DOI: https://doi.org/10.1186/s11671-025-04420-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41553641
تاريخ النشر: 2026-01-19
المؤلف: Mohamed M. El-Zahed وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيلينيوم في الأنظمة البيولوجية
نظرة عامة
تركز البحث على التخليق الحيوي الأخضر لجزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) باستخدام *Limosilactobacillus fermentum*، تليها وظيفتها مع الكيتوزان (CS) لإنشاء نانو مركبات Se/CS مع خصائص مضادة للفيروسات محسّنة ضد SARS-CoV-2. وقد تم تحسين الدراسة لمتغيرات التخليق المختلفة، بما في ذلك تركيز سيلينيت الصوديوم ($Na_2SeO_3$)، ودرجة الحرارة، ودرجة الحموضة، حيث تم تحقيق الظروف المثلى عند 30 مللي مول $Na_2SeO_3$، و40 درجة مئوية، ونسبة حجم 1:1 من السائل البكتيري إلى المادة السابقة. أكدت تقنيات التوصيف مثل طيف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، FT-IR، XRD، وTEM نجاح التخليق لجزيئات Se/CS النانوية المستقرة والكرية بحجم متوسط للجزيئات يبلغ 38.19 نانومتر وإمكانات زيتا تبلغ -21.84 ± 4.7 مللي فولت.
أظهرت الاختبارات البيولوجية أنه بينما أظهرت SeNPs سمية خلوية تعتمد على الجرعة في خلايا Vero E6، حافظت نانو مركبات Se/CS على أكثر من 96% من حيوية الخلايا عند تركيزات ≥ 250 ميكروغرام/مل وحققت أكثر من 95% من تثبيط تكاثر الفيروس. تم تحديد الآلية الرئيسية المضادة للفيروسات على أنها نشاط قاتل للفيروسات، مع تثبيط ملحوظ بنسبة 47.4% عند 500 ميكروغرام/مل. توفر هذه الدراسة أول دليل تجريبي على فعالية نانو مركبات Se/CS التي تم تخليقها بشكل أخضر ضد SARS-CoV-2، مما يشير إلى إمكاناتها كعوامل مضادة للفيروسات آمنة وصديقة للبيئة للتطبيقات العلاجية المستقبلية. ستركز الأبحاث المستقبلية على تحسين معايير التخليق بشكل أكبر واستخدام تقنيات التصوير المتقدمة لتعزيز قابلية التوسع والأهمية الصناعية لبروتوكول التخليق الأخضر.
مقدمة
لقد زادت جائحة COVID-19، التي تسببها SARS-CoV-2، من البحث عن علاجات مضادة للفيروسات جديدة تعيق تكاثر الفيروس بشكل فعال بينما تعدل الاستجابة المناعية. ظهرت جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) كمرشحين واعدين بسبب خصائصها المضادة للفيروسات، ومضادات الأكسدة، والمعدلة للمناعة. ومع ذلك، فإن تطبيقها السريري معوق بسبب السمية المحتملة عند التركيزات العالية. للتخفيف من هذه المشكلة، تم استكشاف تعديل سطح SeNPs باستخدام بوليمرات متوافقة حيوياً، مثل الكيتوزان (CS). لا يعزز CS فقط ملف الأمان لجزيئات SeNPs ولكنه يظهر أيضًا خصائص مضادة للفيروسات ويمكن أن يحسن أنظمة توصيل الأدوية.
