Propiedades de las nanopartículas de óxido de zinc y su actividad contra los microbios
Resumen
El óxido de zinc es un ingrediente esencial de muchas enzimas, protectores solares y ungüentos para aliviar el dolor y la picazón. Sus microcristales son absorbentes de luz muy eficientes en la región de los espectros UVA y UVB debido a la amplia banda prohibida. El impacto del óxido de zinc en las funciones biológicas depende de su morfología, tamaño de partícula, tiempo de exposición, concentración, pH y biocompatibilidad. Son más eficaces contra microorganismos como Bacillus subtilis , Bacillus megaterium , Staphylococcus aureus , Sarcina lutea , Escherichia coli , Pseudomonas aeruginosa , neumonía por Klebsiella , Pseudomonas vulgaris , Candida albicans y Aspergillus niger . El mecanismo de acción se ha atribuido a la activación de nanopartículas de óxido de zinc por la luz, que penetran en la pared celular bacteriana por difusión. Se ha confirmado a partir de imágenes SEM y TEM de las células bacterianas que las nanopartículas de óxido de zinc desintegran la membrana celular y se acumulan en el citoplasma, donde interactúan con las biomoléculas, lo que provoca la apoptosis celular que conduce a la muerte celular.
Antecedentes
La nanotecnología se ocupa de la fabricación y aplicación de materiales con un tamaño de hasta 100 nm. Se utilizan ampliamente en una serie de procesos que incluyen ciencia de materiales, agricultura, industria alimentaria, cosmética, aplicaciones médicas y de diagnóstico [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Los compuestos inorgánicos de tamaño nanométrico han mostrado una notable actividad antibacteriana a concentraciones muy bajas debido a su alta relación superficie / volumen y características químicas y físicas únicas [11]. Además, estas partículas también son más estables a alta temperatura y presión [12]. Algunos de ellos son reconocidos como no tóxicos e incluso contienen elementos minerales que son vitales para el cuerpo humano [13]. Se ha informado que los materiales inorgánicos más antibacterianos son las nanopartículas metálicas y las nanopartículas de óxidos metálicos como plata, oro, cobre, óxido de titanio y óxido de zinc [14, 15].
El zinc es un oligoelemento esencial para el sistema humano sin el cual muchas enzimas como la anhidrasa carbónica, la carboxipeptidasa y la alcohol deshidrogenasa se vuelven inactivas, mientras que los otros dos miembros, el cadmio y el mercurio que pertenecen al mismo grupo de elementos que tienen la misma configuración electrónica, son tóxicos. . Es esencial para los eucariotas porque modula muchas funciones fisiológicas [16, 17]. La sal de bambú, que contiene zinc, se usa como medicina herbal para el tratamiento de la inflamación al regular la actividad de la caspasa-1. Se ha demostrado que las nanopartículas de óxido de zinc reducen la expresión de ARNm de citocinas inflamatorias al inhibir la activación de NF-kB (células B del factor nuclear kappa) [18].
A nivel mundial, las infecciones bacterianas se reconocen como un problema de salud grave. Están aumentando las nuevas mutaciones bacterianas, la resistencia a los antibióticos, los brotes de cepas patógenas, etc., por lo que el desarrollo de agentes antibacterianos más eficientes es la demanda del momento. El óxido de zinc es conocido por sus propiedades antibacterianas desde tiempos inmemoriales [19]. Había estado en uso durante el régimen de los faraones, y los registros históricos muestran que el óxido de zinc se usó en muchos ungüentos para el tratamiento de heridas y forúnculos incluso en 2000 aC [20]. Todavía se utiliza en lociones de protección solar, como suplemento, material fotoconductor, LED, transistores transparentes, células solares, dispositivos de memoria [21, 22], cosméticos [23, 24] y catálisis [25]. Aunque cada año se produce una cantidad considerable de ZnO, se utiliza una cantidad muy pequeña como medicamento [26]. La Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos ha reconocido (21 CFR 182.8991) el óxido de zinc como seguro [27]. Se caracteriza por tener propiedades fotocatalíticas y fotooxidantes frente a productos bioquímicos [28].
El óxido de zinc ha sido clasificado por la clasificación de peligro de la UE como N; R50-53 (ecotóxico). Los compuestos de zinc son ecotóxicos para mamíferos y plantas en trazas [29, 30]. El cuerpo humano contiene alrededor de 2 a 3 g de zinc y el requerimiento diario es de 10 a 15 mg [29, 31]. Ningún informe ha demostrado carcinogenicidad, genotoxicidad y toxicidad para la reproducción en humanos [29, 32]. Sin embargo, el polvo de zinc inhalado o ingerido puede producir una afección llamada fiebre del zinc, seguida de escalofríos, fiebre, tos, etc.
