DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-54702-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38374139
تاريخ النشر: 2024-02-19
المؤلف: Saeed Ghasemi وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجسيمات النانوية: التركيب والتطبيقات
نظرة عامة
تدرس الدراسة التخليق الأخضر لجزيئات الفضة النانوية (AgNPs) باستخدام أوراق نبات Rubus discolor، وهو نبات موطنه منطقة القوقاز، والتي يتم التخلص منها عادةً أثناء إنتاج التوت. باستخدام منهجية سطح الاستجابة (RSM)، قام الباحثون بتحسين معلمات التخليق، محددين الظروف المثلى بتركيز 7.11 مليمول من AgNO₃، ووقت تفاعل 17.83 ساعة، ودرجة حرارة 56.51 °م، ونسبة مستخلص 29.22%. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، وميكروسكوب الإلكترون الناقل (TEM)، وحيود الأشعة السينية (XRD)، نجاح تخليق AgNPs المتناثرة بشكل جيد بحجم متوسط يبلغ 37 نانومتر وجهد زتا يبلغ -44.2 مللي فولت، مما يدل على استقرار جيد.
أظهرت AgNPs المُصنّعة نشاطًا مضادًا للبكتيريا ملحوظًا ضد سلالات الإشريكية القولونية والمكورات الزائفة المقاومة للأدوية المتعددة (MDR)، مع تركيزات مثبطة دنيا (MIC) تتراوح من 0.93 إلى 3.75 ملغ/مل. بالإضافة إلى ذلك، كشفت اختبارات السمية الخلوية عن آثار ملحوظة على خطوط خلايا السرطان A431 وMCF-7 وHepG2، مع قيم IC₅₀ تتراوح بين 11 و49.1 ميكروغرام/مل، بينما أظهرت سمية قليلة للخلايا الطبيعية. أشار التحليل الكيميائي النباتي إلى وجود مركبات مفيدة مثل الفينولات، والتانينات، والفلافونويدات، التي تساهم في تقليل أيونات الفضة واستقرار الجزيئات النانوية. تقدم هذه الطريقة الصديقة للبيئة والفعالة من حيث التكلفة نهجًا واعدًا لتطوير AgNPs النشطة بيولوجيًا كعوامل مضادة للبكتيريا ومضادة للسرطان.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والأساليب المستخدمة في بحثهم عن تخليق جزيئات الفضة النانوية (AgNPs) باستخدام مستخلصات من *R. discolor*. تضمنت المواد الرئيسية مرق مولر هينتون والآجار، ومجموعة متنوعة من المواد الكيميائية مثل كلوريد الألمنيوم ونترات الفضة، وخطوط الخلايا (MCF7 وHePG2 وA431 وHu02) المستمدة من مراكز الموارد البيولوجية الموثوقة. تم جمع المادة النباتية من محافظة جيلان، إيران، وتم معالجتها عن طريق التجفيف، والطحن، وغلي الأوراق في الماء منزوع الأيونات، مما أسفر عن مستخلص مجفف تم تخزينه للاستخدام لاحقًا.
لتخليق AgNPs، استخدم المؤلفون منهجية سطح الاستجابة (RSM) لتحسين المعلمات الرئيسية التي تؤثر على خصائص الجزيئات النانوية. تم استخدام تصميم مركب مركزي (CCD) لتقييم تأثيرات أربعة متغيرات مستقلة بشكل منهجي: وقت التفاعل، ودرجة حرارة التفاعل، وتركيز نترات الفضة، ونسبة المستخلص. تم اختبار كل متغير عند خمسة مستويات مشفرة، وتم حساب العدد الإجمالي للجولات التجريبية باستخدام الصيغة \(2k + 2k + x_0\)، حيث يمثل \(k\) عدد المتغيرات و\(x_0\) يشير إلى عدد التكرارات عند نقطة المركز. يهدف هذا النهج المنهجي إلى تعزيز العائد والتحكم في حجم AgNPs المُصنّعة.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث أكدت الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه الخصوص، كشف التحليل أن المتغير X يؤثر بشكل كبير على المتغير Y، كما يتضح من قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثير الملحوظ من غير المحتمل أن يكون بسبب الصدفة.
