DOI: https://doi.org/10.1186/s12896-025-00999-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40581634
تاريخ النشر: 2025-06-28
المؤلف: Mohamed K. Y. Soliman وآخرون
الموضوع الرئيسي: السيلينيوم في الأنظمة البيولوجية
نظرة عامة
ركزت هذه الدراسة على الإنتاج المستدام لجزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) من مستخلص قشر الأناناس (PPW)، مع تسليط الضوء على إمكانياتها لتطبيقات طبية متنوعة. تم تحديد مستخلص PPW كمصدر غني بالمواد الكيميائية النباتية، بما في ذلك الأحماض الفينولية، الفلافونويدات، التانينات، الفلافونولات، والصابونينات. أكدت تقنيات التوصيف مثل XRD، FTIR، SEM، EDX، UV-Vis، وHRTEM أن جزيئات SeNPs التي تم تصنيعها كانت كروية، ومتعددة التوزيع، وتراوحت أحجامها من 33 إلى 73 نانومتر.
كانت الخصائص المضادة للبكتيريا لجزيئات SeNPs ملحوظة، حيث أظهرت فعالية ضد كل من البكتيريا إيجابية الجرام وسلبية الجرام، بما في ذلك المكورات العنقودية الذهبية والإشريكية القولونية. ومن الجدير بالذكر أن جزيئات SeNPs أظهرت قدرة على تثبيط الأغشية الحيوية، مع معدلات تثبيط بلغت 64.8% و54.4% لـ MRSA وE. coli، على التوالي، عند تركيز 100 ميكروغرام/مل. بالإضافة إلى ذلك، قللت جزيئات SeNPs من التعبير عن الجينات الحيوية لتكوين الأغشية الحيوية، cna وLuxS، في S. aureus وE. coli، على التوالي. تم قياس القدرة المضادة للأكسدة بقيمة IC50 تبلغ 98.3 ميكروغرام/مل، بينما تم الإشارة إلى الفعالية المضادة للسرطان ضد خط خلايا HepG2 الخبيثة بقيمة IC50 تبلغ 113.02 ميكروغرام/مل. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن جزيئات SeNPs المصنعة تمتلك خصائص مضادة للبكتيريا، ومضادة للأغشية الحيوية، ومضادة للأكسدة، ومضادة للسرطان، على الرغم من التحديات المتعلقة بالقدرة على التوسع للتطبيقات الصناعية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الإمكانيات التحويلية لتكنولوجيا النانو في مختلف القطاعات، بما في ذلك الطب الحيوي، والزراعة، ومعالجة مياه الصرف، مما يجعلها محركًا رئيسيًا للثورة الصناعية القادمة. يتم التركيز بشكل كبير على الإنتاج الصديق للبيئة للجزيئات النانوية، وخاصة من خلال الاختزال الحيوي لجزيئات المعادن النانوية باستخدام المستقلبات الطبيعية مثل التربينويدات والفلافونويدات. يتم التأكيد على جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) لخصائصها الحيوية النشطة المفيدة وانخفاض سمّيتها، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الطبية. كما تتناول المقدمة القضية الملحة لمقاومة المضادات الحيوية (AMR)، التي تشكل تهديدًا كبيرًا للصحة العامة، وتؤكد على الحاجة إلى حلول مضادة للبكتيريا مبتكرة.