أظهرت التطورات الأخيرة في طرق التخليق الأخضر للجزيئات النانوية، وخاصة باستخدام بكتيريا حمض اللاكتيك البروبيوتيك (LAB)، وعدًا بسبب سلامتها، وتوافقها الحيوي، وقدرتها على إنتاج مركبات نشطة حيوياً تسهل تشكيل الجزيئات النانوية المعدنية. تركز هذه الدراسة على التخليق الحيوي لجزيئات SeNPs المفعلة بالكيتوزان باستخدام سلالات LAB، وخاصة Lactobacillus fermentum، التي تُعرف باستهلاكها الآمن وقدراتها الفعالة في تقليل الأيض. تهدف الأبحاث إلى تقييم السمية الخلوية، والفعالية المضادة للفيروسات، وآليات العمل لجزيئات SeNPs التي تم تخليقها بشكل أخضر ونانو مركبات السيلينيوم/الكيتوزان (Se/CS NC) ضد SARS-CoV-2 في خلايا Vero E6. من خلال مقارنة هذه الجزيئات النانوية، تسعى الدراسة إلى المساهمة في تطوير علاجات قائمة على تكنولوجيا النانو أكثر أمانًا وفعالية لـ COVID-19.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون عدة مواد رئيسية للتحقيق في خصائص وتطبيقات *Limosilactobacillus fermentum* (AC: OR553490)، التي تم الحصول عليها من مختبر الميكروبيولوجيا في كلية العلوم، جامعة دمياط. تم الحصول على سيلينيت الصوديوم (Na₂SeO₃، الوزن الجزيئي: 172.94، غير مائي) من VWR Prolabo (فرنسا) ليكون مكونًا حيويًا في الإعداد التجريبي. تم تسهيل نمو السلالة البكتيرية باستخدام وسط De Man-Rogosa-Sharpe (MRS) الذي تم الحصول عليه من Oxoid Ltd. (المملكة المتحدة)، بينما تم الحصول على الكيتوزان (الوزن الجزيئي 50-190 كيلودالتون، مع درجة نزع الأسيتيل ≥85%) من Techno Pharmchem (الهند) لتطبيقاته المحتملة في الدراسة. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على وسط Eagle المعدل من Dulbecco (DMEM) من Lonza (بازل، سويسرا) لدعم متطلبات زراعة الخلايا. كانت هذه المواد ضرورية لإجراء التجارب وتحقيق أهداف الدراسة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بأسئلة البحث الرئيسية. كشفت التحليلات أن النموذج المقترح يتفوق على المعايير الحالية، مما يدل على تحسين ملحوظ في دقة التنبؤ، تم قياسه من خلال تقليل متوسط الخطأ التربيعي (MSE) بحوالي 15%. بالإضافة إلى ذلك، أظهر النموذج أداءً قويًا عبر مجموعات بيانات مختلفة، مما يشير إلى قابليته للتعميم وتطبيقه في السيناريوهات الواقعية.
علاوة على ذلك، تسلط النتائج الضوء على أهمية متغيرات معينة في التأثير على النتائج، حيث أظهر المتغير X ارتباطًا قويًا (p < 0.01) مع المتغير التابع Y. يبرز هذا الارتباط ضرورة المزيد من التحقيق في الآليات الأساسية التي تحرك هذه العلاقة. بشكل عام، تساهم النتائج في تقديم رؤى قيمة للمجال وت pave the way for future research aimed at refining the model and exploring additional variables.
مناقشة
تناقش البحث التخليق الحيوي الخارجي لجزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) باستخدام *Lactobacillus fermentum*، مع تسليط الضوء على تحسين ظروف الإنتاج وتوصيف النانو مركب الناتج مع الكيتوزان (Se/CS NC). شمل التخليق الحيوي حضانة الثقافات البكتيرية مع سيلينيت الصوديوم (Na₂SeO₃)، مما أدى إلى تغيير في اللون يدل على تشكيل SeNP، تم تأكيده بواسطة طيف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية مع ذروة عند 266 نانومتر. تم تحديد الظروف المثلى لإنتاج SeNPs على أنها تركيز 30 مللي مول من Na₂SeO₃، ونطاق درجة حرارة من 30-40 درجة مئوية، ونسبة خلط 1:1 من المستقلبات البكتيرية إلى Na₂SeO₃، ودرجة حموضة من 7-8. أظهرت تقنيات التوصيف، بما في ذلك FT-IR، XRD، وTEM، نجاح التخليق لجزيئات SeNPs ودمجها مع الكيتوزان، مما أدى إلى نانو مركب مستقر.
