Свойства наночастиц оксида цинка и их активность против микробов

Фон

Нанотехнология занимается производством и применением материалов размером до 100 нм. Они широко используются в ряде процессов, включая материаловедение, сельское хозяйство, пищевую промышленность, косметику, медицину и диагностику [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]. Неорганические соединения наноразмеров продемонстрировали замечательную антибактериальную активность при очень низкой концентрации из-за их большого отношения площади поверхности к объему и уникальных химических и физических свойств [11]. Кроме того, эти частицы также более стабильны при высоких температуре и давлении [12]. Некоторые из них признаны нетоксичными и даже содержат минеральные элементы, жизненно важные для человеческого организма [13]. Сообщается, что наиболее антибактериальными неорганическими материалами являются металлические наночастицы и наночастицы оксидов металлов, таких как серебро, золото, медь, оксид титана и оксид цинка [14, 15].

Цинк является важным микроэлементом для человеческой системы, без которого многие ферменты, такие как карбоангидраза, карбоксипептидаза и алкогольдегидрогеназа, становятся неактивными, в то время как два других члена, кадмий и ртуть, принадлежащие к той же группе элементов, имеющих такую ​​же электронную конфигурацию, являются токсичными. . Он важен для эукариот, поскольку модулирует многие физиологические функции [16, 17]. Бамбуковая соль, содержащая цинк, используется в качестве лечебного средства для лечения воспалений путем регулирования активности каспазы-1. Было показано, что наночастицы оксида цинка снижают экспрессию мРНК воспалительных цитокинов, ингибируя активацию NF-kB (ядерный фактор каппа B-клеток) [18].

Во всем мире бактериальные инфекции считаются серьезной проблемой для здоровья. Новые бактериальные мутации, устойчивость к антибиотикам, вспышки патогенных штаммов и т. Д. Увеличиваются, и, таким образом, время требует разработки более эффективных антибактериальных средств. Оксид цинка с незапамятных времен известен своими антибактериальными свойствами [19]. Он использовался во время правления фараонов, и исторические записи показывают, что оксид цинка использовался во многих мазях для лечения травм и фурункулов даже в 2000 году до нашей эры [20]. Он до сих пор используется в солнцезащитных лосьонах, как добавка, фотопроводящий материал, светодиоды, прозрачные транзисторы, солнечные элементы, устройства памяти [21, 22], косметика [23, 24] и катализ [25]. Хотя ежегодно производится значительное количество ZnO, очень небольшое его количество используется в качестве лекарственного средства [26]. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США признало оксид цинка (21 CFR 182.8991) безопасным [27]. Он характеризуется фотокаталитическими и фотоокислительными свойствами по отношению к биохимическим веществам [28].

Оксид цинка классифицирован согласно классификации опасности ЕС как N; R50-53 (экотоксичен). Соединения цинка в следовых количествах экотоксичны для млекопитающих и растений [29, 30]. В организме человека содержится около 2–3 г цинка, а суточная потребность составляет 10–15 мг [29, 31]. Нет сообщений о канцерогенности, генотоксичности и репродуктивной токсичности для человека [29, 32]. Однако вдыхание или проглатывание цинкового порошка может вызвать состояние, называемое цинковой лихорадкой, которое сопровождается ознобом, лихорадкой, кашлем и т. Д.

Морфология наночастиц оксида цинка зависит от процесса синтеза. Это могут быть наностержни, нанопластинки [33,34,35], наносферы [36], нанобоксы [35], гексагональные, штативы [37], тетраподы [38], нанопроволоки, нанотрубки, нанокольца [39,40,41], наноклетки. , и наноцветки [42, 43]. Наночастицы оксида цинка более активны в отношении грамположительных бактерий по сравнению с другими НЧ той же группы элементов. Готовые к употреблению продукты более подвержены заражению сальмонеллой . , золотистый стафилококк , и E. coli которые представляют собой серьезную проблему для безопасности и качества пищевых продуктов. Антимикробные соединения вводятся в упакованные пищевые продукты, чтобы предотвратить их повреждение. Антимикробная упаковка содержит нетоксичный материал, который подавляет или замедляет рост микробов, присутствующих в продуктах питания или упаковочном материале [44]. Противомикробное вещество для потребления человеком должно обладать следующими свойствами.

1. а)

   Он не должен быть токсичным.

2. б)

   Он не должен вступать в реакцию с пищей или контейнером.

3. в)

   Оно должно быть хорошего вкуса или безвкусно.

4. г)

   У него не должно быть неприятного запаха.

