A study of the antibacterial properties of chitosan. Effects of chitosan on membrane lipids (DPPG) in Langmuir monolayers.

Chitozan, polikationowy polimer naturalnego pochodzenia, jest materiałem o wszechstronnym zastosowaniu. Wykazuje on wiele korzystnych właściwości - jest biokompatybilny, biodegradowalny i nietoksyczny. Szczególnie obiecująca jest aktywność bakteriobójcza i bakteriostatyczna chitozanu. Niniejsze badania miały na celu zbadanie charakteru oddziaływań chitozanu na błony komórkowe bakterii w układzie modelowym, jaki stanowią monowarstwy Langmuira. Do przygotowania monowarstw zastosowano lipid o charakterze anionowym, dipalmitynian fosfatydyloglicerolu (DPPG), który jest typowy dla błon bakteryjnych. Oddziaływania chitozanu z monowarstwą badano analizując różnice w przebiegu izoterm Langmuira (ciśnienie powierzchniowe w funkcji powierzchni) zarejestrowanych na buforze octanowym dla wybranych wartości pH buforu i stężeniach chitozanu w zakresie 0–1,0 mg/ml. Przebadano także wpływ temperatury (15, 19, 25, 31 i 37°C) na przebieg izoterm. Zaobserwowano, że obecność chitozanu zmniejsza gęstość upakowania warstwy DPPG prowadząc do jej rozluźnienia. To, jak duży jest wpływ chitozanu na rozluźnienie struktury monowarstwy zależy zarówno od temperatury jak i od pH buforu. Najsilniejszy efekt zaobserwowano dla pH 3,5 i temperaturze 37°C. Zachodzące zjawiska są wypadkową zmian zachodzących w cząsteczkach lipidu DPPG i chitozanu pod wpływem zmieniających się warunków temperatury i pH. Obecność chitozanu w subfazie zmniejsza gęstość upakowania warstwy lipidowej z powodu penetracji tej warstwy przez chitozan. Eksperyment potwierdza, że istnieją oddziaływania między cząsteczkami chitozanu i anionowymi składnikami bakteryjnych błon komórkowych, mogące prowadzić do zniszczenia błony komórkowej.

Chitosan, a natural polycationic polymer is a comprehensive material. It has a number of beneficial properties, it is biocompatible, biodegradable and non-toxic. Especially promising is bacteriostatic and bactericidal activity of chitosan. The purpose of this research was to elucidate the character of interactions between chitosan and bacterial cell membranes. To build model of bacterial cell membranes the Langmuir monolayer was used. Monolayers were generated with anionic lipid, dipalmitoyl phosphatidylglycerol (DPPG), lipid which is typical of bacterial membranes. Chitosan action on monolayers was studied by analyzing differences in the course of the Langmuir isotherms (surface pressure in the function of area). All isotherms were registered in conditions of acetate buffer in pH ranged 3,5 – 6,0 and concentration of chitosan range 0-1,0 mg/ml. Research included also the effect of temperature (15, 19, 25, 31 and 37°C). It was observed that the presence of chitosan loosened the DPPG monolayer density. The influence of chitosan molecules on monolayer density depended on the temperature and pH conditions. The most effective conditions were observed for pH 3,5 and temperature 37°C. The processes observed in the study were caused by the changes induced by temperature and pH conditions in both chitosan and DPPG molecules. The experiment confirms that electrostatic interactions are present between molecules of chitosan and anionic components of the bacterial cell membranes, which may damage those membranes.