DOI: https://doi.org/10.2147/ijn.s507712
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40066326
تاريخ النشر: 2025-03-01
المؤلف: Anna Grudniak وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيلينيوم في الأنظمة البيولوجية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في الخصائص المضادة للبكتيريا لجزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) التي تم تصنيعها من خلال طرق خضراء باستخدام مستخلصات نباتية (المريمية، القفزات، التوت الأسود، التوت الأحمر، والبلسم الليموني) مقارنة بجزيئات SeNPs المصنعة كيميائيًا والمثبتة باستخدام بولي فينيل الكحول. تركز الدراسة على تأثيراتها على سلالة نموذجية من *Escherichia coli*، مع تقييم الأنشطة الإنزيمية الرئيسية، وخاصة الكاتالاز (CAT) وسوبر أكسيد ديسموتاز (SOD)، بالإضافة إلى استجابة البكتيريا للصدمات الأسموزية. تكشف النتائج أن جزيئات SeNPs المصنعة بطريقة خضراء تظهر نشاطًا مضادًا للبكتيريا بشكل كبير، بشكل أساسي من خلال توليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، مما يؤدي إلى تثبيط نشاط CAT وتقليل نشاط SOD، مما يعطل في النهاية الاستجابة الخلوية للإجهاد الأسموزي.
تخلص الدراسة إلى أن جزيئات SeNPs الخضراء لا تظهر فقط آليات مضادة للبكتيريا فعالة ولكنها أيضًا تقدم مزايا بيئية بسبب تصنيعها من مواد طبيعية، مما يلغي الحاجة إلى مثبتات سامة. تتماشى آليات العمل مع الأبحاث السابقة، مما يبرز التفاعلات مع البروتينات والإنزيمات الخلوية، والإنتاج المفرط لـ ROS، وتثبيط تكوين الأغشية الحيوية. التطبيقات المحتملة لهذه الجزيئات النانوية واسعة، تتراوح من إضافات غذائية ومكملات غذائية إلى استخدامات طبية مبتكرة، بما في ذلك توصيل الأدوية والحماية من الإشعاع في علاج السرطان، مما يبرز انخفاض سميتها وارتفاع توافقها الحيوي.
مقدمة
في المقدمة، تناقش ورقة البحث أهمية الجزيئات النانوية، التي هي جزيئات عضوية وغير عضوية بحجم يتراوح بين 1-100 نانومتر، في معالجة مقاومة المضادات الحيوية من خلال خصائصها المضادة للبكتيريا. تعمل هذه الجزيئات النانوية عبر آليات متعددة تختلف عن المضادات الحيوية التقليدية، بما في ذلك إتلاف أغشية الخلايا البكتيرية، وتوليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، وتعطيل الأيض البكتيري. من الجدير بالذكر أن الجزيئات النانوية المعدنية مثل الفضة والنحاس، بالإضافة إلى جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs)، تم تسليط الضوء عليها لفعاليتها المضادة للميكروبات واسعة الطيف ضد مسببات الأمراض المختلفة، بما في ذلك السلالات المقاومة للمضادات الحيوية. تؤكد الورقة على إمكانيات SeNPs، التي تظهر فوائد إضافية مثل التأثيرات المناعية وتطبيقات في الطلاءات الطبية ومستحضرات التجميل.
يهدف المؤلفون إلى استكشاف الآليات الكامنة وراء العمل المضاد للبكتيريا لجزيئات SeNPs المصنعة من خلال طرق صديقة للبيئة باستخدام الأعشاب المزروعة بشكل شائع. يفترضون أن هذه الجزيئات النانوية تحفز الإجهاد التأكسدي في الخلايا البكتيرية من خلال زيادة مستويات ROS وتثبيط الإنزيمات المزالة للسموم، مما يعزز تأثيراتها المضادة للبكتيريا. تركز الدراسة على التحقيقات الحية باستخدام *Escherichia coli* ككائن نموذجي للتحقق من هذه الفرضية، مما يساهم في فهم آليات SeNPs وتعزيز إمكانية تكرار تصنيع الجزيئات النانوية عبر إعدادات بحثية مختلفة.
طرق
تحدد قسم “المواد والطرق” في ورقة البحث التصميم التجريبي والإجراءات المستخدمة للتحقيق في سؤال البحث. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، معدات، وعينات بيولوجية، مما يضمن إمكانية تكرار الدراسة. تشمل المنهجية إعداد التجربة، تقنيات جمع البيانات، والطرق التحليلية المطبقة لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم التحليلات الإحصائية التي تم إجراؤها للتحقق من النتائج، بما في ذلك أي برامج أو خوارزميات تم استخدامها. من خلال تقديم نظرة شاملة على الطرق، يؤسس هذا القسم الأساس للنتائج المقدمة لاحقًا في الورقة، مما يضمن أن البحث يتماشى مع المعايير العلمية الصارمة.