Наночастица оксида цинка является одним из таких неорганических оксидов металла, который удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям, и, следовательно, его можно безопасно использовать в качестве лекарства, консерванта в упаковке и противомикробного агента [45, 46]. Он легко проникает в пищевые продукты, убивает микробы и предотвращает заболевание человека. В соответствии с правилами 1935/2004 / EC и 450/2009 / EC Европейского Союза активная упаковка определяется как активный материал, контактирующий с пищевыми продуктами, способный изменять состав пищи или атмосферы вокруг себя [47]. Поэтому его обычно используют в качестве консерванта и включают в полимерный упаковочный материал для предотвращения повреждения пищевого материала микробами [48]. Наночастицы оксида цинка использовались в качестве антибактериального вещества против Salmonella typhi . и С. золотистый in vitro. Из всех исследованных наночастиц оксида металла наночастицы оксида цинка проявили наивысшую токсичность в отношении микроорганизмов [49]. С помощью изображений SEM и TEM также было продемонстрировано, что наночастицы оксида цинка сначала повреждают стенку бактериальной клетки, затем проникают и, наконец, накапливаются в клеточной мембране. Они нарушают метаболические функции микробов, вызывая их гибель. Все характеристики наночастиц оксида цинка зависят от их размера, формы, концентрации и времени воздействия на бактериальную клетку. Кроме того, были изучены исследования биораспределения наночастиц оксида цинка. Например, Wang et al. [50] исследовали влияние длительного воздействия наночастиц оксида цинка на биораспределение и метаболизм цинка у мышей в течение от 3 до 35 недель. Их результаты показали минимальную токсичность для мышей, когда они подвергались воздействию наночастиц оксида цинка 50 и 500 мг / кг с пищей. При более высокой дозе 5000 мг / кг наночастицы оксида цинка снижали массу тела, но увеличивали массу поджелудочной железы, мозга и легких. Кроме того, он увеличивал активность сывороточной глутамино-пировиноградной трансаминазы и экспрессию мРНК генов, связанных с метаболизмом цинка, таких как металлотионеин. Исследования биораспределения показали накопление достаточного количества цинка в печени, поджелудочной железе, почках и костях. Поглощение и распределение наночастиц оксида цинка / микрочастиц оксида цинка в значительной степени зависит от размера частиц. Ли и др. [51] изучали биораспределение наночастиц оксида цинка при пероральном или внутрибрюшинном введении мышам в возрасте 6 недель. Не было обнаружено явных побочных эффектов у мышей, перорально получавших наночастицы оксида цинка, за 14 дней исследования. Однако внутрибрюшинная инъекция мышам 2,5 г / кг массы тела показала накопление цинка в сердце, печени, селезенке, легких, почках и семенниках. Через 72 часа наблюдалось почти девятикратное увеличение количества наночастиц оксида цинка в печени. Было показано, что наночастицы оксида цинка обладают большей эффективностью в биораспределении печени, селезенки и почек, чем у мышей, получавших пероральный корм. Поскольку наночастицы оксида цинка безвредны в низких концентрациях, они стимулируют определенные ферменты у человека и растений и подавляют болезни. Singh et al. [52] также недавно были рассмотрены биосинтез наночастиц оксида цинка, их захват, транслокация и биотрансформация в растительной системе.

В этом обзоре мы попытались обобщить всю информацию о наночастицах оксида цинка как антибактериальных средствах. Также подробно обсуждался механизм взаимодействия наночастиц оксида цинка с различными микробами.

Антимикробная активность наночастиц оксида цинка

Общеизвестно, что наночастицы оксида цинка обладают антибактериальным действием и подавляют рост микроорганизмов, проникая в клеточную мембрану. Окислительный стресс повреждает липиды, углеводы, белки и ДНК [53]. Перекисное окисление липидов, очевидно, является наиболее важным фактором, который приводит к изменению клеточной мембраны, что в конечном итоге нарушает жизненно важные клеточные функции [54]. Это подтверждается механизмом окислительного стресса с участием наночастиц оксида цинка в Escherichia coli [55]. Однако для объемной суспензии оксида цинка внешнее образование H ₂ О ₂ было предложено описать антибактериальные свойства [56]. Также учитывалась токсичность наночастиц, выделяющих токсичные ионы. Поскольку оксид цинка амфотерный по своей природе, он реагирует как с кислотами, так и с щелочами, давая Zn ²⁺ ионы.

Бесплатный Zn ²⁺ ионы немедленно связываются с биомолекулами, такими как белки и углеводы, и все жизненные функции бактерий прекращаются. Токсичность оксида цинка, наночастиц цинка и ZnSO ₄ · 7H ₂ O был протестирован (Таблица 1) против Vibrio fischeri . Было обнаружено, что ZnSO ₄ · 7H ₂ O в шесть раз токсичнее наночастиц оксида цинка и оксида цинка. Наночастицы фактически диспергированы в растворителе, а не растворены, и поэтому они не могут выделять Zn ²⁺ . ионы. Биодоступность Zn ²⁺ ионы не всегда составляют 100% и могут неизменно изменяться в зависимости от физиологического pH, окислительно-восстановительного потенциала и связанных с ним анионов, таких как Cl ^- или SO ₄ ^2– .

Растворимость оксида цинка (1,6–5,0 мг / л) в водной среде выше, чем растворимость наночастиц оксида цинка (0,3–3,6 мг / л) в той же среде [57], которая токсична для водорослей и ракообразных. И наноразмерный оксид цинка, и оксид цинка в массе в 40–80 раз менее токсичны, чем ZnSO ₄ . против В. фишери . Более высокая антибактериальная активность ZnSO ₄ прямо пропорциональна его растворимости, высвобождая Zn ²⁺ ионы, которые обладают более высокой подвижностью и большим сродством [58] к биомолекулам в бактериальной клетке из-за положительного заряда Zn ²⁺ и отрицательный заряд на биомолекулах.

