Nanoparticules d'oxyde de cuivre dopées aux extraits de gingembre et d'ail : une activité antibactérienne puissante contre Escherichia coli

Résumé

L'essor des bactéries résistantes aux antibiotiques et la persistance de résidus médicamenteux dans les chaînes alimentaires constituent une crise de santé publique mondiale. Les antibiotiques conventionnels deviennent de plus en plus inefficaces, exigeant un développement rapide de nouveaux antimicrobiens. Les nanoparticules (NP) d'oxyde de cuivre (CuO) offrent une plateforme inorganique polyvalente aux propriétés antimicrobiennes prouvées. Dans cette étude, des NP de CuO ont été synthétisées par une voie verte et dopées avec des concentrations variables d'extraits de gingembre (Zingiber officinale, ZO) et d'ail (Allium sativum, AS). Les NP biogéniques résultantes ont été évaluées contre une souche pathogène d'Escherichia coli isolée de mammites bovines. Les données confirment que les NP de CuO dopées au gingembre, particulièrement à un rapport d'extrait 6 mL : 1, offrent une activité bactéricide supérieure, soulignant une alternative rentable et écologique aux antibiotiques conventionnels.

Introduction

Les plantes médicinales telles que l'ail et le gingembre sont riches en composés phénoliques conférant de puissants effets antioxydants et antibactériens. Le gingembre contient du gingérol, du shogaol et de la curcumine, tandis que l'ail est une source d'allicine et d'autres molécules soufrées à activité à large spectre, y compris contre les souches multirésistantes (MDR) (réf. [1]–[6]).

La nanotechnologie permet la conception de matériaux aux propriétés physicochimiques uniques. Les nanoparticules d'oxyde de cuivre ont été étudiées pour diverses applications — agents antimicrobiens, administration de médicaments, photocatalyseurs et capteurs — grâce à leur nature semiconductrice et leur capacité à générer des espèces réactives de l'oxygène (ROS) qui perturbent les membranes bactériennes (réf. [10]–[15]).

Escherichia coli est un pathogène clé en médecine vétérinaire et humaine. Chez les bovins laitiers, les souches MDR d'E. coli produisant des β-lactamases à spectre étendu (ESBL) ou des β-lactamases AmpC causent des mammites et des pertes économiques significatives (réf. [18]–[25]). Ces défis soulignent l'urgence de nouveaux antimicrobiens contournant les mécanismes de résistance traditionnels.

Ici, nous explorons des NP de CuO synthétisées vertement, dopées aux extraits de gingembre et d'ail, comme alternatives potentielles aux antibiotiques pour contrôler les infections à E. coli.

Méthodes

L'objectif était d'évaluer l'efficacité bactéricide de NP de CuO réduites phytochimiquement contre des extraits de racines de gingembre et d'ail et un isolat d'E. coli issu de mammites bovines.

Matériaux

Des NP de CuO synthétisées chimiquement (Sigma-Aldrich) et des racines de gingembre et d'ail séchées (marché de Lahore) ont été utilisées. Des milieux de culture standards et réactifs analytiques ont été employés sans modification.

Extraction aqueuse des racines ZO et AS

Les racines ont été pulvérisées, mélangées à de l'eau distillée (ratio 1:10), agitées 30 min à 70 °C, filtrées (Whatman n°1), refroidies et stockées à 4 °C (Fig. 1a).

Synthèse verte de CuO

Une solution de nitrate cuivrique 0,1 M a été mélangée à 3, 6 ou 12 mL d'extrait ZO ou AS sous agitation continue. Le pH a été ajusté à 12 avec NaOH 2 M, chauffé à 90 °C pendant 2 h pour former des précipités, qui ont été centrifugés (10 000 tr/min, 20 min), lavés et séchés une nuit à 90 °C (Fig. 1b).

Caractérisation

L'absorption UV-vis (200–500 nm) a été enregistrée avec un spectrophotomètre GENESYS-10S. La diffraction des rayons X (XRD) a été réalisée sur un Bruker D2 Phaser (Cu Kα, λ = 1,540 Å). Les spectres infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) ont été obtenus par ATR-FTIR. La microscopie électronique à balayage (MEB) et la spectroscopie par dispersion d'énergie des rayons X (EDS) ont été effectuées sur un JSM-6610LV. La microscopie électronique à transmission haute résolution (HRTEM) et la diffraction électronique de zone sélectionnée (SAED) ont été réalisées sur un JEOL JEM-2100F. La spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) a servi à confirmer les états élémentaires.