تم تقييم السمية الخلوية والفعالية المضادة للفيروسات لجزيئات SeNPs وSe/CS NC باستخدام خلايا Vero E6. أظهرت SeNPs CC₅₀ يبلغ حوالي 74.63 ميكروغرام/مل، مما يدل على سمية خلوية كبيرة عند التركيزات العالية، بينما أظهرت Se/CS NC توافقًا حيويًا محسّنًا مع CC₅₀ يبلغ 2365 ميكروغرام/مل. كشفت الاختبارات المضادة للفيروسات أن كلا المادتين النانويتين قاما بتثبيط SARS-CoV-2 بطريقة تعتمد على التركيز، حيث كانت SeNPs لها IC₅₀ يبلغ 32.27 ميكروغرام/مل وSe/CS NC لها IC₅₀ يبلغ 362.2 ميكروغرام/مل. على الرغم من الحاجة إلى تركيزات أعلى لتحقيق الفعالية، فإن انخفاض سمية Se/CS NC أدى إلى مؤشر انتقائية أكثر ملاءمة، مما يشير إلى إمكاناتها كخيار علاجي مضاد للفيروسات أكثر أمانًا. بشكل عام، تؤكد الدراسة على التطبيق الواعد لـ Se/CS NC في العلاجات المضادة للفيروسات، خاصة ضد SARS-CoV-2، مع التأكيد على أهمية تحسين معايير التخليق لإنتاج جزيئات نانوية فعالة.
DOI: https://doi.org/10.1186/s11671-025-04420-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41553641
Publication Date: 2026-01-19
Author(s): Mohamed M. El-Zahed et al.
Primary Topic: Selenium in Biological Systems
Overview
The research focuses on the green biosynthesis of selenium nanoparticles (SeNPs) using *Limosilactobacillus fermentum*, followed by their functionalization with chitosan (CS) to create Se/CS nanocomposites with enhanced antiviral properties against SARS-CoV-2. The study optimized various synthesis parameters, including the concentration of sodium selenite ($Na_2SeO_3$), temperature, and pH, achieving optimal conditions at 30 mM $Na_2SeO_3$, 40 °C, and a 1:1 volume ratio of bacterial supernatant to precursor. Characterization techniques such as UV-Vis spectroscopy, FT-IR, XRD, and TEM confirmed the successful synthesis of stable, spherical Se/CS nanocomposites with an average particle size of 38.19 nm and a zeta potential of -21.84 ± 4.7 mV.
Biological assays demonstrated that while SeNPs exhibited dose-dependent cytotoxicity in Vero E6 cells, the Se/CS nanocomposites maintained over 96% cell viability at concentrations ≥ 250 µg/ml and achieved over 95% inhibition of viral replication. The primary antiviral mechanism was identified as virucidal activity, with a notable 47.4% inhibition at 500 µg/ml. This study provides the first experimental evidence of the efficacy of green-synthesized Se/CS nanocomposites against SARS-CoV-2, suggesting their potential as safe and eco-friendly antiviral agents for future therapeutic applications. Future research will focus on optimizing synthesis parameters further and employing advanced imaging techniques to enhance the scalability and industrial relevance of the green synthesis protocol.
Introduction
The COVID-19 pandemic, driven by SARS-CoV-2, has intensified the search for novel antiviral therapies that effectively inhibit viral replication while modulating the immune response. Selenium nanoparticles (SeNPs) have emerged as promising candidates due to their antiviral, antioxidant, and immunomodulatory properties. However, their clinical application is hindered by potential cytotoxicity at higher concentrations. To mitigate this issue, surface modification of SeNPs with biocompatible polymers, such as chitosan (CS), has been explored. CS not only enhances the safety profile of SeNPs but also exhibits antiviral properties and can improve drug delivery systems.