Поскольку оксид цинка и его наночастицы обладают ограниченной растворимостью, они менее токсичны для микробов, чем хорошо растворимый ZnSO ₄ · 7H ₂ О. Однако наночастицы оксида металла не обязательно проникают в бактериальную клетку, чтобы вызвать токсичность [59]. Контакта между наночастицами и клеточной стенкой достаточно, чтобы вызвать токсичность. Если это верно, то требуются большие количества металлических наночастиц, чтобы бактериальные клетки были полностью покрыты оболочкой и защищены от окружающей среды, не оставляя никаких шансов для поглощения пищи для продолжения жизненного процесса. Поскольку наночастицы и ионы металлов меньше, чем бактериальные клетки, более вероятно, что они разрушают клеточную мембрану и препятствуют их росту.

Ряд наноразмерных оксидов металлов, таких как ZnO, CuO, Al ₂ О ₃ , La ₂ О ₃ , Fe ₂ О ₃ , SnO ₂ , и TiO ₂ было показано, что они проявляют наивысшую токсичность в отношении E. coli [49]. Наночастицы оксида цинка наружно используются для лечения легких бактериальных инфекций, но ион цинка является важным микроэлементом для некоторых вирусов и людей, которые повышают ферментативную активность вирусной интегразы [45, 60, 61]. Это также подтверждается увеличением вируса инфекционного некроза поджелудочной железы на 69,6% при лечении 10 мг / л Zn [46]. Это может быть связано с большей растворимостью ионов Zn по сравнению с одним ZnO. Изображения SEM и TEM показали, что наночастицы оксида цинка повреждают клеточную стенку бактерий [55, 62] и увеличивают проницаемость с последующим их накоплением в E. coli предотвращение их размножения [63].

В недавнем прошлом антибактериальная активность наночастиц оксида цинка была исследована против четырех известных грамположительных и грамотрицательных бактерий, а именно Staphylococcus aureus , Э. coli , Salmonella typhimurium и Klebsiella pneumoniae . Было замечено, что ингибирующая рост доза наночастиц оксида цинка составляла 15 мкг / мл, хотя в случае K. пневмония она составила всего 5 мкг / мл [63, 64]. Было замечено, что с увеличением концентрации наночастиц замедление роста микробов усиливается. Когда их инкубировали в течение 4–5 часов с максимальной концентрацией наночастиц оксида цинка 45 мкг / мл, рост сильно подавлялся. Ожидается, что, если время инкубации увеличится, ингибирование роста также усилится без значительного изменения механизма действия [63].

Сообщается, что наночастицы оксида металла сначала повреждают мембрану бактериальной клетки, а затем проникают в нее [64]. Также было предложено, чтобы выпуск H ₂ О ₂ может быть альтернативой антибактериальной активности [65]. Это предложение, однако, требует экспериментального подтверждения, поскольку простого присутствия наночастиц оксида цинка недостаточно для производства H ₂ О ₂ . Наночастицы цинка или наночастицы оксида цинка чрезвычайно низкой концентрации не могут вызывать токсичность в организме человека. Ежедневное потребление цинка с пищей необходимо для выполнения обычных метаболических функций. Оксид цинка, как известно, защищает желудок и кишечник от повреждения E. coli [65]. Уровень pH в желудке колеблется от 2 до 5, и, следовательно, оксид цинка в желудке может реагировать с кислотой с образованием Zn ²⁺ . ионы. Они могут помочь в активации ферментов карбоксипептидазы, карбоангидразы и алкогольдегидрогеназы, которые помогают переваривать углеводы и алкоголь. Premanathan et al. [66] сообщили о токсичности наночастиц оксида цинка в отношении прокариотических и эукариотических клеток. MIC наночастиц оксида цинка против E. coli , синегнойная палочка , и С. золотистый оказались равными 500 и 125 мкг / мл соответственно. Было предложено два механизма действия токсичности наночастиц оксида цинка, а именно (1) образование ROS и (2) индукция апоптоза. Наночастицы оксида металла индуцируют выработку АФК и подвергают клетки окислительному стрессу, вызывая повреждение клеточных компонентов, то есть липидов, белков и ДНК [67,68,69]. Таким образом, наночастицы оксида цинка вызывают токсичность через апоптоз. Они относительно более токсичны для раковых клеток, чем нормальные клетки, хотя не могут различить их.

Недавно Pati et al. [70] показали, что наночастицы оксида цинка нарушают целостность клеточной мембраны бактерий, снижают гидрофобность клеточной поверхности и подавляют транскрипцию генов устойчивости к окислительному стрессу у бактерий. Они усиливают внутриклеточное уничтожение бактерий, индуцируя продукцию ROS. Эти наночастицы нарушают образование биопленок и ингибируют гемолиз токсином гемолизина, вырабатываемым патогенами. Было обнаружено, что внутрикожное введение наночастиц оксида цинка значительно снижает кожную инфекцию и воспаление у мышей, а также улучшает структуру инфицированной кожи.