Isolation et identification d'E. coli

Collecte des échantillons

Des échantillons de lait ont été prélevés sur des vaches et buffles atteints de mammites cliniques dans plusieurs fermes.

Isolation d'E. coli

L'agar MacConkey a servi à cultiver les échantillons ; les colonies ont été sous-cultivées et soumises à des tests de sensibilité aux antibiotiques selon les directives NCCLS.

Identification d'E. coli

La coloration de Gram, l'évaluation morphologique et les tests biochimiques (méthyl-rouge, catalase) ont confirmé les isolats d'E. coli, corroborés par la croissance sur agar EMB.

Évaluation antibactérienne in vitro

Des tests de diffusion sur disque ont été menés contre 10 isolats pathogènes d'E. coli. Les boîtes de Petri ont été ensemencées avec 1,5 × 10⁸ UFC/mL et des puits de 6 mm remplis avec 100 µL de chaque solution test (extraits, NP dopées, ou CuO chimiquement synthétisé). Les plaques ont été incubées à 37 °C pendant 24 h, et les zones d'inhibition (mm) mesurées au pied à coulisse. Les données ont été analysées par ANOVA à un facteur (p < 0,05).

Résultats et discussion

Les spectres UV-vis ont révélé un changement de couleur de vin à noir de charbon pendant la formation des NP de CuO. Les extraits présentaient des maxima à 275 nm (ZO) et 280 nm (AS). Les NP de CuO dopées montraient un λmax à 250 nm, avec une absorption optimale à un rapport d'extrait 6 mL : 1 (Fig. 2a,b).

Les diagrammes XRD ont confirmé la phase monoclinique CuO (JCPDS 00-002-1040). Les tailles de cristallites étaient de 24,7 nm (ZO-dopé), 47,6 nm (AS-dopé) et 27,4 nm (pur) (Fig. 3a,b). Les spectres FTIR montraient les vibrations caractéristiques O-H, C=O et Cu-O, confirmant le coiffage phytochimique (Fig. 4a,b).

Les images MEB montraient des nanoparticules sphériques avec des agrégats < 1 µm ; l'EDS confirmait une haute pureté en Cu et O, avec des signaux mineurs de Zn et S provenant des extraits (Fig. 5,6).

Les tests de diffusion sur disque ont démontré que les NP de CuO dopées ZO à un rapport 6 mL : 1 produisaient les plus grandes zones d'inhibition (jusqu'à 2,30 mm) et une efficacité bactéricide de 54,1 % (Fig. 9a-c). Les NP dopées AS présentaient une activité modeste, avec une zone maximale de 1,00 mm et 23,5 % d'efficacité à la plus haute concentration d'extrait (Fig. 9b-d). Le contrôle positif (ciprofloxacine) produisait une zone de 4,25 mm, tandis que le contrôle négatif (eau DI) ne montrait aucune inhibition.

Le mécanisme antibactérien est attribué à la génération de ROS et à la libération d'ions Cu²⁺, entraînant une perturbation membranaire, une dénaturation des protéines et des dommages à l'ADN (Fig. 10). Les NP plus petites produisent des niveaux de ROS plus élevés, améliorant l'efficacité bactéricide.

Conclusions

Les NP de CuO synthétisées vertement et dopées aux extraits de gingembre et d'ail présentent une activité antibactérienne significative contre E. coli pathogène issu de mammites bovines. Les NP dopées au gingembre, particulièrement à un rapport 6 mL : 1, offrent l'efficacité la plus élevée, probablement due à des interactions synergiques entre flavonoïdes et CuO. Les analyses structurales ont confirmé une phase monoclinique, une morphologie sphérique et une taille nanométrique (24,7 nm pour ZO-dopé, 47,6 nm pour AS-dopé). Ces résultats soutiennent l'utilisation de NP de CuO à base de plantes comme alternatives économiques et écologiques aux antibiotiques conventionnels, répondant au problème croissant de résistance aux antibiotiques et de contamination par résidus.