La morfología de las nanopartículas de óxido de zinc depende del proceso de síntesis. Pueden ser nanobarras, nanoplacas [33,34,35], nanoesferas [36], nanocajas [35], hexagonales, trípodes [37], tetrápodos [38], nanocables, nanotubos, nanorings [39,40,41], nanocajas y nanoflores [42, 43]. Las nanopartículas de óxido de zinc son más activas contra las bacterias grampositivas en comparación con otras NP del mismo grupo de elementos. Los alimentos listos para comer son más propensos a la infección por Salmonella , Staphylococcus aureus y E. coli que suponen un gran desafío para la seguridad y la calidad de los alimentos. Los compuestos antimicrobianos se incorporan en los alimentos envasados para evitar que se dañen. Los envases antimicrobianos contienen un material no tóxico que inhibe o ralentiza el crecimiento de microbios presentes en los alimentos o el material de envasado [44]. Una sustancia antimicrobiana para consumo humano debe poseer las siguientes propiedades.
- a)
No debe ser tóxico.
- b)
No debe reaccionar con alimentos o recipientes.
- c)
Debe ser de buen gusto o insípido.
- d)
No debe tener un olor desagradable.
La nanopartícula de óxido de zinc es uno de estos óxidos metálicos inorgánicos que cumple todos los requisitos anteriores y, por lo tanto, se puede utilizar de forma segura como medicamento, conservante en envases y agente antimicrobiano [45, 46]. Se difunde fácilmente en el material alimenticio, mata los microbios y evita que el ser humano se enferme. De acuerdo con las regulaciones 1935/2004 / EC y 450/2009 / EC de la Unión Europea, el envasado activo se define como material activo en contacto con alimentos con capacidad para cambiar la composición del alimento o la atmósfera que lo rodea [47]. Por lo tanto, se utiliza comúnmente como conservante y se incorpora en material de envasado polimérico para evitar que los microbios dañen el material alimentario [48]. Se han utilizado nanopartículas de óxido de zinc como sustancia antibacteriana contra Salmonella typhi y S. aureus in vitro. De todas las nanopartículas de óxido metálico estudiadas hasta ahora, las nanopartículas de óxido de zinc exhibieron la mayor toxicidad contra los microorganismos [49]. También se ha demostrado a partir de imágenes SEM y TEM que las nanopartículas de óxido de zinc primero dañan la pared celular bacteriana, luego penetran y finalmente se acumulan en la membrana celular. Interfieren con las funciones metabólicas de los microbios provocando su muerte. Todas las características de las nanopartículas de óxido de zinc dependen de su tamaño de partícula, forma, concentración y tiempo de exposición a la célula bacteriana. Además, también se han examinado estudios de biodistribución de nanopartículas de óxido de zinc. Por ejemplo, Wang et al. [50] han investigado el efecto de la exposición a largo plazo de nanopartículas de óxido de zinc sobre la biodistribución y el metabolismo del zinc en ratones durante 3 a 35 semanas. Sus resultados mostraron una toxicidad mínima para los ratones cuando fueron expuestos a 50 y 500 mg / kg de nanopartículas de óxido de zinc en la dieta. A dosis más altas de 5000 mg / kg, la nanopartícula de óxido de zinc disminuyó el peso corporal pero aumentó el peso del páncreas, el cerebro y los pulmones. Además, aumentó la actividad de la transaminasa glutámico-pirúvica sérica y la expresión de ARNm de genes relacionados con el metabolismo del zinc, como la metalotioneína. Los estudios de biodistribución mostraron la acumulación de una cantidad suficiente de zinc en el hígado, el páncreas, los riñones y los huesos. La absorción y distribución de nanopartículas de óxido de zinc / micropartículas de óxido de zinc dependen en gran medida del tamaño de las partículas. Li y col. [51] han estudiado la biodistribución de nanopartículas de óxido de zinc administradas por vía oral o mediante inyección intraperitoneal a ratones de 6 semanas de edad. No se detectó ningún efecto adverso obvio en ratones tratados por vía oral con nanopartículas de óxido de zinc en un estudio de 14 días. Sin embargo, la inyección intraperitoneal de 2,5 g / kg de peso corporal administrada a ratones mostró acumulación de zinc en el corazón, hígado, bazo, pulmón, riñón y testículos. Se observó un aumento de casi nueve veces en las nanopartículas de óxido de zinc en el hígado después de 72 h. Se ha demostrado que las nanopartículas de óxido de zinc tienen una mejor eficacia en la biodistribución del hígado, el bazo y los riñones que en los ratones alimentados por vía oral. Dado que las nanopartículas de óxido de zinc son inocuas en bajas concentraciones, estimulan ciertas enzimas en el hombre y las plantas y suprimen enfermedades. Singh y col. [52] también se ha revisado recientemente la biosíntesis de nanopartículas de óxido de zinc, su absorción, translocación y biotransformación en el sistema vegetal.