Растворимость и активность наночастиц оксида цинка, зависящая от концентрации

Наночастицы также использовались в качестве носителя для доставки терапевтических агентов для лечения бактериальной инфекции [1, 9]. Поскольку наночастицы оксида цинка в концентрации до 100 мкг / мл безвредны для нормальных клеток организма, их можно использовать в качестве альтернативы антибиотикам. Установлено, что 90% бактериальных колоний погибло после воздействия на них дозы 500–1000 мкг / мл наночастиц оксида цинка всего в течение 6 часов. Даже лекарственно-устойчивый S. золотистый , Mycobacterium smegmatis и Mycobacterium bovis при обработке наночастиц оксида цинка в сочетании с низкой дозой противотуберкулезного препарата рифампицин (0,7 мкг / мл) наблюдалось значительное снижение их роста. Эти патогены были полностью уничтожены при инкубации в течение 24 часов с наночастицами оксида цинка 1000 мкг / мл. Таким образом, делается вывод, что при повторении той же дозы пациент с такими инфекционными заболеваниями может быть полностью излечен. Также было отмечено, что размер наночастиц оксида цинка в диапазоне от 50 до 500 нм оказывает идентичный эффект на подавление роста бактерий.

Цитотоксичность оксида цинка изучалась многими исследователями на различных микробах и системах растений [71,72,73,74]. Токсичность наночастиц оксида цинка зависит от концентрации и растворимости. Было показано, что максимальная экспозиционная концентрация суспензии оксида цинка (125 мг / л) высвобождает 6,8 мг / л Zn ²⁺ ионы. Токсичность - это совместное действие наночастиц оксида цинка и Zn ²⁺ ионы высвобождаются в водной среде. Однако было обнаружено минимальное влияние ионов металлов, что позволяет предположить, что подавление роста бактерий в основном связано с взаимодействием наночастиц оксида цинка с микроорганизмами. Цитотоксический эффект конкретной наночастицы оксида металла зависит от вида, что отражается в зоне подавления роста некоторых бактерий [75].

Было высказано предположение, что подавление роста бактериальных клеток происходит в основном за счет Zn ²⁺ ионы, которые образуются в результате внеклеточного растворения наночастиц оксида цинка [76]. Cho et al. [77] пришли к выводу из своих исследований на крысах, что наночастицы оксида цинка остаются неповрежденными при примерно нейтральном или биологическом pH, но быстро растворяются в кислых условиях (pH 4,5) в лизосомах микробов, что приводит к их гибели. Это верно, потому что в кислой среде оксид цинка растворяется и Zn ²⁺ образуются ионы, которые связываются с биомолекулами внутри бактериальной клетки, препятствуя их росту.

Было показано, что наночастицы оксида цинка цитотоксичны для различных первичных иммунокомпетентных клеток. Транскриптомический анализ показал, что наночастицы имеют общую генную сигнатуру с активацией генов металлотионеина, приписываемой растворению наночастиц [78]. Однако нельзя было установить, был ли абсорбированный цинк Zn ²⁺ или оксид цинка, или и то, и другое, хотя наночастицы оксида цинка меньшего размера имеют более высокую концентрацию в крови, чем более крупные (19 и> 100 нм). Эффективность наночастиц оксида цинка зависит в основном от среды реакции с образованием Zn ²⁺ и их проникновение в клетку.

Chiang et al. [79] сообщили, что диссоциация наночастиц оксида цинка приводит к разрушению клеточного гомеостаза цинка. Характерные свойства наночастиц и их влияние на биологические функции полностью отличаются от свойств массивного материала [80]. Агрегация наночастиц влияет на цитотоксичность макрофагов, а их концентрация помогает модулировать агрегацию наночастиц. Низкая концентрация наночастиц оксида цинка неэффективна, но при более высокой концентрации (100 мкг / мл) они проявляют цитотоксичность, которая варьируется от одного патогена к другому.

Случайное использование наночастиц оксида цинка может иногда отрицательно повлиять на живую систему. Их апоптоз и генотоксический потенциал в клетках печени человека и клеточная токсичность были изучены. Было обнаружено, что снижение жизнеспособности клеток печени происходит при воздействии на них 14–20 мкг / мл наночастиц оксида цинка в течение 12 часов. Он также вызывал повреждение ДНК из-за окислительного стресса. Sawai et al. [56] показали, что образование АФК прямо пропорционально концентрации порошка оксида цинка. АФК вызывают снижение мембранного потенциала митохондрий, что приводит к апоптозу [81]. Поглощение наночастиц клетками не обязательно для возникновения цитотоксичности.