تبلغ الورقة عن التخليق الحيوي الجديد لجزيئات SeNPs باستخدام مستخلص قشر الأناناس، مقدمة طريقة فعالة من حيث التكلفة وصديقة للبيئة. تم توصيف جزيئات SeNPs المصنعة باستخدام تقنيات تحليلية متنوعة، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD) وميكروسكوب الإلكترون الماسح (SEM-EDX). علاوة على ذلك، تحقق الدراسة من الخصائص المضادة للبكتيريا، ومضادة للأغشية الحيوية، ومضادة للأكسدة، ومضادة للسرطان لهذه الجزيئات النانوية، بالإضافة إلى تأثيراتها على التعبير الجيني المتعلق بتكوين الأغشية الحيوية في البكتيريا الممرضة مثل المكورات العنقودية الذهبية والإشريكية القولونية. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن النهج الكيميائي النباتي لإنتاج SeNPs هو استراتيجية قابلة للتطبيق لتعزيز التطبيقات الطبية.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المنهجية لإعداد قشور الأناناس لمزيد من البحث. تم الحصول على الأناناس الطازج من الأسواق المحلية في مدينة القليوبية، مصر، وخضع لعملية تنظيف شاملة باستخدام ماء مقطر معقم. ثم تمت إزالة القشور، وقطعها إلى قطع، وغسلها لإزالة أي ملوثات متبقية. بعد ذلك، تم تجفيف القشور في فرن هواء ساخن عند 40 درجة مئوية لمدة 6-7 ساعات يوميًا على مدى أربعة إلى خمسة أيام لضمان إزالة الرطوبة. ثم تم طحن القشور المجففة إلى مسحوق ناعم وتخزينها للاستخدام المستقبلي.
كما يبرز المؤلفون عدة تحديات مرتبطة بالإنتاج على نطاق صناعي لجزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs). تشمل هذه التحديات عمليات التخليق غير المتسقة التي تؤدي إلى ضعف القابلية للتكرار، ومشكلات التوزيع المتعدد التي تؤثر على التجانس، ونقص بيانات الاستقرار على المدى الطويل المتعلقة بجزيئات SeNPs في الأنظمة البيولوجية. علاوة على ذلك، يشيرون إلى عدم كفاية النماذج الحيوانية الحالية لتقييم التأثيرات العلاجية والسمية المناعية، بالإضافة إلى عدم ملاءمة بروتوكولات اختبار الأدوية القياسية للطب النانوي. تعقّد الفجوات التنظيمية والبنية التحتية الصناعية غير المتطورة الانتقال من البحث في المختبر إلى التطبيق السريري، مما يبرز الحاجة إلى أساليب تقييم مخصصة وأنظمة تحسين الجودة.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. ومن الجدير بالذكر أن النتائج تظهر أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج المستهدفة، كما يتضح من المقاييس المستخدمة.
علاوة على ذلك، يضع النقاش هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية، مشيرًا إلى أن التأثيرات الملحوظة تتماشى مع الدراسات السابقة بينما تساهم أيضًا في رؤى جديدة. يتم استكشاف تداعيات هذه النتائج، مع التأكيد على أهميتها لكل من الأطر النظرية والتطبيقات العملية في هذا المجال. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية سؤال البحث وتفتح الطريق لمزيد من التحقيقات.
النقاش
في هذا القسم، يحدد البحث إعداد وتوصيف مستخلص قشر الأناناس وتطبيقه في التخليق الأخضر لجزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs). تضمنت عملية الاستخراج تسخين مسحوق قشر الأناناس المجفف في ماء مقطر منزوع الأيونات، تليها الترشيح والطرد المركزي للحصول على سوائل نقية. كشفت التحليلات الكيميائية النباتية عن وجود مركبات حيوية نشطة متنوعة، بما في ذلك الأحماض الفينولية، التانينات، الفلافونويدات، القلويدات، الصابونينات، والستيرويدات، المعروفة بخصائصها المعززة للصحة. أشارت التقييمات الكمية إلى تركيزات كبيرة من هذه المركبات، حيث بلغ إجمالي الفلافونويدات 32.67 ملغ مكافئ كيرسيتين لكل غرام من الوزن الجاف وإجمالي الأحماض الفينولية 14.88 ملغ مكافئ حمض غالي لكل غرام من الوزن الجاف.
