Groen-gesynthetiseerde zinkoxide-nanodeeltjes uit woestijnplanten vertonen een brede antimicrobiële activiteit

Terwijl medicijnresistente infecties blijven toenemen, zoeken onderzoekers naar nieuwe antimicrobiële strategieën die zowel effectief als duurzaam zijn. Eén opkomende aanpak combineert nanotechnologie met ‘groene’ chemie, waarbij plantenextracten worden gebruikt in plaats van agressieve chemicaliën om metaaloxide-nanodeeltjes te produceren.

Een nieuwe studie gepubliceerd in Biomoleculen en biogeneeskunde rapporteert nu dat zinkoxide-nanodeeltjes (ZnONP’s), gebiosynthetiseerd uit vier woestijnplanten met geneeskrachtige eigenschappen, in laboratoriumtests een breed spectrum aan bacteriën, gisten en draadschimmels kunnen remmen. Het werk koppelt ook de rijke fytochemische profielen van de planten aan de stabiliteit en potentie van nanodeeltjes, en maakt gebruik van computermodellen om te onderzoeken hoe belangrijke verbindingen kunnen interageren met microbiële doelwitten.

De studie is de eerste die ZnONP’s produceert van soorten die gedijen in barre, droge omgevingen en die vaak te weinig worden gebruikt of zelfs als invasief worden beschouwd. “Door veerkrachtige woestijnplanten om te zetten in kleine zinkoxidedeeltjes, konden we materialen genereren die zowel milieuvriendelijk zijn om te produceren als verrassend actief zijn tegen een reeks microben”, schrijven de auteurs. “Deze groene nanodeeltjes zouden de basis kunnen vormen voor toekomstige antimicrobiële formuleringen, in afwachting van verdere veiligheids- en werkzaamheidstests.”

Woestijnplanten veranderen in nanodeeltjes

Nanodeeltjes, doorgaans 10-100 nanometer groot, worden onderzocht voor de toediening van medicijnen, antimicrobiële coatings, diagnostiek en meer. Conventionele fysische en chemische methoden voor het maken van nanodeeltjes kunnen duur, energie-intensief en schadelijk voor het milieu zijn.

Groene synthese biedt een duurzamere route. Bij deze benadering fungeren plantenextracten als natuurlijke reducerende, stabiliserende en afdekkende middelen, waarbij ze giftige reagentia vervangen en vaak meer uniforme deeltjes opleveren.

In de nieuwe studie verzamelden onderzoekers de bovengrondse delen van vier woestijnplanten in Tunesië. Na het drogen en vermalen van het plantenmateriaal maakten ze waterige extracten en mengden deze onder verwarming met zinkacetaat om ZnONP’s te vormen. De resulterende nanodeeltjes werden genoemd op basis van hun plantaardige bron:

• Thymelaea hirsuta
• Aloë vera
• Retama monosperma
• Peganum-harmala

Alle vier de planten hebben een geschiedenis van traditioneel medicinaal gebruik, waaronder ontstekingsremmende, antioxiderende en antibacteriële toepassingen, waardoor ze veelbelovende kandidaten zijn voor groene nanotechnologie.

UV-Vis-spectroscopie bevestigde de vorming van zinkoxide, terwijl andere technieken de grootte en oppervlaktechemie van de deeltjes karakteriseerden. De van planten afkomstige verbindingen die de nanodeeltjes omhullen, omvatten fenolzuren en flavonoïden, die bekend staan ​​om hun antioxiderende en bioactieve eigenschappen en waarschijnlijk hebben bijgedragen aan het stabiliseren van de deeltjes.

“Deze planten produceren van nature een verscheidenheid aan fenol- en flavonoïdeverbindingen”, leggen de onderzoekers uit. “In ons systeem lijken die moleculen een dubbele rol te spelen: ze stimuleren de vorming van zinkoxide-nanodeeltjes en dragen bij aan hun biologische effecten.”

Brede antimicrobiële activiteit in het laboratorium

Om het antimicrobiële potentieel te beoordelen, heeft het team een ​​panel van klinisch relevante microben blootgesteld aan de plantaardige ZnONP’s. Het panel bestond uit Gram-positieve en Gram-negatieve bacteriën, Candida-gisten en Aspergillus-schimmels.