Зависимая от размера антибактериальная активность наночастиц оксида цинка

В исследовании Azam et al. [82] сообщили, что антимикробная активность против грамотрицательных ( E. coli и П. aeruginosa ) и грамположительные ( S. и Bacillus subtilis ) бактерий увеличивалось с увеличением отношения поверхности к объему из-за уменьшения размера наночастиц оксида цинка. Более того, в этом исследовании наночастицы оксида цинка показали максимальное (25 мм) ингибирование роста бактерий против B. subtilis (Рис. 1).

Антибактериальная активность и / или зона ингибирования, создаваемая наночастицами оксида цинка, в отношении грамположительных и грамотрицательных бактериальных штаммов, а именно a кишечная палочка , b Золотистый стафилококк , c синегнойная палочка , и d Bacillus subtilis [82]

Сообщалось, что наночастицы оксида цинка меньшего размера обладают большей антибактериальной активностью, чем микрочастицы [83]. Например, Au ⁵⁵ Было продемонстрировано, что наночастицы размером 1,4 нм взаимодействуют с основными бороздками ДНК, что объясняет их токсичность [84]. Хотя были получены противоречивые результаты, многие исследователи показали положительный эффект наночастиц оксида цинка на бактериальные клетки. Однако Brayner et al. [63] из изображений ПЭМ показали, что наночастицы оксида цинка размером 10–14 нм были интернализованы (при воздействии микробов) и повредили мембрану бактериальной клетки. Также важно, чтобы наночастицы цинка / оксида цинка не были токсичными для человека, поскольку они токсичны для Т-клеток с концентрацией выше 5 мМ [85] и для клеток нейробластомы с концентрацией выше 1,2 мМ [86]. Наир и др. [87] исследовали исключительно влияние размера наночастиц оксида цинка на токсичность для бактерий и клеток человека. Они изучили влияние наночастиц оксида цинка как на грамположительные, так и на грамотрицательные бактерии и клеточные линии рака остеобластов (MG-63).

Известно, что антибактериальная активность наночастиц оксида цинка обратно пропорциональна их размеру и прямо пропорциональна их концентрации [88]. Также было замечено, что для активации не требуется ультрафиолетовый свет; он функционирует как при нормальном, так и при рассеянном солнечном свете. Цитотоксическая активность, возможно, связана как с производством АФК, так и с накоплением наночастиц в цитоплазме или на внешней клеточной мембране. Однако производство H ₂ О ₂ и его участие в активации наночастиц нельзя игнорировать. Рагхупати и др. [88] синтезировали наночастицы оксида цинка из различных солей цинка и обнаружили, что наночастицы, полученные из Zn (NO ₃ ) ₂ были наименьшими по размеру (12 нм) и наибольшими по площади поверхности (90,4). Авторы показали, что ингибирование роста S. золотистый при концентрации 6 мМ наночастиц оксида цинка зависит от размера. Из определения жизнеспособных клеток во время воздействия на бактериальные клетки наночастиц оксида цинка также было указано, что количество восстановленных клеток значительно уменьшалось с уменьшением размера наночастиц оксида цинка. Джонс и др. [89] показали, что наночастицы оксида цинка диаметром 8 нм ингибируют рост S. золотистый , Э. coli , и Б. subtilis. Были отобраны наночастицы оксида цинка в диапазоне от 12 до 307 нм, которые подтвердили взаимосвязь между антибактериальной активностью и их размером. Их токсичность для микробов была приписана образованию Zn ²⁺ ионы из оксида цинка, когда он суспендирован в воде, а также в некоторой степени с небольшим изменением pH. Поскольку Zn ²⁺ ионы почти не высвобождаются из наночастиц оксида цинка, антибактериальная активность в основном обеспечивается за счет более мелких наночастиц оксида цинка. Когда размер составляет 12 нм, он подавляет рост S. золотистый , но когда размер превышает 100 нм, ингибирующий эффект минимален [89].

Форма, состав и цитотоксичность наночастиц оксида цинка

Наночастицы оксида цинка показали цитотоксичность в зависимости от концентрации и типа клеток, подверженных воздействию, из-за разной чувствительности [90, 91]. Саху и др. [90] подчеркнули разницу цитотоксичности между размером частиц и разную чувствительность клеток к частицам одного и того же состава. В другом недавнем исследовании Ng et al. [91] исследовали зависящую от концентрации цитотоксичность в клетках MRC5 легких человека. Авторы сообщили о поглощении и интернализации наночастиц оксида цинка в MRC5-клетках легких человека с помощью ПЭМ-исследования. Эти частицы были замечены в цитоплазме клеток в виде электронно-плотных кластеров, которые, как также наблюдали, были заключены в пузырьки, в то время как наночастицы оксида цинка не были обнаружены в необработанных контрольных клетках. Папавласопулос и др. [92] синтезировали тетраподы наночастиц оксида цинка совершенно новым способом, известным как «подход к синтезу с переносом пламени». Тетраподы имеют другую морфологию по сравнению с наночастицами оксида цинка, синтезируемыми традиционным способом. Их взаимодействие с клетками фибробластов млекопитающих in vitro показало, что их токсичность значительно ниже, чем у сферических наночастиц оксида цинка. Тетраподы демонстрируют гексагональную кристаллическую структуру вюрцита с чередованием Zn ²⁺ и O ²⁻ ионы с трехмерной геометрией. Они блокируют проникновение вирусов в живые клетки, что дополнительно усиливается за счет точного освещения их УФ-излучением. Поскольку тетраподы из оксида цинка имеют в своей структуре кислородные вакансии, Herpes simplex вирусы прикрепляются через гепарансульфат и не могут проникать в клетки организма. Таким образом, они предотвращают инфицирование ВПГ-1 и ВПГ-2 in vitro. Следовательно, тетраподы из оксида цинка могут использоваться в качестве профилактического средства против этих вирусных инфекций. Цитотоксичность наночастиц оксида цинка также зависит от скорости пролиферации клеток млекопитающих [66, 93]. Поверхностная реакционная способность и токсичность также можно изменять, контролируя кислородную вакансию у четвероногих оксидов цинка. Под воздействием УФ-излучения кислородная вакансия у четвероногих легко увеличивается. В качестве альтернативы кислородные вакансии можно уменьшить, нагревая их в богатой кислородом среде. Таким образом, это уникальное свойство четвероногих оксидов цинка, которое может быть изменено по желанию, что, следовательно, изменяет их антимикробную эффективность.

