| Lizenz: Veröffentlichungsvertrag für Publikationen mit Print on Demand (4MB) |
- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-348467
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.34846
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 20 Oktober 2017 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Reinhard Wirth |
| Tag der Prüfung: | 20 Oktober 2016 |
| Institutionen: | Nicht ausgewählt |
| Stichwörter / Keywords: | Escherichia coli K12, Staphylococcus cohnii, contact killing, copper containing and alloyed materials |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 34846 |
Zusammenfassung (Englisch)
Maintaining human health during long-term space missions is of major concern at any time. It is well known that space missions influence the immune system of the explorers and that they become more susceptible to bacterial infections. At the same time, bacteria exposed to the space environment have been shown to get more aggressive and more resistant to antibiotics. This particular combination ...
Zusammenfassung (Englisch)
Maintaining human health during long-term space missions is of major concern at any time. It is well known that space missions influence the immune system of the explorers and that they become more susceptible to bacterial infections. At the same time, bacteria exposed to the space environment have been shown to get more aggressive and more resistant to antibiotics. This particular combination can lead to severe infections and may jeopardise the mission; therefore a strong and uncompromising strategy inhibiting the propagation of bacteria is urgently needed. To achieve this, antimicrobial surfaces may just offer the answer. They provide a promising alternative to conventional cleaning procedures with e.g. disinfectants and contain organic/inorganic substituents or antimicrobial metals such as copper or silver. Copper is an essential metal but toxic at higher concentrations. On the contrary, silver is not essential and therefore toxic even at low concentrations. Due to their antimicrobial properties, both metals were used for medical issues and the storage of drinking water since thousands of years. While the toxicity is well known, the exact mechanisms of the toxicity are still unclear. In this study the antimicrobial effect of pure copper and new, potentially antimicrobial eutectic alloys composed of aluminium, silver and/or copper was investigated under wet contact killing conditions.
First, the survival of Gram-positive and Gram-negative cells after contact with antimicrobial materials was examined. Additionally, intracellular reactive oxygen species (ROS) production and damages of the membrane, DNA and RNA were determined for copper exposed samples. ROS production and membrane damages increased rapidly within one hour while the effect on cell survival was negligible even after two hours of exposure. Only longer exposure of up to four hours led to a rapid decrease in cell survival depending on the concentration of exposed cells/cm².
Further investigations were conducted with selected strains of the Keio collection. This collection is composed of E. coli strains which exhibit knockouts in one gene whereby each deleted gene was exchanged by a kanamycin cassette. To determine metabolic influences of pure copper and eutectic alloy exposed samples, 21 strains which had either a direct link to copper and/or silver transport mechanisms or a general function in the microorganism were selected. After pre-testing, different survivability’s of E. coli ΔcopA, ΔrecA, ΔcutA, ΔcueR and ΔcueO were obtained. The survival was decreased in absence of CueO compared to ΔcopA strains when exposed to pure copper surfaces. In contrast to this, the survivability was vice versa when exposed to silver containing alloys whereas CueO had no function in silver oxidization.
Finally, the release of metal ions and the cell associated metal concentration was determined by taking the example of Staphylococcus cohnii, Escherichia coli K12 and ΔcopA to identify possible connections between cell associated ions and the survival of cells. These measurements indicated that the higher release of ions after exposure of cells in buffer is caused by an indirect dissolution. Despite a relatively high cell associated ion concentration, the experiments in the current study (with ex vivo and in vivo DNA/RNA and the above mentioned Keio strains) pointed out that these ions were possibly primarily present in the periplasm. Additionally, investigations on ternary, eutectic alloys were conducted. They showed that special casting protocols need to be in progress to obtain antimicrobial effects. Due to the antimicrobial effect and light weight, these materials could be a great opportunity to be applied in hospitals or in spacecraft facilities.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Während Langzeitmissionen im All ist die Aufrechterhaltung der menschlichen Gesundheit von großer Bedeutung. Es ist bekannt, dass Weltraummissionen das Immunsystem von Astronauten beeinflussen und diese anfälliger für bakterielle Infektionen werden. Gleichzeitig verändern sich Bakterien, die den Umweltbedingungen des Weltalls ausgesetzt werden; sie werden aggressiver und resistenter gegen ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Während Langzeitmissionen im All ist die Aufrechterhaltung der menschlichen Gesundheit von großer Bedeutung. Es ist bekannt, dass Weltraummissionen das Immunsystem von Astronauten beeinflussen und diese anfälliger für bakterielle Infektionen werden. Gleichzeitig verändern sich Bakterien, die den Umweltbedingungen des Weltalls ausgesetzt werden; sie werden aggressiver und resistenter gegen Antibiotika. Diese Kombination kann zu schwerwiegenden Infektionen führen und die Mission gefährden. Aus diesem Grund werden Strategien zur Inhibierung und Verbreitung von Bakterien benötigt, wobei der Einsatz von antimikrobiellen Oberflächen eine gute Alternative zu konventionellen Reinigungsverfahren mit Desinfektionsmitteln bietet. Sie können entweder aus organischen/anorganischen Substituenten oder antimikrobiellen Metallen wie Kupfer oder Silber bestehen. Kupfer ist ein essentielles Metall, das allerdings bei höheren Konzentrationen toxisch wirken kann. Im Gegensatz dazu ist Silber nicht essentiell und wirkt schon bei geringen Konzentrationen toxisch. Beide Metalle besitzen antimikrobielle Eigenschaften und wurden schon vor tausenden von Jahren in der Medizin und zur Lagerung von Trinkwasser eingesetzt. Während die Toxizität der Metalle bekannt ist, sind die genauen Wirkmechanismen noch unklar. In dieser Studie wurde daher neben der antimikrobiellen Wirkung von reinem Kupfer die potentielle antimikrobielle Wirkung von neuen Verbundmaterialien, die aus Aluminium, Kupfer und/oder Silber bestehen, in feuchten Kontakt-Tötungsversuchen untersucht.
