Nanopartículas de Óxido de Cobre Dopadas com Extratos de Gengibre e Alho Exibem Potente Atividade Antibacteriana contra Escherichia coli

Resumo

O aumento de bactérias resistentes a antibióticos e a persistência de resíduos de fármacos nas cadeias alimentares representam uma crise global de saúde pública. Antibióticos convencionais tornam-se cada vez menos eficazes, demandando desenvolvimento rápido de novos antimicrobianos. Nanopartículas (NPs) de óxido de cobre (CuO) oferecem uma plataforma inorgânica versátil com propriedades antimicrobianas comprovadas. Neste estudo, NPs de CuO foram sintetizadas via rota verde e dopadas com concentrações variadas de extratos de gengibre (Zingiber officinale, ZO) e alho (Allium sativum, AS). Os NPs biogênicos resultantes foram avaliados contra uma cepa patogênica de Escherichia coli isolada de mastite bovina. Os dados confirmam que NPs de CuO dopadas com gengibre, especialmente na razão 6 mL : 1 de extrato, fornecem atividade bactericida superior, destacando uma alternativa econômica e ecológica aos antibióticos convencionais.

Introdução

Plantas medicinais como alho e gengibre são ricas em compostos fenólicos que conferem potentes efeitos antioxidantes e antibacterianos. O gengibre contém gingerol, shogaol e curcumina, enquanto o alho é fonte de alicina e outras moléculas contendo enxofre que exibem atividade de amplo espectro, inclusive contra cepas multirresistentes (MDR) (refs [1]–[6]).

A nanotecnologia permite o design de materiais com propriedades físico-químicas únicas. Nanopartículas de óxido de cobre têm sido investigadas para diversas aplicações — agentes antimicrobianos, liberação de fármacos, fotocatalisadores e sensores — graças à sua natureza semicondutora e capacidade de gerar espécies reativas de oxigênio (ROS) que rompem membranas bacterianas (refs [10]–[15]).

Escherichia coli é um patógeno chave na medicina veterinária e humana. Em bovinos leiteiros, cepas MDR de E. coli produtoras de β-lactamases de espectro estendido (ESBLs) ou β-lactamases AmpC causam mastite e perdas econômicas significativas (refs [18]–[25]). Esses desafios reforçam a urgência de novos antimicrobianos que contornem mecanismos de resistência tradicionais.

Aqui, exploramos NPs de CuO sintetizadas verde, dopadas com extratos de gengibre e alho, como potenciais alternativas a antibióticos no controle de infecções por E. coli.

Métodos

O objetivo foi avaliar a eficácia bactericida de NPs de CuO reduzidas fitoquimicamente contra extratos de raízes de gengibre e alho e um isolado de E. coli derivado de mastite bovina.

Materiais

NPs de CuO sintetizadas quimicamente (Sigma-Aldrich) e raízes secas de gengibre e alho (mercado de Lahore) foram utilizadas. Meios de cultura padrão e reagentes analíticos foram empregados sem modificação.

Extração Aquosa de Raízes de ZO e AS

Raízes foram pulverizadas, misturadas com água destilada (razão 1:10), agitadas por 30 min a 70 °C, filtradas (Whatman No. 1), resfriadas e armazenadas a 4 °C (Fig. 1a).

Síntese Verde de CuO

Solução 0,1 M de nitrato cúprico foi misturada com 3, 6 ou 12 mL de extrato ZO ou AS sob agitação contínua. O pH foi ajustado para 12 com NaOH 2 M, aquecido a 90 °C por 2 h para formar precipitados, que foram centrifugados (10.000 rpm, 20 min), lavados e secos durante a noite a 90 °C (Fig. 1b).

Caracterização

Absorção UV-vis (200–500 nm) foi registrada usando espectrofotômetro GENESYS-10S. Difração de raios X (XRD) foi realizada em Bruker D2 Phaser (Cu Kα, λ = 1,540 Å). Espectros de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) foram obtidos via ATR-FTIR. Microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de raios X por dispersão de energia (EDS) foram realizadas em JSM-6610LV. Microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) e difração eletrônica de área selecionada (SAED) em JEOL JEM-2100F. Espectroscopia de fotoelétrons por raios X (XPS) confirmou estados elementares.