Исследования на животных показали усиление легочного воспаления, окислительного стресса и т. Д. При респираторном воздействии наночастиц [94]. Ян и др. [95] исследовали цитотоксичность, генотоксичность и окислительный стресс наночастиц оксида цинка на первичных клетках фибробластов эмбриона мыши. Было обнаружено, что наночастицы оксида цинка вызывают значительно большую цитотоксичность, чем цитотоксичность, вызываемая углеродом и SiO ₂ наночастицы. Это было дополнительно подтверждено измерениями истощения глутатиона, продукции малонового диальдегида, ингибирования супероксиддисмутазы и генерации ROS. Возможные цитотоксические эффекты различных наночастиц объясняются их формой.

Наночастицы с полимерным покрытием

Многие бактериальные инфекции передаются при контакте с дверными ручками, клавиатурой, водопроводными кранами, ваннами и телефонами; поэтому важно разработать и покрыть такие поверхности недорогими передовыми антибактериальными веществами, чтобы предотвратить их рост. Важно использовать антибактериальные вещества в таких концентрациях, чтобы они убивали патогены, но щадили людей. Это может произойти только в том случае, если они будут покрыты биосовместимым гидрофильным полимером невысокой стоимости. Schwartz et al. [96] сообщили о получении нового гидрогеля антимикробного композиционного материала путем смешивания биосовместимого поли ( N -изопропилакриламид) с наночастицами оксида цинка. СЭМ-изображение композитной пленки показало равномерное распределение наночастиц оксида цинка. Он проявил антибактериальную активность против E. coli при очень низкой концентрации оксида цинка (1,33 мМ). Также было обнаружено, что покрытие нетоксично по отношению к линии клеток млекопитающих (N1H / 3T3) в течение 1 недели. Нанокомпозит оксид цинка / гидрогель можно безопасно использовать в качестве биомедицинского покрытия для предотвращения заражения людей бактериальными инфекциями.

Хотя наночастицы оксида цинка стабильны, они были дополнительно стабилизированы путем покрытия их различными полимерами, такими как поливинилпирролидон (ПВП), поливиниловый спирт ( ПВС ), поли (α, γ, 1-глутаминовая кислота) (PGA), полиэтиленгликоль (PEG), хитозан и декстран [97, 98]. Антибактериальная активность созданных наночастиц оксида цинка была исследована в отношении грамотрицательных и грамположительных патогенов, а именно E. coli и С. золотистый и по сравнению с коммерческим порошком оксида цинка. Сферические наночастицы оксида цинка с полимерным покрытием показали максимальное разрушение бактериальных клеток по сравнению с порошком оксида цинка в массе [99]. Поскольку наночастицы, покрытые полимерами, менее токсичны из-за их низкой растворимости и замедленного высвобождения, их цитотоксичность можно контролировать, покрывая их подходящим полимером.

Влияние размера и формы частиц наночастиц с полимерным покрытием на антибактериальную активность

Э. coli и С. золотистый exposed to different concentrations of poly ethylene glycol (PEG)-coated zinc oxide nanoparticles (1–7 mM) of varying size (401 nm–1.2 μm) showed that the antimicrobial activity increases with decreasing size and increasing concentration of nanoparticles. However, the effective concentration in all these cases was above 5 mM. There occurs a drastic change in cell morphology of E. coli surface which can be seen from the SEM images of bacteria before and after their exposure to zinc oxide nanoparticles [84]. It has been nicely demonstrated by Nair et al. [87] that PEG-capped zinc oxide particles and zinc oxide nanorods are toxic to human osteoblast cancer cells (MG-63) at concentration above 100 μM. The PEG starch-coated nanorods/nanoparticles do not damage the healthy cells.