نتائج
تسلط نتائج هذه الدراسة الضوء على دور المركبات الكيميائية الطبيعية الموجودة في مستخلصات النباتات، مثل الفلافونويدات والأحماض البوليفينولية، في التصنيع الأخضر لجزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs). تعمل هذه المركبات كمواد مختزلة ومثبتة طبيعية، مما يسهل تشكيل الجزيئات النانوية من خلال آلية معقدة تشمل تفكك أملاح السيلينيوم ونمو البلورات. استقرار الجزيئات النانوية المصنعة مرتفع بشكل ملحوظ، مما يمنع الطرق التقليدية للفصل مثل الطرد المركزي من أن تكون فعالة.
كشفت التحقيقات في التأثيرات المضادة للبكتيريا لجزيئات SeNPs أنها تثبط بشكل كبير نمو *Escherichia coli* تحت ضغط أسموزي ناتج عن كلوريد الصوديوم (NaCl) وكلوريد البوتاسيوم (KCl). بينما أظهرت الثقافات الضابطة من E. coli تثبيطًا في النمو يتناسب مع تركيز NaCl وKCl، أدى وجود جزيئات SeNPs المصنعة بطريقة خضراء إلى تثبيط كامل للنمو (100%) بغض النظر عن الظروف الأسموزية. بالمقابل، أظهرت جزيئات SeNPs المشتقة كيميائيًا أيضًا فعالية مضادة للبكتيريا مماثلة. تشير هذه النتائج إلى أن جزيئات SeNPs المصنعة من مستخلصات النباتات لا تمتلك فقط خصائص مضادة للبكتيريا قوية ولكنها أيضًا تحتفظ بالاستقرار، مما يجعلها مرشحة واعدة للتطبيقات في مكافحة العدوى البكتيرية تحت ظروف الإجهاد.
مناقشة
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في تأثيرات جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) المصنعة من خلال طرق خضراء باستخدام مستخلصات عشبية متنوعة على *Escherichia coli* (E. coli). تم إعداد المستخلصات العشبية، المشتقة من نباتات مثل البلسم الليموني، التوت الأحمر، المريمية، التوت الأسود، والقفزات، باستخدام طريقة استخراج الماء المغلي. تم تصنيع جزيئات SeNPs عن طريق تقليل سيلينيت الصوديوم (Na₂SeO₃) باستخدام هذه المستخلصات، وتمت caracterization خصائصها باستخدام تقنيات مثل تشتت الضوء الديناميكي (DLS) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM). أشارت النتائج إلى أن كل من جزيئات SeNPs المصنعة بطريقة خضراء وكيميائيًا تثبط بشكل كبير نمو E. coli، مع ظهور تأثير قاتل للبكتيريا لجزيئات SeNPs الخضراء، خاصة تحت ظروف الإجهاد الأسموزي.
قيمت الدراسة أيضًا تأثير جزيئات SeNPs على الأنشطة الإنزيمية للكاتالاز (CAT) وسوبر أكسيد ديسموتاز (SOD) في E. coli. أدى وجود جزيئات SeNPs إلى تقليل ملحوظ في نشاط CAT، مما أدى إلى تراكم بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂)، وهو نوع من أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) التي يمكن أن تسبب ضررًا خلويًا. وبالمثل، تم تقليل نشاط SOD أيضًا، مما يشير إلى أن جزيئات SeNPs تحفز الإجهاد التأكسدي في الخلايا البكتيرية. تقترح النتائج أن الآلية المضادة للبكتيريا لجزيئات SeNPs الخضراء قد تشمل تحفيز الإجهاد الأسموزي وزيادة مستويات ROS، مما يضعف آليات الدفاع البكتيرية، مما يؤدي في النهاية إلى موت الخلايا. تؤكد هذه الأبحاث على إمكانيات جزيئات SeNPs المصنعة بطريقة خضراء كعوامل مضادة للميكروبات فعالة، مما يبرز تطبيقاتها العلاجية في مكافحة العدوى البكتيرية.
DOI: https://doi.org/10.2147/ijn.s507712
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40066326
Publication Date: 2025-03-01
Author(s): Anna Grudniak et al.
Primary Topic: Selenium in Biological Systems
Overview
The research investigates the antibacterial properties of selenium nanoparticles (SeNPs) synthesized through green methods using plant extracts (sage, hops, blackberry, raspberry, and lemon balm) compared to chemically synthesized SeNPs stabilized with polyvinyl alcohol. The study focuses on their effects on a model strain of *Escherichia coli*, assessing key enzymatic activities, specifically catalase (CAT) and superoxide dismutase (SOD), as well as the bacterial response to osmotic shock. The findings reveal that the green-synthesized SeNPs exhibit significant antibacterial activity, primarily through the generation of reactive oxygen species (ROS), which leads to the inhibition of CAT and reduced SOD activity, ultimately disrupting the cellular response to osmotic stress.