Isolamento e Identificação de E. coli

Coleta de Amostras

Amostras de leite foram coletadas de vacas e búfalas com mastite clínica em várias fazendas.

Isolamento de E. coli

Ágar MacConkey foi usado para cultivar amostras; colônias foram sub-cultivadas e submetidas a teste de suscetibilidade a antibióticos seguindo diretrizes NCCLS.

Identificação de E. coli

Coloração de Gram, avaliação morfológica e testes bioquímicos (vermelho de metila, catalase) confirmaram isolados de E. coli, corroborados por crescimento em ágar EMB.

Avaliação Antibacteriana In Vitro

Ensaios de difusão em disco foram conduzidos contra 10 isolados patogênicos de E. coli. Placas de Petri foram semeadas com 1,5 × 10⁸ UFC/mL e poços de 6 mm preenchidos com 100 µL de cada solução de teste (extratos, NPs dopadas ou CuO sintetizado quimicamente). Placas incubadas a 37 °C por 24 h, e zonas de inibição (mm) medidas com paquímetro Vernier. Dados analisados por ANOVA unidirecional (p < 0,05).

Resultados e Discussão

Espectros UV-vis revelaram mudança de cor de vinho para negro-carvão durante formação de NPs de CuO. Extratos mostraram máximos a 275 nm (ZO) e 280 nm (AS). NPs de CuO dopadas exibiram λmax a 250 nm, com absorção ótima na razão 6 mL : 1 de extrato (Fig. 2a,b).

Padrões XRD confirmaram fase monoclínica do CuO (JCPDS 00-002-1040). Tamanhos de cristalito foram 24,7 nm (ZO-dopado), 47,6 nm (AS-dopado) e 27,4 nm (puro) (Fig. 3a,b). Espectros FTIR mostraram vibrações características O-H, C=O e Cu-O, confirmando captação fitoquímica (Fig. 4a,b).

Imagens MEV exibiram nanopartículas esféricas com aglomerados <1 µm; EDS confirmou alta pureza de Cu e O, com sinais menores de Zn e S dos extratos (Fig. 5,6).

Ensaios de difusão em disco demonstraram que NPs de CuO dopadas com ZO na razão 6 mL : 1 produziram as maiores zonas de inibição (até 2,30 mm) e eficácia bactericida de 54,1% (Fig. 9a-c). NPs dopadas com AS exibiram atividade modesta, com zona máxima de 1,00 mm e 23,5% de eficácia na maior concentração de extrato (Fig. 9b-d). O controle positivo (ciprofloxacino) produziu zona de 4,25 mm, enquanto controle negativo (ADI) não mostrou inibição.

O mecanismo antibacteriano é atribuído à geração de ROS e liberação de íons Cu²⁺, levando a rompimento de membrana, desnaturalização de proteínas e danos ao DNA (Fig. 10). NPs menores produzem níveis mais altos de ROS, aumentando a eficiência bactericida.

Conclusões

NPs de CuO sintetizadas verde e dopadas com extratos de gengibre e alho exibem significativa atividade antibacteriana contra E. coli patogênico de mastite bovina. NPs dopadas com gengibre, particularmente na razão 6 mL : 1, entregaram a maior eficácia, provavelmente devido a interações sinérgicas entre flavonoides e CuO. Análises estruturais confirmaram fase monoclínica, morfologia esférica e tamanho nanométrico (24,7 nm para ZO-dopado, 47,6 nm para AS-dopado). Estes achados apoiam o uso de NPs de CuO baseadas em plantas como alternativas econômicas e ambientalmente amigáveis aos antibióticos convencionais, abordando a crescente questão de resistência a antibióticos e contaminação por resíduos.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados estão totalmente disponíveis sem restrição.

Abreviações

EDS:

Espectroscopia de raios X por dispersão de energia

fcc:

Cúbico de face centrada

FTIR:

Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier

G + ve:

Gram positivo

G − ve:

Gram negativo

JCPDS:

Comitê conjunto sobre padrões de difração de pó

CuO:

Óxido de cobre

nm:

Nanômetro