In Vivo and In Vitro Antimicrobial Activity for Wound Dressing

Of all natural and synthetic wound dressing materials, the chitosan hydrogel microporous bandages laced with zinc oxide nanoparticles developed by Kumar et al. [100] are highly effective in treating burns, wounds, and diabetic foot ulcers. The nanoparticles of approximately 70–120 nm are dispersed on the surface of the bandage. The degradation products of chitosan were identified as d-glucosamine and glycosamine glycan. They are nontoxic to the cells because they are already present in our body for the healing of injury. The wound generally contains P. aeruginosa , S. intermedicus , and S. hyicus which were also identified from the swab of mice wound and successfully treated with chitosan zinc oxide bandage in about 3 weeks [100].

Effect of Doping on Toxicity of Zinc Oxide Nanoparticles

Doping of zinc oxide nanoparticles with iron reduces the toxicity. The concentration of Zn ²⁺ and zinc oxide nanoparticles is also an important factor for toxicity. The concentration that reduced 50% viability in microbial cells exposed to nano- and microsize zinc oxide is very close to the concentration of Zn ²⁺ that induced 50% reduction in viability in Zn ²⁺ -treated cells [101, 102].

Coating of zinc oxide nanoparticles with mercaptopropyl trimethoxysilane or SiO₂ reduces their cytotoxicity [103]. On the contrary, Gilbert et al. [104] showed that in BEAS-2B cells, uptake of zinc oxide nanoparticles is the main mechanism of zinc accumulation. Also, they have suggested that zinc oxide nanoparticles dissolve completely generating Zn ²⁺ ions which are bonded to biomolecules of the target cells. However, the toxicity of zinc oxide nanoparticles depends on the uptake and their subsequent interaction with target cells.

Interaction Mechanism of Zinc Oxide Nanoparticles

Nanoparticles may be toxic to some microorganisms, but they may be essential nutrients to some of them [55, 105]. Nanotoxicity is essentially related to the microbial cell membrane damage leading to the entry of nanoparticles into the cytoplasm and their accumulation [55]. The impact of nanoparticles on the growth of bacteria and viruses largely depends on particle size, shape, concentration, agglomeration, colloidal formulation, and pH of the media [106,107,108]. The mechanism of antimicrobial activity of zinc oxide nanoparticles has been depicted in Fig. 2.

Mechanisms of zinc oxide nanoparticle antimicrobial activity

Zinc oxide nanoparticles are generally less toxic than silver nanoparticles in a broad range of concentrations (20 to 100 mg/l) with average particle size of 480 nm [55, 62, 63]. Metal oxide nanoparticles damage the cell membrane and DNA [63, 109,110,111] of microbes via diffusion. However, the production of ROS through photocatalysis causing bacterial cell death cannot be ignored [112]. UV-Vis spectrum of zinc oxide nanoparticle suspension in aqueous medium exhibits peaks between 370 and 385 nm [113]. It has been shown that it produces ROS (hydroxyl radicals, superoxides, and hydrogen peroxide) in the presence of moisture which ostensibly react with bacterial cell material such as protein, lipids, and DNA, eventually causing apoptosis. Xie et al. [114] have examined the influence of zinc oxide nanoparticles on Campylobacter jejuni cell morphology using SEM images (Fig. 3). After a 12-h treatment (0.5 mg/ml), C. jejuni was found to be extremely sensitive and cells transformed from spiral shape to coccoid forms. SEM studies showed the ascendency of coccoid forms in the treated cells and display the formation of irregular cell surfaces and cell wall blebs (Fig. 3a). Moreover, these coccoid cells remained intact and possessed sheathed polar flagella. However, SEM image of the untreated cells clearly showed spiral shapes (Fig. 3b). In general, it has been demonstrated from SEM and TEM images of bacterial cells treated with zinc oxide nanoparticles that they get ruptured and, in many cases, the nanoparticles damage the cell wall forcing their entry into it [114, 115].

SEM images of Campylobacter jejuni . а Untreated cells from the same growth conditions were used as a control. б К. jejuni cells in the mid-log phase of growth were treated with 0.5 mg/ml of zinc oxide nanoparticles for 12 h under microaerobic conditions [114]

Zinc oxide nanoparticles have high impact on the cell surface and may be activated when exposed to UV-Vis light to generate ROS (H₂ О ₂ ) which permeate into the cell body while the negatively charged ROS species such as O₂ ^2– remain on the cell surface and affect their integrity [116, 117]. Anti-bacterial activity of zinc oxide nanoparticles against many other bacteria has also been reported [1, 5, 114, 115]. It has been shown from TEM images that the nanoparticles have high impact on the cell surface (Fig. 4).

а TEM images of untreated normal Salmonella typhimurium клетки. б Effects of nanoparticles on the cells (marked with arrows). c , d Micrograph of deteriorated and ruptured S. typhimurium cells treated with zinc oxide nanoparticles [115]

Sinha et al. [118] have also shown the influence of zinc oxide nanoparticles and silver nanoparticles on the growth, membrane structure, and their accumulation in cytoplasm of (a) mesophiles:Enterobacter sp. (gram negative) and B. subtilis (gram positive) and (b) halophiles:halophilic bacterium sp. (gram positive) and Marinobacter sp. (gram negative). Nanotoxicity of zinc oxide nanoparticles against halophilic gram-negative Marinobacter species and gram-positive halophilic bacterial species showed 80% growth inhibition. It was demonstrated that zinc oxide nanoparticles below 5 mM concentration are ineffective against bacteria. The bulk zinc oxide also did not affect the growth rate and viable counts, although they showed substantial decrease in these parameters. Enterobacter species showed dramatic alterations in cell morphology and reduction in size when treated with zinc oxide.