Zunächst wurde das Überleben von Gram-positiven und Gram-negativen Stämmen auf antimikrobiellen Materialien ermittelt. Im Anschluss daran wurden die intrazelluläre reaktive Sauerstoffspezies (ROS) Produktion und Schäden an der Membran sowie der DNA und RNA nach der Exposition von Escherichia coli K12 auf Kupferoberflächen bestimmt. Bereits nach einer Stunde konnte eine erhöhte ROS Produktion sowie Schäden an der Membran festgestellt werden. Im Gegensatz dazu konnten, auch nach zweistündiger Exposition, keine Auswirkungen auf das Überleben der Zellen gemessen werden. Erst eine längere Exposition von vier Stunden führte zu einer raschen Abnahme des Überlebens in Abhängigkeit von der eingesetzten Zellkonzentration/cm².
Weitere Untersuchungen wurden mit ausgewählten Stämmen der Keio Kollektion durchgeführt. Diese Kollektion umfasst E. coli Stämme, die einen Knockout in einzelnen Genen aufweisen, wobei jedes Gen durch eine Kanamycin Kassette ausgetauscht wurde. Für diese Studie wurden 21 Stämme ausgewählt, die entweder einen direkten Einfluss auf den Kupfer- und/oder Silbertransport haben oder eine generelle Funktion im Mikroorganismus, um die Rolle dieser Gene beim Überleben von E. coli auf reinen Kupferoberflächen und eutektischen Gemischen zu untersuchen. Detaillierte Experimente mit den Stämmen E. coli ΔcopA, ΔrecA, ΔcutA, ΔcueR und ΔcueO zeigten unterschiedliche Überlebensfähigkeiten. Nach der Exposition auf reinem Kupfer war das Überleben in Abwesenheit von CueO reduziert, wobei Stämme ohne CopA sehr resistent waren. Nach der Exposition auf silberhaltigen Legierungen überlebte der ΔcueO Stamm am besten, da er Silber nicht oxidieren kann.
Im Anschluss daran wurde die Freisetzung und zellassoziierte Kupferionen-Konzentration am Beispiel von Staphylococcus cohnii, E. coli K12 und ΔcopA bestimmt, um mögliche Verbindungen zwischen zellassoziierten Ionen und dem Überleben der Zellen zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigten, dass die Freisetzung bei einer Exposition von Zellen sehr viel größer im Vergleich zu reinem Puffer war, was auf eine indirekte Freisetzung von Ionen hinwies. Neben der relativ hohen Konzentration an zellassoziierten Ionen, konnte durch Versuche mit ex vivo und in vivo DNA/RNA und den ausgewählten Stämmen der Keio Sammlung gezeigt werden, dass die Ionen möglicherweise eher im Periplasma, statt im Zytoplasma, vorliegen. Zusätzlich wiesen die Untersuchungen auf ternären, eutektischen Gemischen darauf hin, dass spezielle Gießverfahren eingehalten werden müssen, um einen antimikrobiellen Effekt hervorzurufen. Diese Materialien könnten, auf Grund des antimikrobiellen Effektes und ihres Gewichtes in Krankenhäusern oder der Raumfahrttechnik Anwendung finden.
Metadaten zuletzt geändert: 25 Nov 2020 21:55
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