DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-12457-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40715446
تاريخ النشر: 2025-07-26
المؤلف: Alsayed E. Mekky وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيلينيوم في الأنظمة البيولوجية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة التخليق الأخضر لجزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) باستخدام مستخلص درنات *Dahlia pinnata* L، مع تسليط الضوء على خصائصها المضادة للميكروبات، ومضادة للسكري، ومضادة للالتهابات. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، حيود الأشعة السينية (XRD)، وميكروسكوب الإلكترون الناقل (TEM)، نجاح التخليق وخصائص النانو لجزيئات SeNPs، التي أظهرت هيكل بلوري ثلاثي الشكل ومتوسط حجم جزيئات يبلغ 17.37 نانومتر. كشفت المجموعات الوظيفية المحددة عبر مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) والكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) عن وجود مركبات نشطة حيوياً مثل حمض الغاليك وحمض الكلوروجينيك.
كانت الفعالية المضادة للميكروبات لجزيئات SeNPs ملحوظة بشكل خاص ضد 70 عزلة من *Escherichia coli* من مرضى السكري، حيث أظهرت السلالات المقاومة للأدوية المتعددة تركيزات مثبطة دنيا (MICs) تتراوح بين 25-50 ميكروغرام/مل وتركيزات قاتلة دنيا (MBCs) تتراوح بين 50-100 ميكروغرام/مل. كانت العزلات غير المقاومة للأدوية المتعددة أكثر حساسية، حيث أظهرت MICs وMBCs أقل. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت جزيئات SeNPs نشاطًا مضادًا للسكري من خلال تثبيط α-amylase وα-glucosidase، وإن كان ذلك بشكل أقل فعالية من الدواء القياسي أكاربوز. تم إثبات قدرتها المضادة للالتهابات من خلال تثبيط يعتمد على الجرعة للهيموليز، على الرغم من قوتها الأقل مقارنة بالإندوميثاسين. تشير هذه النتائج إلى أن جزيئات SeNPs المخلقة من مستخلص *D. pinnata* L هي مرشحة واعدة لمزيد من التحقيقات قبل السريرية، مع تطبيقات محتملة في مكافحة العدوى المقاومة ومعالجة الاضطرابات الأيضية. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على الفعالية داخل الجسم، والتوافق الحيوي، وعلم الأدوية، وتقييمات السمية لتوضيح أهميتها السريرية بالكامل.
الطرق
في هذه الدراسة، تم جمع جذور *Dahlia pinnata* L. الطازجة من حديقة الأورمان النباتية في الجيزة، مصر، وفقًا للوائح المحلية والدولية، مع الحصول على التصاريح اللازمة من قسم علم النبات وعلم الأحياء الدقيقة في جامعة الأزهر. تم التعرف على النبات رسميًا بواسطة الدكتور محمد حجاج، وتم إيداع عينة مرجعية في متحف قسم علم النبات وعلم الأحياء الدقيقة (رمز الإيداع: AZU/SCI/BOT/HERB/2025-101). تم تنظيف الجذور وتجفيفها في الهواء وطحنها إلى مسحوق، تم من خلاله إعداد مستخلصات مائية عن طريق تسخين 10 جرام من المسحوق في 100 مل من الماء منزوع الأيونات عند 70 درجة مئوية، تلاها الترشيح.
تم الحصول على سبعين عزلة من *Escherichia coli* من عينات مختبرية لمرضى السكري في مستشفى جامعة عين شمس، بما في ذلك البول، ومسحات الجروح، والدم، والبلغم. تم زراعة هذه العينات على أجار ماكونكي وأجار الدم وتم حضنها عند 37 درجة مئوية لمدة 24 ساعة. تم استخدام اختبارات كيميائية حيوية ونظام تحديد الهوية API 20E لتأكيد العزلات، التي تم تصنيفها على أنها مقاومة للأدوية المتعددة (MDR) أو غير MDR. تم تقييم حساسية المضادات الحيوية باستخدام أقراص الفانكومايسين، والكليندامايسين، والبنسلين، والأموكسيسيلين-كلافولانات، والتتراسيكلين على أجار مولر-هينتون، مع الالتزام بإرشادات CLSI. كانت جميع المواد الكيميائية والمركبات المستخدمة من الدرجة التحليلية، مما يضمن موثوقية الإجراءات التجريبية.