TEM images shown by Akbar and Anal [115] revealed the disrupted cell membrane and accumulation of zinc oxide nanoparticles in the cytoplasm (Fig. 4) which was further confirmed by FTIR, XRD, and SEM. It has been suggested that Zn ²⁺ ions are attached to the biomolecules in the bacterial cell via electrostatic forces. They are actually coordinated with the protein molecules through the lone pair of electrons on the nitrogen atom of protein part. Although there is significant impact of zinc oxide nanoparticles on both the aquatic and terrestrial microorganisms and human system, it is yet to be established whether it is due to nanoparticles alone or is a combined effect of the zinc oxide nanoparticles and Zn ²⁺ ions [55, 106, 109, 119]. Antibacterial influence of metal oxide nanoparticles includes its diffusion into the bacterial cell, followed by release of metal ions and DNA damage leading to cell death [63, 109,110,111]. The generation of ROS through photocatalysis is also a reason of antibacterial activity [62, 112]. Wahab et al. [120] have shown that when zinc oxide nanoparticles are ingested, their surface area is increased followed by increased absorption and interaction with both the pathogens and the enzymes. Zinc oxide nanoparticles can therefore be used in preventing the biological system from infections. It is clear from TEM images (Fig. 5a, b) of E. coli incubated for 18 h with MIC of zinc oxide nanoparticles that they had adhered to the bacterial cell wall. The outer cell membrane was ruptured leading to cell lysis. In some cases, the cell cleavage of the microbes has not been noticed, but the zinc oxide nanoparticles can yet be seen entering the inner cell wall (Fig. 5c, d). As a consequence of it, the intracellular material leaks out leading to cell death, regardless of the thickness of bacterial cell wall.

TEM images of Escherichia coli ( а ), zinc oxide nanoparticles with E. coli at different stages (b and inset), Klebsiella pneumoniae ( c ), and zinc oxide nanoparticles with K. pneumoniae ( д and inset) [120]

Mechanism of interaction of zinc oxide nanoparticles with bacterial cells has been outlined below [120]. Zinc oxide absorbs UV-Vis light from the sun and splits the elements of water.

Dissolved oxygen molecules are transformed into superoxide, O₂ ^- , which in turn reacts with H ⁺ to generate HO₂ radical and after collision with electrons produces hydrogen peroxide anion, HO₂ ^- . They subsequently react with H ⁺ ions to produce H₂ О ₂ .

It has been suggested that negatively charged hydroxyl radicals and superoxide ions cannot penetrate into the cell membrane. The free radicals are so reactive that they cannot stay in free and, therefore, they can either form a molecule or react with a counter ion to give another molecule. However, it is true that zinc oxide can absorb sun light and help in cleaving water molecules which may combine in many ways to give oxygen. Mechanism of oxygen production in the presence of zinc oxide nanoparticles still needs experimental evidence.

Zinc oxide at a dose of 5 μg/ml has been found to be highly effective for all the microorganisms which can be taken as minimum inhibitory dose.

Выводы

Zinc is an indispensable inorganic element universally used in medicine, biology, and industry. Its daily intake in an adult is 8–15 mg/day, of which approximately 5–6 mg/day is lost through urine and sweat. Also, it is an essential constituent of bones, teeth, enzymes, and many functional proteins. Zinc metal is an essential trace element for man, animal, plant, and bacterial growth while zinc oxide nanoparticles are toxic to many fungi, viruses, and bacteria. People with inherent genetic deficiency of soluble zinc-binding protein suffer from acrodermatitis enteropathica, a genetic disease indicated by python like rough and scaly skin. Although conflicting reports have been received about nanoparticles due to their inadvertent use and disposal, some metal oxide nanoparticles are useful to men, animals, and plants. The essential nutrients become harmful when they are taken in excess. Mutagenic potential of zinc oxide has not been thoroughly studied in bacteria even though DNA-damaging potential has been reported. It is true that zinc oxide nanoparticles are activated by absorption of UV light without disturbing the other rays. If zinc oxide nanoparticles produce ROS, they can damage the skin and cannot be used as sun screen. Antibacterial activity may be catalyzed by sunlight, but hopefully, it can prevent the formation of ROS. Zinc oxide nanoparticles and zinc nanoparticles coated with soluble polymeric material may be used for treating wounds, ulcers, and many microbial infections besides being used as drug carrier in cancer therapy. It has great potential as a safe antibacterial drug which may replace antibiotics in future. Application of zinc oxide nanoparticles in different areas of science, medicine, and technology suggests that it is an indispensable substance which is equally important to man and animals. However, longtime exposure with higher concentration may be harmful to living system.