En esta revisión, hemos intentado consolidar toda la información sobre las nanopartículas de óxido de zinc como agente antibacteriano. También se ha discutido en detalle el mecanismo de interacción de las nanopartículas de óxido de zinc contra una variedad de microbios.
Actividad antimicrobiana de nanopartículas de óxido de zinc
Es universalmente conocido que las nanopartículas de óxido de zinc son antibacterianas e inhiben el crecimiento de microorganismos al penetrar en la membrana celular. El estrés oxidativo daña lípidos, carbohidratos, proteínas y ADN [53]. La peroxidación de lípidos es, obviamente, la más crucial que conduce a la alteración de la membrana celular que eventualmente interrumpe las funciones celulares vitales [54]. Ha sido respaldado por un mecanismo de estrés oxidativo que involucra nanopartículas de óxido de zinc en Escherichia coli [55]. Sin embargo, para la suspensión de óxido de zinc a granel, la generación externa de H 2 O 2 Se ha sugerido para describir las propiedades antibacterianas [56]. Además, se ha considerado la toxicidad de las nanopartículas, que liberan iones tóxicos. Dado que el óxido de zinc es de naturaleza anfótera, reacciona tanto con ácidos como con álcalis dando Zn 2+ iones.
El Zn 2+ gratuito Los iones se unen inmediatamente a las biomoléculas, como las proteínas y los carbohidratos, y todas las funciones vitales de las bacterias dejan de continuar. La toxicidad del óxido de zinc, las nanopartículas de zinc y el ZnSO 4 · 7H 2 O ha sido probado (Tabla 1) contra Vibrio fischeri . Se encontró que ZnSO 4 · 7H 2 O es seis veces más tóxico que las nanopartículas de óxido de zinc y el óxido de zinc. Las nanopartículas están realmente dispersas en el solvente, no disueltas, y por lo tanto, no pueden liberar Zn 2+ iones. La biodisponibilidad de Zn 2+ iones no siempre es 100% y pueden cambiar invariablemente con el pH fisiológico, el potencial redox y los aniones asociados con él, como Cl - o SO 4 2− .
La solubilidad del óxido de zinc (1,6–5,0 mg / L) en medio acuoso es mayor que la de las nanopartículas de óxido de zinc (0,3–3,6 mg / L) en el mismo medio [57] que es tóxico para las algas y los crustáceos. Tanto el óxido de nano-zinc como el óxido de zinc a granel son entre 40 y 80 veces menos tóxicos que el ZnSO 4 contra V. fischeri . La mayor actividad antibacteriana de ZnSO 4 es directamente proporcional a su solubilidad liberando Zn 2+ iones, que tiene mayor movilidad y mayor afinidad [58] hacia las biomoléculas en la célula bacteriana debido a la carga positiva en el Zn 2+ y carga negativa en las biomoléculas.
Dado que el óxido de zinc y sus nanopartículas tienen una solubilidad limitada, son menos tóxicos para los microbios que el ZnSO 4 altamente soluble. · 7H 2 O. Sin embargo, no es esencial que las nanopartículas de óxido metálico entren en la célula bacteriana para causar toxicidad [59]. El contacto entre las nanopartículas y la pared celular es suficiente para causar toxicidad. Si es correcto, entonces se requieren grandes cantidades de nanopartículas metálicas para que las células bacterianas estén completamente envueltas y protegidas de su entorno, sin dejar ninguna posibilidad de que la nutrición sea absorbida para continuar el proceso de vida. Dado que las nanopartículas y los iones metálicos son más pequeños que las células bacterianas, es más probable que interrumpan la membrana celular e inhiban su crecimiento.