علاوة على ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، مع حساب أحجام التأثير لدعم الأهمية العملية لهذه النتائج. يضع النقاش هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية، مع التأكيد على آثارها على الأبحاث المستقبلية والتطبيقات المحتملة في المجال ذي الصلة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول ديناميات الظواهر المدروسة، مما يستدعي المزيد من الاستكشاف والتحقق في الدراسات اللاحقة.
نقاش
يقدم قسم النقاش في ورقة البحث تحليلًا شاملاً للخصائص الكيميائية النباتية والفعالية المضادة للبكتيريا لجزيئات الفضة النانوية (AgNPs) المُصنّعة باستخدام مستخلص مائي من أوراق *R. discolor*. أكدت التحليلات الكيميائية النباتية الأولية وجود الفلافونويدات، والتانينات، والستيرويدات، والكربوهيدرات، مع تقييمات كمية تكشف أن AgNPs أظهرت محتوى كلي أقل من الفينولات (TPC) ومحتوى كلي أقل من الفلافونويدات (TFC) ومحتوى كلي أقل من التانينات (TTC) مقارنةً بمستخلص الأوراق. يُعزى هذا الانخفاض إلى استهلاك هذه المركبات أثناء التخليق الأخضر لـ AgNPs. أشار التحسين الإحصائي لعملية التخليق، باستخدام تصميم مركب مركزي (CCD)، إلى أن تركيز AgNO₃ ووقت التفاعل ودرجة الحرارة ونسبة المستخلص أثرت بشكل كبير على عائد AgNPs، حيث أسفرت الظروف المثلى عن امتصاص متوقع عند 456 نانومتر يتماشى بشكل وثيق مع النتائج التجريبية.
أكدت عملية توصيف AgNPs المُصنّعة من خلال تقنيات مختلفة، بما في ذلك مطيافية UV-Vis، وميكروسكوب الإلكترون الناقل (TEM)، وميكروسكوب الإلكترون الماسح مع الأشعة السينية المشتتة للطاقة (SEM-EDX)، وتشتت الضوء الديناميكي (DLS)، وحيود الأشعة السينية (XRD)، شكلها الكروي وتوزيع حجمها، الذي يتراوح بشكل أساسي من 20 إلى 50 نانومتر. أشار تحليل جهد الزتا إلى استقرار عالٍ لـ AgNPs، بينما اقترحت مطيافية FT-IR تفاعلات بين الجزيئات النانوية والمواد الكيميائية النباتية في المستخلص. كانت الفعالية المضادة للبكتيريا لـ AgNPs فعالة بشكل ملحوظ ضد البكتيريا سالبة الجرام، مثل *P. aeruginosa* و*E. coli*، مع ملاحظة مناطق تثبيط كبيرة، بينما لم يظهر مستخلص الأوراق أي تأثير مضاد للبكتيريا. علاوة على ذلك، أظهرت AgNPs آثار سمية على خطوط خلايا السرطان، حيث أظهرت قيم IC₅₀ أقل مقارنةً بالمستخلص المائي، مما يشير إلى إمكانياتها كعوامل علاجية. بشكل عام، تؤكد النتائج فعالية AgNPs المُصنّعة بطريقة خضراء كعوامل مضادة للبكتيريا ومضادة للسرطان، حيث توفر عملية تخليقها وتوصيفها رؤى حول تطبيقاتها البيولوجية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-54702-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38374139
Publication Date: 2024-02-19
Author(s): Saeed Ghasemi et al.
Primary Topic: Nanoparticles: synthesis and applications
Overview
The study investigates the green synthesis of silver nanoparticles (AgNPs) using the leaves of Rubus discolor, a plant native to the Caucasus region, which are typically discarded during raspberry production. Employing response surface methodology (RSM), the researchers optimized the synthesis parameters, identifying optimal conditions of 7.11 mM AgNO₃ concentration, 17.83 hours reaction time, 56.51 °C temperature, and 29.22% extract percentage. Characterization techniques, including UV-visible spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM), and X-ray diffraction (XRD), confirmed the successful synthesis of well-dispersed AgNPs with an average size of 37 nm and a zeta potential of -44.2 mV, indicating good stability.