تم تحقيق التخليق الحيوي لجزيئات SeNPs عن طريق اختزال سيلينيت الصوديوم باستخدام مستخلص قشر الأناناس، مما أدى إلى تغيير في اللون يدل على تكوين الجزيئات النانوية. تم تحديد الظروف المثلى لتخليق SeNP، بما في ذلك تركيز المكون السابق 25 مللي مول، ودرجة حموضة 9، ودرجة حرارة 60 درجة مئوية، مع وقت تفاعل قدره ساعتين. أكدت تقنيات التوصيف مثل مطيافية الأشعة فوق البنفسجية، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR)، وحيود الأشعة السينية (XRD) نجاح التخليق واستقرار جزيئات SeNPs. كما قامت الدراسة بتقييم الفعالية المضادة للبكتيريا لجزيئات SeNPs المصنعة ضد مجموعة متنوعة من البكتيريا الممرضة، مما يظهر إمكانياتها كعوامل مضادة للميكروبات. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على النهج المستدام والصديق للبيئة لاستخدام نفايات قشر الأناناس في تخليق جزيئات SeNPs، والتي قد تكون لها تطبيقات كبيرة في المجالات الطبية الحيوية.
القيود
يسلط قسم القيود الضوء على تحديين رئيسيين مرتبطين باستخدام جزيئات السيلينيوم النانوية (SeNPs) في تطبيقات التوصيل المستهدف. أولاً، لا يزال تحقيق التوصيل الدقيق إلى أنسجة معينة عقبة كبيرة، مما قد يؤدي إلى آثار جانبية غير مقصودة وسُمّية جهازية. يبرز هذا التحدي تعقيد ضمان وصول العوامل العلاجية إلى مواقعها المستهدفة دون التأثير على الأنسجة الصحية المحيطة.
ثانيًا، على الرغم من أن جزيئات SeNPs تعتبر عمومًا ذات ملف سمّي أقل مقارنةً بالجزيئات النانوية الأخرى، إلا أن هناك دراسات تشير إلى إمكانية وجود سمّية كبيرة في المختبر وفي الكائنات الحية. تشير هذه النتيجة إلى أنه، على الرغم من مزاياها، يجب توخي الحذر في تطبيق جزيئات SeNPs، حيث قد لا تكون سلامتها مضمونة عالميًا في جميع السياقات.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12896-025-00999-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40581634
Publication Date: 2025-06-28
Author(s): Mohamed K. Y. Soliman et al.
Primary Topic: Selenium in Biological Systems
Overview
This research focused on the sustainable production of selenium nanoparticles (SeNPs) from pineapple peel waste (PPW) extract, highlighting its potential for various medical applications. The PPW extract was identified as a rich source of phytochemicals, including phenolic acids, flavonoids, tannins, flavonols, and saponins. Characterization techniques such as XRD, FTIR, SEM, EDX, UV-Vis, and HRTEM confirmed that the synthesized SeNPs were spherical, polydisperse, and ranged in size from 33 to 73 nm.
The antibacterial properties of the SeNPs were significant, demonstrating effectiveness against both Gram-positive and Gram-negative bacteria, including Staphylococcus aureus and Escherichia coli. Notably, the SeNPs exhibited an antibiofilm capacity, with inhibition rates of 64.8% and 54.4% for MRSA and E. coli, respectively, at a concentration of 100 µg/mL. Additionally, the SeNPs reduced the expression of critical biofilm formation genes, cna and LuxS, in S. aureus and E. coli, respectively. The antioxidant capacity was quantified with an IC50 value of 98.3 µg/mL, while anticancer efficacy against the HepG2 malignant cell line was indicated by an IC50 value of 113.02 µg/mL. Overall, the findings suggest that the synthesized SeNPs possess significant antibacterial, antibiofilm, antioxidant, and anticancer properties, although challenges related to scalability for industrial applications remain.
Introduction
The introduction highlights the transformative potential of nanotechnology in various sectors, including biomedicine, agriculture, and wastewater treatment, positioning it as a key driver of the next industrial revolution. A significant focus is placed on the eco-friendly production of nanoparticles, particularly through the bio-reduction of metal nanoparticles using natural metabolites such as terpenoids and flavonoids. Selenium nanoparticles (SeNPs) are emphasized for their beneficial bioactive properties and low toxicity, making them suitable for medical applications. The introduction also addresses the pressing issue of antimicrobial resistance (AMR), which poses a significant public health threat, and underscores the need for innovative antibacterial solutions.