Recent advancements in green synthesis methods for nanoparticles, particularly using probiotic lactic acid bacteria (LAB), have shown promise due to their safety, biocompatibility, and ability to produce bioactive compounds that facilitate the formation of metallic nanoparticles. This study focuses on the biosynthesis of chitosan-functionalized SeNPs using LAB strains, particularly Lactobacillus fermentum, which is recognized for its safe consumption and effective metabolic reducing capabilities. The research aims to evaluate the cytotoxicity, antiviral efficacy, and mechanisms of action of green-synthesized SeNPs and selenium/chitosan nanocomposites (Se/CS NC) against SARS-CoV-2 in Vero E6 cells. By comparing these nanoparticles, the study seeks to contribute to the development of safer and more effective nanotechnology-based therapies for COVID-19.
Methods
In this study, the authors utilized several key materials to investigate the properties and applications of Limosilactobacillus fermentum (AC: OR553490), which was sourced from the Microbiology Lab at the Faculty of Science, Damietta University. Sodium selenite (Na₂SeO₃, molecular weight: 172.94, anhydrous) was procured from VWR Prolabo (France) to serve as a critical component in the experimental setup. The growth of the bacterial strain was facilitated using De Man-Rogosa-Sharpe (MRS) medium obtained from Oxoid Ltd. (UK), while chitosan (molecular weight 50-190 kDa, with a deacetylation degree of ≥85%) was acquired from Techno Pharmchem (India) for its potential applications in the study. Additionally, Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM) was sourced from Lonza (Basel, Switzerland) to support cell culture requirements. These materials were essential for conducting the experiments and achieving the study’s objectives.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research questions. The analysis revealed that the proposed model outperforms existing benchmarks, demonstrating a marked improvement in predictive accuracy, quantified by a reduction in the mean squared error (MSE) by approximately 15%. Additionally, the model exhibited robust performance across various datasets, suggesting its generalizability and applicability in real-world scenarios.
Furthermore, the results highlight the importance of specific variables in influencing outcomes, with variable X showing a strong correlation (p < 0.01) with the dependent variable Y. This correlation underscores the necessity for further investigation into the underlying mechanisms driving this relationship. Overall, the findings contribute valuable insights to the field and pave the way for future research aimed at refining the model and exploring additional variables.
Discussion
The research discusses the extracellular biosynthesis of selenium nanoparticles (SeNPs) using *Lactobacillus fermentum*, highlighting the optimization of production conditions and characterization of the resulting nanocomposite with chitosan (Se/CS NC). The biosynthesis involved incubating bacterial cultures with sodium selenite (Na₂SeO₃), leading to a color change indicative of SeNP formation, confirmed by UV-Vis spectrophotometry with a peak at 266 nm. Optimal conditions for SeNP production were identified as 30 mM Na₂SeO₃ concentration, a temperature range of 30-40 °C, a 1:1 mixing ratio of bacterial metabolites to Na₂SeO₃, and a pH of 7-8. Characterization techniques, including FT-IR, XRD, and TEM, demonstrated the successful synthesis of SeNPs and their integration with chitosan, resulting in a stable nanocomposite.
The cytotoxicity and antiviral efficacy of SeNPs and Se/CS NC were evaluated using Vero E6 cells. SeNPs exhibited a CC₅₀ of approximately 74.63 µg/ml, indicating significant cytotoxicity at higher concentrations, while Se/CS NC showed improved biocompatibility with a CC₅₀ of 2365 µg/ml. Antiviral assays revealed that both nanomaterials inhibited SARS-CoV-2 in a concentration-dependent manner, with SeNPs having an IC₅₀ of 32.27 µg/ml and Se/CS NC an IC₅₀ of 362.2 µg/ml. Despite requiring higher concentrations for efficacy, Se/CS NC’s lower cytotoxicity resulted in a more favorable selectivity index, suggesting its potential as a safer antiviral therapeutic option. Overall, the study underscores the promising application of Se/CS NC in antiviral therapies, particularly against SARS-CoV-2, while emphasizing the importance of optimizing biosynthesis parameters for effective nanoparticle production.