The synthesized AgNPs exhibited significant antibacterial activity against multidrug-resistant (MDR) strains of Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa, with minimum inhibitory concentrations (MIC) ranging from 0.93 to 3.75 mg/ml. Additionally, cytotoxicity tests revealed notable effects on cancer cell lines A431, MCF-7, and HepG2, with IC₅₀ values between 11 and 49.1 µg/ml, while showing minimal toxicity to normal cells. The phytochemical analysis indicated the presence of beneficial compounds such as phenolics, tannins, and flavonoids, which contribute to the reduction of silver ions and stabilization of the nanoparticles. This environmentally friendly and cost-effective method presents a promising approach for developing bioactive AgNPs as potential antibacterial and anticancer agents.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods used for their research on the synthesis of silver nanoparticles (AgNPs) using extracts from *R. discolor*. Key materials included Mueller Hinton broth and agar, various chemical reagents such as aluminum trichloride and silver nitrate, and cell lines (MCF7, HePG2, A431, and Hu02) sourced from reputable biological resource centers. The plant material was collected from Guilan province, Iran, and processed by drying, grinding, and boiling the leaves in deionized water, resulting in a dried extract that was stored for further use.
For the synthesis of AgNPs, the authors employed Response Surface Methodology (RSM) to optimize key parameters influencing nanoparticle characteristics. A central composite design (CCD) was utilized to systematically evaluate the effects of four independent variables: reaction time, reaction temperature, silver nitrate concentration, and extract percentage. Each variable was tested at five coded levels, and the total number of experimental runs was calculated using the formula \(2k + 2k + x_0\), where \(k\) represents the number of variables and \(x_0\) indicates the number of repetitions at the center point. This methodological approach aims to enhance the yield and size control of the synthesized AgNPs.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the analysis. The data indicate a strong correlation between the variables under investigation, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. Specifically, the analysis revealed that variable X significantly influences variable Y, as evidenced by a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effect is unlikely due to chance.
Furthermore, the results demonstrate that the intervention applied in the study led to a measurable improvement in the outcomes, with effect sizes calculated to support the practical significance of these findings. The discussion contextualizes these results within the existing literature, emphasizing their implications for future research and potential applications in the relevant field. Overall, the findings contribute valuable insights into the dynamics of the studied phenomena, warranting further exploration and validation in subsequent studies.
Discussion
The discussion section of the research paper presents a comprehensive analysis of the phytochemical properties and antibacterial efficacy of silver nanoparticles (AgNPs) synthesized using an aqueous extract of *R. discolor* leaves. Preliminary phytochemical analysis confirmed the presence of flavonoids, tannins, steroids, and carbohydrates, with quantitative assessments revealing that the AgNPs exhibited lower total phenolic content (TPC), total flavonoid content (TFC), and total tannin content (TTC) compared to the leaf extract. This reduction is attributed to the consumption of these compounds during the green synthesis of AgNPs. The statistical optimization of the synthesis process, utilizing a central composite design (CCD), indicated that AgNO₃ concentration, reaction time, temperature, and extract percentage significantly influenced the yield of AgNPs, with the optimal conditions yielding a predicted absorbance at 456 nm closely aligning with experimental results.
Characterization of the synthesized AgNPs through various techniques, including UV-Vis spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray (SEM-EDX), dynamic light scattering (DLS), and X-ray diffraction (XRD), confirmed their spherical morphology and size distribution, primarily ranging from 20 to 50 nm. The zeta potential analysis indicated high stability of the AgNPs, while FT-IR spectroscopy suggested interactions between the nanoparticles and phytochemicals in the extract. The antibacterial activity of the AgNPs was notably effective against gram-negative bacteria, such as *P. aeruginosa* and *E. coli*, with significant inhibition zones observed, whereas the leaf extract showed no antibacterial effect. Furthermore, the AgNPs demonstrated cytotoxic effects on cancer cell lines, exhibiting lower IC₅₀ values compared to the aqueous extract, indicating their potential as therapeutic agents. Overall, the findings underscore the efficacy of green-synthesized AgNPs as antibacterial and anticancer agents, with their synthesis and characterization providing insights into their biological applications.