In deze groepen vertoonden de groen-gesynthetiseerde ZnONP’s opmerkelijke remmende effecten:

• Bacteriën: Nanodeeltjes afgeleid van Aloë vera produceerden de grootste remmingszones tegen bepaalde Gram-positieve bacteriën, terwijl die van Thymelaea hirsuta, Retama monosperma en Peganum Harmala ook de groei onderdrukten, vooral van Staphylococcus aureus en Micrococcus luteus.
• Gisten: Aloë vera ZnONPs remden alle geteste Candida-soorten, en Peganum Harmala ZnONPs vertoonden een sterke activiteit tegen Cryptococcus neoformans.
• Filamenteuze schimmels: ZnONP’s uit Peganum Harmala en Aloë vera waren vooral effectief tegen Aspergillus-soorten, waaronder A. fumigatus, een belangrijke veroorzaker van invasieve schimmelziekten.

Daarentegen hadden de overeenkomstige plantenextracten en zinkacetaat alleen in de meeste gevallen zwakke of verwaarloosbare antimicrobiële effecten. Dit suggereert dat het transformeren van het zinkzout en de biomoleculen van planten in structuren op nanoschaal hun antimicrobiële potentie aanzienlijk verbetert.

Hoe de verbindingen zouden kunnen werken

Om inzicht te krijgen in mogelijke mechanismen, gebruikten de onderzoekers moleculaire koppeling om te modelleren hoe geselecteerde, van planten afkomstige verbindingen zouden kunnen interageren met microbiële eiwitdoelen. Ze concentreerden zich op enzymen en lectines die relevant zijn voor de biologie van bacteriën en schimmels.

Verschillende fytochemicaliën vertoonden een sterke voorspelde binding aan bacteriële en schimmelenzymen, waarbij meerdere waterstofbruggen werden gevormd binnen de actieve site-pockets. Veel verbindingen vertoonden ook gunstige geneesmiddelgelijkenis- en biologische beschikbaarheidsprofielen in computationele farmacokinetische analyses, en er werd voorspeld dat ze chemisch toegankelijk waren voor synthese.

Deze in silico-bevindingen vervangen de experimentele validatie niet, maar ondersteunen het idee dat zowel de zinkoxidekern als de van planten afkomstige oppervlaktemoleculen kunnen bijdragen aan de waargenomen antimicrobiële effecten.

“Onze computationele resultaten suggereren dat specifieke fytochemicaliën geassocieerd met de nanodeeltjes belangrijke microbiële doelen kunnen aangrijpen”, merken de auteurs op. “Dit, samen met de bekende eigenschappen van zinkoxide zelf, kan de breedspectrumactiviteit die we hebben waargenomen helpen verklaren.”

Belofte en voorzorgsmaatregelen

De studie benadrukt verschillende potentiële voordelen van plantaardige ZnONP’s:

• Ze kunnen via een groen, goedkoop proces worden geproduceerd uit onderbenutte woestijnplanten.
• Ze vertonen een brede antimicrobiële activiteit tegen bacteriën, gisten en schimmels, en presteren vaak beter dan de originele plantenextracten of zinkzouten.
• Hun fytochemische coating kan extra mogelijkheden bieden om de stabiliteit en biologische activiteit af te stemmen.

De onderzoekers benadrukken echter dat het werk zich in een vroeg stadium bevindt.

Verdere studies zijn nodig om de grootte en uniformiteit van nanodeeltjes te optimaliseren, de stabiliteit op lange termijn te evalueren en de veiligheid te beoordelen, inclusief cytotoxiciteit voor menselijke cellen en milieueffecten. In vivo modellen en real-world formuleringen zullen ook essentieel zijn voordat klinische of industriële toepassingen kunnen worden overwogen.

Toch bieden de resultaten een basis voor het onderzoeken van groen-gesynthetiseerde zinkoxide-nanodeeltjes als onderdeel van een bredere toolkit tegen microbiële infecties, vooral in een tijdperk van toenemende antimicrobiële resistentie en groeiende vraag naar duurzame technologieën.