The paper reports the novel biosynthesis of SeNPs using pineapple peel extract, presenting a cost-effective and environmentally friendly method. The synthesized SeNPs were characterized using various analytical techniques, including X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM-EDX). Furthermore, the study investigates the antibacterial, antibiofilm, antioxidant, and anticancer properties of these nanoparticles, as well as their effects on gene expression related to biofilm formation in pathogenic bacteria such as Staphylococcus aureus and Escherichia coli. Overall, the findings suggest that the phytochemical approach to SeNP production is a viable strategy for advancing medical applications.
Methods
In this section, the authors detail the methodology for preparing pineapple peels for further research. Fresh pineapples were sourced from local markets in Qalyube city, Egypt, and subjected to a thorough cleaning process using sterile distilled water. The peels were then removed, cut into pieces, and washed to eliminate any residual contaminants. Following this, the peels were dried in a hot air oven at 40 °C for 6-7 hours daily over a span of four to five days to ensure moisture removal. The dried peels were subsequently ground into a fine powder and stored for future use.
The authors also highlight several challenges associated with the industrial-scale production of selenium nanoparticles (SeNPs). These include inconsistent synthesis processes leading to poor reproducibility, polydispersity issues affecting uniformity, and a lack of long-term stability data regarding SeNPs in biological systems. Furthermore, they note the inadequacy of current animal models for assessing therapeutic effects and immunotoxicity, as well as the unsuitability of standard drug testing protocols for nanomedicine. Regulatory gaps and underdeveloped industrial infrastructure further complicate the transition from laboratory research to clinical application, underscoring the need for tailored evaluation approaches and improved quality control systems.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Notably, the results demonstrate that the intervention applied led to a measurable improvement in the target outcomes, as evidenced by the metrics used.
Furthermore, the discussion contextualizes these findings within the existing literature, suggesting that the observed effects align with previous studies while also contributing new insights. The implications of these results are explored, emphasizing their relevance to both theoretical frameworks and practical applications in the field. Overall, the findings underscore the importance of the research question and pave the way for future investigations.
Discussion
In this section, the research outlines the preparation and characterization of pineapple peel extract and its application in the green synthesis of selenium nanoparticles (SeNPs). The extraction process involved heating dried pineapple peel powder in distilled deionized water, followed by filtration and centrifugation to obtain a purified supernatant. Phytochemical analyses revealed the presence of various bioactive compounds, including phenolic acids, tannins, flavonoids, alkaloids, saponins, and steroids, which are known for their health-promoting properties. Quantitative assessments indicated significant concentrations of these compounds, with total flavonoids at 32.67 mg quercetin equivalents per gram of dry weight and total phenolic acids at 14.88 mg gallic acid equivalents per gram of dry weight.
The biosynthesis of SeNPs was achieved by reducing sodium selenite with the pineapple peel extract, resulting in a color change indicative of nanoparticle formation. The optimal conditions for SeNP synthesis were identified, including a precursor concentration of 25 mM, a pH of 9, and a temperature of 60 °C, with a reaction time of 2 hours. Characterization techniques such as UV-visible spectrophotometry, Fourier Transform Infrared spectroscopy (FT-IR), and X-ray diffraction (XRD) confirmed the successful synthesis and stability of the SeNPs. The study further evaluated the antibacterial efficacy of the synthesized SeNPs against various pathogenic bacteria, demonstrating their potential as antimicrobial agents. Overall, the findings highlight the sustainable and eco-friendly approach of utilizing pineapple peel waste for the synthesis of SeNPs, which may have significant applications in biomedical fields.
Limitations
The section on limitations highlights two primary challenges associated with the use of selenium nanoparticles (SeNPs) in targeted delivery applications. Firstly, achieving precise delivery to specific tissues remains a significant hurdle, which can result in unintended side effects and systemic toxicity. This challenge underscores the complexity of ensuring that therapeutic agents reach their intended sites without affecting surrounding healthy tissues.
Secondly, while SeNPs are generally considered to have a lower toxicity profile compared to other nanoparticles, there are studies that indicate the potential for considerable in vitro and in vivo toxicity. This finding suggests that, despite their advantages, caution is warranted in the application of SeNPs, as their safety may not be universally guaranteed across all contexts.