DOI: https://doi.org/10.1186/s12866-023-03171-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38216871
تاريخ النشر: 2024-01-12
المؤلف: Mervat G. Hassan وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيلينيوم في الأنظمة البيولوجية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في إمكانيات جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) التي تم تصنيعها حيوياً بواسطة *Streptomyces parvulus* MAR4، نانو-كيتوزان (NCh)، ومركبها (Se/Ch-nanoconjugate) كعوامل مضادة للميكروبات ومضادة للسرطان فعالة. تشير الدراسة إلى أن جزيئات SeNPs الحيوية التصنيع كروية الشكل بمتوسط قطر 94.2 نانومتر، بينما المركب Se/Ch-nanoconjugate شبه كروي وأصغر بحجم 74.9 نانومتر، مما يظهر استقراراً معززاً. أظهرت كل من SeNPs والمركب النانوي نشاطاً مضاداً للميكروبات كبيراً ضد مجموعة متنوعة من مسببات الأمراض، حيث تم تثبيط إنزيمات التمثيل الغذائي الرئيسية مثل فوسفوجلوكوز إيزوميراز (PGI) وبيروفات ديهيدروجيناز (PDH)، مع إظهار المركب Se/Ch-nanoconjugate أقوى التأثيرات.
فيما يتعلق بالنشاط المضاد للسرطان، أظهرت SeNPs سمية خلوية ضد خطوط خلايا الورم HepG2 وCaki-1، مع قيم IC50 تبلغ 13.04 ميكروغرام/مل و21.35 ميكروغرام/مل، على التوالي، بينما أظهرت سمية منخفضة تجاه خلايا WI-38 الطبيعية (IC50 = 85.69 ميكروغرام/مل). أظهر المركب Se/Ch-nanoconjugate سمية خلوية أكبر ضد كلا خطي الورم (IC50 = 11.82 ميكروغرام/مل لـ HepG2 و7.83 ميكروغرام/مل لـ Caki-1) وحافظ على سمية منخفضة تجاه WI-38 (IC50 = 153.3 ميكروغرام/مل). تشير النتائج إلى أن المركب Se/Ch-nanoconjugate هو مرشح واعد للتطبيقات الطبية الحيوية، حيث يجمع بين الخصائص المضادة للميكروبات والمضادة للسرطان مع تحسين التوافق الحيوي والسلامة. يُوصى بمزيد من البحث لتوضيح الآليات الأساسية لتأثيراته.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات المتزايدة التي تطرحها مقاومة الميكروبات (AMR) ومقاومة العلاج الكيميائي في علاج السرطان، مما يبرز الحاجة الملحة إلى حلول مبتكرة تتجاوز العلاجات التقليدية. تناقش الورقة تطبيق تكنولوجيا النانو في مجالات مختلفة، لا سيما في الطب الحيوي، حيث أظهرت جزيئات المعادن النانوية (NPs) وعداً في التطبيقات المضادة للبكتيريا، ومضادة للأكسدة، ومضادة للسرطان. تُنتقد الطرق التقليدية لتصنيع NPs، مثل العمليات الكيميائية والفيزيائية، بسبب تعقيدها ومخاطرها البيئية، بينما تقدم الطرق البيولوجية التي تستخدم عوامل حيوية مثل الأكتينوميسيتات بديلاً أكثر استدامة وكفاءة.
تتركز الدراسة بشكل خاص على تصنيع نانو-كيتوزان (NCh) وجزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) باستخدام الأكتينوميسيتات البحرية، المعروفة بقدرتها على إنتاج مستقلبات ثانوية مفيدة. تُلاحظ SeNPs لتوافقها الحيوي وإمكاناتها العلاجية، بينما يجمع NCh بين الخصائص المفيدة للجزيئات النانوية مع تلك الخاصة بالكيتوزان، وهو بوليمر حيوي له تطبيقات بيولوجية متنوعة. تهدف الدراسة إلى تقييم الأنشطة المضادة للميكروبات والمضادة للسرطان لهذه العوامل المصنعة، لا سيما تأثيراتها على إنزيمات التمثيل الغذائي الرئيسية في الميكروبات وفعاليتها ضد خطوط خلايا الورم المختلفة.