Varios óxidos metálicos de tamaño nanométrico, como ZnO, CuO, Al 2 O 3 , La 2 O 3 , Fe 2 O 3 , SnO 2 y TiO 2 Se ha demostrado que presentan la mayor toxicidad contra E. coli [49]. Las nanopartículas de óxido de zinc se utilizan externamente para el tratamiento de infecciones bacterianas leves, pero el ion zinc es un oligoelemento esencial para algunos virus y seres humanos que aumentan la actividad enzimática de la integrasa viral [45, 60, 61]. También se ha visto respaldada por un aumento del virus de la necrosis pancreática infecciosa del 69,6% cuando se trata con 10 mg / L de Zn [46]. Puede deberse a una mayor solubilidad de los iones Zn en relación con el ZnO solo. Las imágenes SEM y TEM han demostrado que las nanopartículas de óxido de zinc dañan la pared celular bacteriana [55, 62] y aumentan la permeabilidad seguida de su acumulación en E. coli impidiendo su multiplicación [63].
En el pasado reciente, se ha investigado la actividad antibacteriana de las nanopartículas de óxido de zinc contra cuatro bacterias gram-positivas y gram-negativas conocidas, a saber, Staphylococcus aureus , E. coli , Salmonella typhimurium y Klebsiella pneumoniae . Se observó que la dosis inhibidora del crecimiento de las nanopartículas de óxido de zinc fue de 15 μg / ml, aunque en el caso de K. pneumoniae , era tan bajo como 5 μg / ml [63, 64]. Se ha observado que al aumentar la concentración de nanopartículas, aumenta la inhibición del crecimiento de microbios. Cuando se incubaron durante un período de 4-5 h con una concentración máxima de nanopartículas de óxido de zinc de 45 μg / ml, el crecimiento se inhibió fuertemente. Se espera que si se aumenta el tiempo de incubación, la inhibición del crecimiento también aumentaría sin mucha alteración en el mecanismo de acción [63].
Se ha informado de que las nanopartículas de óxido metálico primero dañan la membrana celular bacteriana y luego penetran en ella [64]. También se ha propuesto que la liberación de H 2 O 2 puede ser una alternativa a la actividad antibacteriana [65]. Sin embargo, esta propuesta requiere una prueba experimental porque la mera presencia de nanopartículas de óxido de zinc no es suficiente para producir H 2 O 2 . Las nanopartículas de zinc o las nanopartículas de óxido de zinc de concentración extremadamente baja no pueden causar toxicidad en el sistema humano. La ingesta diaria de zinc a través de los alimentos es necesaria para llevar a cabo las funciones metabólicas habituales. Se sabe que el óxido de zinc protege el estómago y el tracto intestinal del daño de E. coli [sesenta y cinco]. El pH en el estómago varía entre 2 y 5 y, por lo tanto, el óxido de zinc en el estómago puede reaccionar con el ácido para producir Zn 2+ iones. Pueden ayudar a activar la enzima carboxipeptidasa, anhidrasa carbónica y alcohol deshidrogenasa que ayudan en la digestión de carbohidratos y alcohol. Premanathan y col. [66] han informado de la toxicidad de las nanopartículas de óxido de zinc contra las células procariotas y eucariotas. La CMI de las nanopartículas de óxido de zinc contra E. coli , Pseudomonas aeruginosa y S. aureus se encontraron 500 y 125 μg / ml, respectivamente. Se han propuesto dos mecanismos de acción para la toxicidad de las nanopartículas de óxido de zinc, a saber (1) generación de ROS y (2) inducción de apoptosis. Las nanopartículas de óxido metálico inducen la producción de ROS y someten a las células a estrés oxidativo, lo que daña los componentes celulares, es decir, lípidos, proteínas y ADN [67,68,69]. Las nanopartículas de óxido de zinc, por tanto, inducen toxicidad a través de la apoptosis. Son relativamente más tóxicos para las células cancerosas que las células normales, aunque no pueden distinguirlos.
Recientemente, Pati et al. [70] han demostrado que las nanopartículas de óxido de zinc alteran la integridad de la membrana celular bacteriana, reducen la hidrofobicidad de la superficie celular y regulan negativamente la transcripción de genes de resistencia al estrés oxidativo en bacterias. Mejoran la destrucción de bacterias intracelulares al inducir la producción de ROS. Estas nanopartículas interrumpen la formación de biopelículas e inhiben la hemólisis por la toxina de hemolisina producida por patógenos. Se descubrió que la administración intradérmica de nanopartículas de óxido de zinc reduce significativamente la infección e inflamación de la piel en ratones y también mejora la arquitectura de la piel infectada.
