darmenko Y.A., Gorobets O. Yu., Gorobets S.V., Sharay I.V., Lazarenko O.M. (2018) Influence of biogenic magnetic nanoparticles on the vesicular transport. Acta Physica Polonica, vol. 133, no. 3, pp. 731–733.


Повний текст: PDF

Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.


ISSN 2306-1472 (Online), ISSN 1813-1166 (Print)

Передплатний індекс 86179

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License.

Ulrich's Periodicals DirectoryIndex CopernicusDOAJSSMРИНЦWorldCatCASEBSCOCrossRefBASEDRIVERНаціональна бібліотека ім. ВернадськогоНауково-технічна бібліотека НАУ