النتائج
تظهر نتائج الدراسة أن جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) تتمتع بفعالية مضادة للميكروبات أكبر بكثير مقارنة بسوابق السيلينيوم والفانكومايسين ضد كل من العزلات البكتيرية المقاومة للأدوية المتعددة (MDR) وغير MDR. بالنسبة للعزلات المقاومة للأدوية المتعددة، أظهرت جزيئات SeNPs قيم تركيز مثبط أدنى (MIC) تتراوح من 25 إلى 50 ميكروغرام/مل وقيم تركيز قاتل أدنى (MBC) تتراوح من 50 إلى 100 ميكروغرام/مل، مع قيم متوسطة تبلغ 35 ± 12 ميكروغرام/مل (MIC) و76.6 ± 26 ميكروغرام/مل (MBC). بالمقابل، أظهرت العزلات غير المقاومة للأدوية المتعددة قيم MIC أقل تتراوح من 10 إلى 25 ميكروغرام/مل وقيم MBC من 25 إلى 50 ميكروغرام/مل، بمتوسط 15 ± 4.5 ميكروغرام/مل (MIC) و35 ± 12 ميكروغرام/مل (MBC). كانت فعالية الفانكومايسين محدودة بشكل ملحوظ، خاصة ضد العزلات المقاومة للأدوية المتعددة، مع قيم MIC تتراوح من 8 إلى 16 ميكروغرام/مل وقيم MBC من 16 إلى 32 ميكروغرام/مل.
تُعزى النشاط الحيوي المعزز لجزيئات SeNPs إلى حجمها، وتوافرها الحيوي، وتفاعلها مع أغشية البكتيريا، كما تدعمه الدراسات السابقة. ساهمت طريقة التخليق، وبشكل خاص استخدام مستخلص *D. pinnata* L، في استقرار ونشاط جزيئات النانو، مما يتماشى مع النتائج من أبحاث أخرى حول جزيئات SeNPs المخلقة باستخدام مستخلصات نباتية متنوعة. من المحتمل أن يكون النشاط المحدود لسوابق السيلينيوم بسبب استقرارها المنخفض وتفاعلها مع خلايا البكتيريا مقارنة بالسيلينيوم بحجم النانو. تسلط هذه النتائج الضوء على إمكانية استخدام جزيئات SeNPs كعلاجات بديلة أو مساعدة لمكافحة العدوى المقاومة، مما يشير إلى أن الأبحاث المستقبلية يجب أن تركز على تحسين معايير التخليق لتعزيز النشاط المضاد للميكروبات مع تقليل التأثيرات السامة للخلايا.
المناقشة
تسلط المناقشة الضوء على الإمكانات الكبيرة لجزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) المخلقة من جذور *Dahlia pinnata L.* الدرنية في تطبيقات طبية حيوية متنوعة. تتمتع جزيئات SeNPs بسمية منخفضة مقارنة بالسيلينيوم الكتلي، مما يجعلها بديلاً أكثر أمانًا للاستخدام العلاجي. إن تخليقها من خلال طرق صديقة للبيئة تعتمد على النباتات لا يتجنب المواد الكيميائية الخطرة فحسب، بل يتضمن أيضًا مركبات نشطة حيوياً من النبات، مما يعزز النشاط البيولوجي لجزيئات النانو. تؤكد الدراسة على الخصائص المضادة للميكروبات لجزيئات SeNPs، التي تكون فعالة ضد مسببات الأمراض المقاومة للأدوية المتعددة (MDR)، وإمكاناتها في إدارة مرض السكري من خلال تقليل الإجهاد التأكسدي وتحسين استقلاب الجلوكوز.
علاوة على ذلك، يتم التأكيد على التأثيرات الوقائية لجزيئات SeNPs على سلامة أغشية كريات الدم الحمراء، حيث يمكنها منع الضرر التأكسدي والهيموليز. تهدف الأبحاث إلى تقييم الفعالية المضادة للميكروبات لجزيئات SeNPs ضد سلالات *E. coli* ذات الأهمية السريرية، وتقييم دورها في إدارة مرض السكري من خلال اختبارات تثبيط الإنزيمات، والتحقيق في تأثيراتها الوقائية على كريات الدم الحمراء. من خلال الاستفادة من غنى *D. pinnata L.* الكيميائي النباتي، تساهم هذه الدراسة في تقديم رؤى قيمة حول تكنولوجيا النانو الخضراء والفوائد العلاجية لجزيئات SeNPs في الطب.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-12457-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40715446
Publication Date: 2025-07-26
Author(s): Alsayed E. Mekky et al.
Primary Topic: Selenium in Biological Systems
Overview
This study presents the green synthesis of selenium nanoparticles (SeNPs) using Dahlia pinnata L tuber extract, highlighting their significant antimicrobial, antidiabetic, and anti-inflammatory properties. Characterization techniques, including UV-Vis spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), and transmission electron microscopy (TEM), confirmed the successful synthesis and nanoscale properties of SeNPs, which exhibited a trigonal crystal structure and an average particle size of 17.37 nm. Functional groups identified via Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and high-performance liquid chromatography (HPLC) revealed the presence of bioactive compounds such as gallic acid and chlorogenic acid.