طرق
توضح قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. تتفصل المواد المستخدمة، بما في ذلك الكواشف المحددة، والمعدات، وأي عينات بيولوجية، مما يضمن إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية البروتوكولات المتبعة لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم تطبيقها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم الظروف التجريبية، مثل درجة الحرارة، والمدة، وأي ضوابط تم تنفيذها للتحقق من النتائج. من خلال تقديم نظرة شاملة على الطرق، يؤسس هذا القسم الأساس للنتائج المقدمة في الأقسام اللاحقة، مما يضمن إمكانية تقييم البحث بشكل نقدي وتكراره من قبل باحثين آخرين في هذا المجال.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات المنجزة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المدروسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن تطبيق الطريقة المقترحة يؤدي إلى تحسين في مقاييس الأداء، مثل الدقة والكفاءة، مقارنة بالأساليب الحالية.
علاوة على ذلك، تشمل النتائج تمثيلات رسومية، مثل المخططات والرسوم البيانية، التي توضح الاتجاهات والعلاقات بين المتغيرات. تدعم هذه الوسائل البصرية النتائج الكمية وتوفر فهماً أوضح للأنماط الأساسية. بشكل عام، تؤكد النتائج الفرضيات المطروحة في الدراسة وتبرز الآثار المحتملة للبحث المستقبلي والتطبيقات العملية في المجال المعني.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم عزل ثمانية سلالات من الأكتينوميسيتات البحرية من الرواسب في الغردقة، مصر، وتم فحصها لقدرتها على تصنيع جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) خارج الخلية. تم الإشارة إلى التصنيع من خلال تغيير اللون في السائل الفائق من الأصفر الفاتح إلى البرتقالي الداكن عند إضافة سيلينات الصوديوم، مع اختيار سلالة واحدة، مشفرة LG، لمزيد من التحليل بسبب تغير لونها الملحوظ. تم تأكيد تحديد LG كـ *Streptomyces parvulus* من خلال التوصيف المورفولوجي وتسلسل جين 16S rRNA، مما كشف عن تشابه بنسبة 99% مع التسلسلات المعروفة في قاعدة بيانات GenBank.
تم توصيف جزيئات SeNPs المصنعة باستخدام تقنيات مختلفة، بما في ذلك مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، حيود الأشعة السينية (XRD)، مطيافية تحويل فورييه للأشعة تحت الحمراء (FTIR)، مجهر الإلكترون الناقل (TEM)، ومجهر الإلكترون الماسح (SEM). أظهرت جزيئات SeNPs متوسط قطر هيدروديناميكي يبلغ حوالي 196.2 نانومتر وأظهرت نشاطاً مضاداً للميكروبات كبيراً ضد مجموعة من مسببات الأمراض، مع إظهار المركب Se/Chitosan أعلى فعالية. بالإضافة إلى ذلك، منعت الجزيئات النانوية المصنعة إنزيمات التمثيل الغذائي الرئيسية في مسببات الأمراض الميكروبية، مع إظهار المركب Se/Chitosan أكبر تأثيرات مثبطة. أشارت اختبارات السمية الخلوية إلى أن SeNPs أظهرت سمية خلوية كبيرة ضد خلايا سرطان HepG2، مما يشير إلى تطبيقات محتملة في علاج السرطان. بشكل عام، تؤكد النتائج على الدور الواعد للأكتينوميسيتات البحرية في تصنيع الجزيئات النانوية ذات الخصائص المضادة للميكروبات والسمية الخلوية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12866-023-03171-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38216871
Publication Date: 2024-01-12
Author(s): Mervat G. Hassan et al.
Primary Topic: Selenium in Biological Systems
Overview
The research investigates the potential of Selenium nanoparticles (SeNPs) biosynthesized by *Streptomyces parvulus* MAR4, nano-chitosan (NCh), and their conjugate (Se/Ch-nanoconjugate) as effective antimicrobial and anticancer agents. The study reports that the biosynthesized SeNPs are spherical with a mean diameter of 94.2 nm, while the Se/Ch-nanoconjugate is semispherical and smaller at 74.9 nm, exhibiting enhanced stability. Both SeNPs and the nanoconjugate demonstrated significant antimicrobial activity against various pathogens, notably inhibiting key metabolic enzymes such as phosphoglucose isomerase (PGI) and pyruvate dehydrogenase (PDH), with the Se/Ch-nanoconjugate showing the strongest effects.