The study concludes that green SeNPs not only demonstrate effective antibacterial mechanisms but also present ecological advantages due to their synthesis from natural reagents, eliminating the need for toxic stabilizers. The mechanisms of action align with previous research, highlighting interactions with cellular proteins and enzymes, ROS overproduction, and inhibition of biofilm formation. The potential applications of these nanoparticles are extensive, ranging from food additives and dietary supplements to innovative medical uses, including drug delivery and radioprotection in cancer therapy, emphasizing their low toxicity and high biocompatibility.
Introduction
In the introduction, the research paper discusses the significance of nanoparticles, which are organic and inorganic particles sized between 1-100 nm, in addressing antibiotic resistance through their antibacterial properties. These nanoparticles operate via multiple mechanisms distinct from traditional antibiotics, including damaging bacterial cell membranes, generating reactive oxygen species (ROS), and disrupting bacterial metabolism. Notably, metal nanoparticles like silver and copper, as well as selenium nanoparticles (SeNPs), are highlighted for their broad-spectrum antimicrobial efficacy against various pathogens, including antibiotic-resistant strains. The paper emphasizes the potential of SeNPs, which exhibit additional benefits such as immunomodulatory effects and applications in medical coatings and cosmetics.
The authors aim to explore the mechanisms underlying the antibacterial action of SeNPs synthesized through environmentally friendly methods using commonly cultivated herbs. They hypothesize that these nanoparticles induce oxidative stress in bacterial cells by increasing ROS levels and inhibiting detoxifying enzymes, thereby enhancing their antibacterial effects. The study focuses on in vivo investigations using Escherichia coli as a model organism to validate this hypothesis, contributing to the understanding of SeNPs’ mechanisms and promoting reproducibility in nanoparticle synthesis across different research settings.
Methods
The “Materials and Methods” section of the research paper outlines the experimental design and procedures employed to investigate the research question. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the study. The methodology encompasses the experimental setup, data collection techniques, and analytical methods applied to interpret the results.
Additionally, the section may describe the statistical analyses performed to validate the findings, including any software or algorithms utilized. By providing a comprehensive overview of the methods, this section establishes the foundation for the results presented later in the paper, ensuring that the research adheres to rigorous scientific standards.
Results
The results of this study highlight the role of naturally occurring chemical compounds in plant extracts, such as flavonoids and polyphenolic acids, in the green synthesis of selenium nanoparticles (SeNPs). These compounds act as natural reducers and stabilizers, facilitating the formation of nanoparticles through a complex mechanism involving the dissociation of selenium salts and the growth of crystallites. The stability of the synthesized nanoparticles is notably high, preventing conventional separation methods like centrifugation from being effective.
The investigation into the antibacterial effects of SeNPs revealed that they significantly inhibit the growth of Escherichia coli under osmotic stress induced by sodium chloride (NaCl) and potassium chloride (KCl). While control cultures of E. coli showed growth inhibition proportional to the concentration of NaCl and KCl, the presence of green-synthesized SeNPs resulted in complete growth inhibition (100%) regardless of osmotic conditions. In contrast, chemically derived SeNPs also demonstrated similar antibacterial efficacy. These findings suggest that SeNPs synthesized from plant extracts not only possess strong antibacterial properties but also retain stability, making them promising candidates for applications in combating bacterial infections under stress conditions.
Discussion
In this study, the authors investigated the effects of selenium nanoparticles (SeNPs) synthesized through green methods using various herbal extracts on *Escherichia coli* (E. coli). The herbal extracts, derived from plants such as lemon balm, raspberry, sage, blackberry, and hops, were prepared using a boiling water extraction method. The SeNPs were synthesized by reducing sodium selenite (Na₂SeO₃) with these extracts, and their properties were characterized using techniques like dynamic light scattering (DLS) and scanning electron microscopy (SEM). The results indicated that both green-synthesized and chemically synthesized SeNPs significantly inhibited the growth of E. coli, with the green SeNPs exhibiting a strong bactericidal effect, particularly under osmotic stress conditions.
The study further evaluated the impact of SeNPs on the enzymatic activities of catalase (CAT) and superoxide dismutase (SOD) in E. coli. The presence of SeNPs led to a marked reduction in CAT activity, resulting in the accumulation of hydrogen peroxide (H₂O₂), a reactive oxygen species (ROS) that can cause cellular damage. Similarly, SOD activity was also diminished, suggesting that the SeNPs induce oxidative stress in bacterial cells. The findings propose that the antibacterial mechanism of green SeNPs may involve the induction of osmotic stress and increased ROS levels, which compromise the bacterial defense mechanisms, ultimately leading to cell death. This research underscores the potential of green-synthesized SeNPs as effective antimicrobial agents, highlighting their therapeutic applications in combating bacterial infections.