The antimicrobial efficacy of SeNPs was particularly pronounced against 70 Escherichia coli isolates from diabetic patients, with multidrug-resistant strains showing minimum inhibitory concentrations (MICs) of 25-50 µg/ml and minimum bactericidal concentrations (MBCs) of 50-100 µg/ml. Non-multidrug-resistant isolates were more sensitive, demonstrating lower MICs and MBCs. Additionally, SeNPs exhibited antidiabetic activity through the inhibition of α-amylase and α-glucosidase, albeit less effectively than the standard drug acarbose. Their anti-inflammatory potential was evidenced by a dose-dependent inhibition of hemolysis, although with lower potency compared to indomethacin. These findings suggest that SeNPs synthesized from D. pinnata L extract are promising candidates for further preclinical investigation, with potential applications in combating resistant infections and addressing metabolic disorders. Future research should focus on in vivo efficacy, biocompatibility, pharmacokinetics, and toxicity assessments to fully elucidate their clinical relevance.
Methods
In this study, fresh roots of *Dahlia pinnata* L. were collected from Orman Botanical Garden in Giza, Egypt, following local and international regulations, with necessary permissions obtained from the Botany and Microbiology Department at Al-Azhar University. The plant was formally identified by Dr. Mohammed Hagag, and a voucher specimen was deposited at the Herbarium of the Botany and Microbiology Department (Deposition Code: AZU/SCI/BOT/HERB/2025-101). The roots were cleaned, air-dried, and ground into powder, from which aqueous extracts were prepared by heating 10 g of the powder in 100 ml of deionized water at 70 °C, followed by filtration.
Seventy *Escherichia coli* isolates were sourced from laboratory samples of diabetic patients at Ain Shams University Hospital, including urine, wound swabs, blood, and sputum. These samples were cultured on MacConkey and Blood agar and incubated at 37 °C for 24 hours. Biochemical tests and the API 20E Identification System were employed to confirm the isolates, which were categorized as multidrug-resistant (MDR) or non-MDR. Antibiotic susceptibility was assessed using discs of vancomycin, clindamycin, penicillin, amoxicillin-clavulanate, and tetracycline on Mueller-Hinton Agar, adhering to CLSI guidelines. All reagents and chemicals used were of analytical grade, ensuring the reliability of the experimental procedures.
Results
The results of the study demonstrate that selenium nanoparticles (SeNPs) exhibit significantly greater antimicrobial efficacy compared to selenium precursors and vancomycin against both multidrug-resistant (MDR) and non-MDR bacterial isolates. For MDR isolates, SeNPs showed Minimum Inhibitory Concentration (MIC) values ranging from 25 to 50 µg/ml and Minimum Bactericidal Concentration (MBC) values from 50 to 100 µg/ml, with mean values of 35 ± 12 µg/ml (MIC) and 76.6 ± 26 µg/ml (MBC). In contrast, non-MDR isolates displayed even lower MIC values of 10 to 25 µg/ml and MBC values of 25 to 50 µg/ml, averaging 15 ± 4.5 µg/ml (MIC) and 35 ± 12 µg/ml (MBC). Vancomycin’s efficacy was notably limited, particularly against MDR isolates, with MIC values of 8 to 16 µg/ml and MBC values of 16 to 32 µg/ml.
The enhanced bioactivity of SeNPs is attributed to their size, bioavailability, and interaction with bacterial membranes, as supported by previous studies. The synthesis method, specifically the use of D. pinnata L. extract, contributed to the stability and bioactivity of the nanoparticles, aligning with findings from other research on SeNPs synthesized with various plant extracts. The limited activity of selenium precursors is likely due to their reduced stability and interaction with bacterial cells compared to nanosized selenium. These findings highlight the potential of SeNPs as alternative or adjunct therapies for combating resistant infections, suggesting that future research should focus on optimizing synthesis parameters to enhance antimicrobial activity while minimizing cytotoxic effects.
Discussion
The discussion highlights the significant potential of selenium nanoparticles (SeNPs) synthesized from the tuberous roots of *Dahlia pinnata L.* in various biomedical applications. SeNPs exhibit reduced toxicity compared to bulk selenium, making them a safer alternative for therapeutic use. Their synthesis through eco-friendly, plant-mediated methods not only avoids hazardous chemicals but also incorporates bioactive compounds from the plant, enhancing the nanoparticles’ biological activity. The study emphasizes the antimicrobial properties of SeNPs, which are effective against multidrug-resistant (MDR) pathogens, and their potential in diabetes management by mitigating oxidative stress and improving glucose metabolism.
Furthermore, the protective effects of SeNPs on erythrocyte membrane integrity are underscored, as they can prevent oxidative damage and hemolysis. The research aims to evaluate the antimicrobial efficacy of SeNPs against clinically relevant *E. coli* strains, assess their role in diabetes management through enzyme inhibition assays, and investigate their protective effects on red blood cells. By leveraging the phytochemical richness of *D. pinnata L.*, this study contributes valuable insights into green nanotechnology and the therapeutic benefits of SeNPs in medicine.