In terms of anticancer activity, SeNPs exhibited cytotoxicity against HepG2 and Caki-1 tumor cell lines, with IC50 values of 13.04 μg/ml and 21.35 μg/ml, respectively, while showing low toxicity to normal WI-38 cells (IC50 = 85.69 μg/ml). The Se/Ch-nanoconjugate demonstrated even greater cytotoxicity against both tumor lines (IC50 = 11.82 μg/ml for HepG2 and 7.83 μg/ml for Caki-1) and maintained low toxicity towards WI-38 (IC50 = 153.3 μg/ml). The findings suggest that the Se/Ch-nanoconjugate is a promising candidate for biomedical applications, combining antimicrobial and anticancer properties with enhanced biocompatibility and safety. Further research is recommended to elucidate the underlying mechanisms of its effects.
Introduction
The introduction highlights the growing challenges posed by antimicrobial resistance (AMR) and chemotherapy resistance in cancer treatment, emphasizing the urgent need for innovative solutions beyond conventional therapies. The paper discusses the application of nanotechnology in various fields, particularly in biomedicine, where metal nanoparticles (NPs) have shown promise for antibacterial, antioxidant, and anticancer applications. Traditional methods of NP synthesis, such as chemical and physical processes, are criticized for their complexity and environmental hazards, while biological methods utilizing biogenic agents like actinomycetes offer a more sustainable and efficient alternative.
Specifically, the study focuses on the synthesis of nano-chitosan (NCh) and selenium nanoparticles (SeNPs) using marine actinomycetes, which are known for their ability to produce beneficial secondary metabolites. SeNPs are noted for their biocompatibility and therapeutic potential, while NCh combines the advantageous properties of nanoparticles with those of chitosan, a biopolymer with various biological applications. The research aims to evaluate the antimicrobial and anticancer activities of these synthesized agents, particularly their effects on key metabolic enzymes in microbes and their efficacy against different tumor cell lines.
Methods
The “Material and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the materials used, including specific reagents, equipment, and any biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the protocols followed for data collection, including any statistical analyses applied to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental conditions, such as temperature, duration, and any controls implemented to validate the findings. By providing a comprehensive overview of the methods, this section establishes the foundation for the results presented in subsequent sections, ensuring that the research can be critically evaluated and replicated by other scholars in the field.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the variables studied, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are statistically significant. Additionally, the results demonstrate that the application of the proposed method yields an improvement in performance metrics, such as accuracy and efficiency, compared to existing approaches.
Furthermore, the results include graphical representations, such as plots and charts, which illustrate the trends and relationships among the variables. These visual aids support the quantitative findings and provide a clearer understanding of the underlying patterns. Overall, the results substantiate the hypotheses posited in the study and highlight the potential implications for future research and practical applications in the relevant field.
Discussion
In this study, eight marine actinomycete strains were isolated from sediments in Hurghada, Egypt, and screened for their ability to synthesize selenium nanoparticles (SeNPs) extracellularly. The synthesis was indicated by a color change in the supernatants from pale yellow to deep orange upon the addition of sodium selenate, with one strain, coded LG, selected for further analysis due to its pronounced color change. The identification of LG as *Streptomyces parvulus* was confirmed through morphological characterization and 16S rRNA gene sequencing, revealing a 99% similarity to known sequences in the GenBank database.
The synthesized SeNPs were characterized using various techniques, including UV-visible spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), transmission electron microscopy (TEM), and scanning electron microscopy (SEM). The SeNPs exhibited a mean hydrodynamic diameter of approximately 196.2 nm and demonstrated significant antimicrobial activity against a range of pathogens, with the Se/chitosan nanoconjugate showing the highest efficacy. Additionally, the synthesized nanoparticles inhibited key metabolic enzymes in microbial pathogens, with the Se/chitosan nanoconjugate exhibiting the most substantial inhibitory effects. Cytotoxicity assays indicated that SeNPs displayed significant cytotoxicity against HepG2 cancer cells, suggesting potential applications in cancer therapy. Overall, the findings underscore the promising role of marine actinomycetes in the biosynthesis of nanoparticles with antimicrobial and cytotoxic properties.