Actividad dependiente de la solubilidad y la concentración de la nanopartícula de óxido de zinc
Las nanopartículas también se han utilizado como vehículo para administrar agentes terapéuticos para tratar infecciones bacterianas [1, 9]. Dado que las nanopartículas de óxido de zinc hasta una concentración de 100 μg / ml son inofensivas para las células corporales normales, pueden usarse como una alternativa a los antibióticos. Se encontró que el 90% de las colonias bacterianas perecieron después de exponerlas a una dosis de 500 a 1000 μg / ml de nanopartículas de óxido de zinc solo durante 6 h. Incluso el S. aureus , Mycobacterium smegmatis y Mycobacterium bovis cuando se trataron con nanopartículas de óxido de zinc en combinación con una dosis baja del fármaco antituberculoso, rifampicina (0,7 μg / ml), se observó una reducción significativa en su crecimiento. Estos patógenos fueron completamente destruidos cuando se incubaron durante 24 h con 1000 μg / ml de nanopartículas de óxido de zinc. Por lo tanto, se concluye que si se repite la misma dosis, el paciente con tales enfermedades infecciosas puede curarse por completo. También se observó que el tamaño de las nanopartículas de óxido de zinc entre 50 y 500 nm tiene un efecto idéntico sobre la inhibición del crecimiento bacteriano.
Muchos investigadores han estudiado la citotoxicidad del óxido de zinc en una variedad de microbios y sistemas vegetales [71,72,73,74]. La toxicidad de las nanopartículas de óxido de zinc depende de la concentración y la solubilidad. Se ha demostrado que la concentración máxima de exposición de la suspensión de óxido de zinc (125 mg / l) liberó 6,8 mg / l de Zn 2+ iones. La toxicidad es un efecto combinado de nanopartículas de óxido de zinc y Zn 2+ iones liberados en el medio acuoso. Sin embargo, se detectó un efecto mínimo de los iones metálicos, lo que sugiere que la inhibición del crecimiento bacteriano se debe principalmente a la interacción de las nanopartículas de óxido de zinc con los microorganismos. El efecto citotóxico de una nanopartícula de óxido metálico en particular es sensible a las especies, lo que se refleja en la zona de inhibición del crecimiento de varias bacterias [75].
Se ha sugerido que la inhibición del crecimiento de las células bacterianas se produce principalmente por Zn 2+ iones que se producen por disolución extracelular de nanopartículas de óxido de zinc [76]. Cho y col. [77] han concluido a partir de sus estudios en ratas que las nanopartículas de óxido de zinc permanecen intactas a un pH cercano a neutro o biológico, pero se disuelven rápidamente en condiciones ácidas (pH 4,5) en el lisosoma de los microbios, provocando su muerte. Esto es cierto porque en condiciones ácidas, el óxido de zinc se disuelve y el Zn 2+ Se producen iones que se unen a las biomoléculas dentro de la célula bacteriana inhibiendo su crecimiento.
Se ha demostrado que las nanopartículas de óxido de zinc son citotóxicas para diferentes células inmunocompetentes primarias. El análisis transcriptómico mostró que las nanopartículas tenían una firma genética común con regulación positiva de los genes de metalotioneína atribuidos a la disolución de las nanopartículas [78]. Sin embargo, no se pudo determinar si el zinc absorbido era Zn 2+ u óxido de zinc o ambos, aunque las nanopartículas de óxido de zinc de menor tamaño tienen una mayor concentración en la sangre que las más grandes (19 y> 100 nm). La eficiencia de las nanopartículas de óxido de zinc depende principalmente del medio de reacción para formar Zn 2+ y su penetración en la celda.
Chiang y col. [79] han informado que la disociación de nanopartículas de óxido de zinc da como resultado la destrucción de la homeostasis celular del Zn. Las propiedades características de las nanopartículas y su impacto en las funciones biológicas son completamente diferentes de las del material a granel [80]. La agregación de nanopartículas influye en la citotoxicidad de los macrófagos y su concentración ayuda a modular la agregación de nanopartículas. La baja concentración de nanopartículas de óxido de zinc es ineficaz, pero a concentraciones más altas (100 μg / ml), exhiben citotoxicidad que varía de un patógeno a otro.
El uso involuntario de nanopartículas de óxido de zinc puede, en algún momento, afectar negativamente al sistema vivo. Se ha estudiado su apoptosis y potencial genotóxico en células hepáticas humanas y toxicidad celular. Se encontró que se produce una disminución en la viabilidad de las células hepáticas cuando se exponen a 14-20 μg / ml de nanopartículas de óxido de zinc durante 12 h. También indujo daño al ADN por estrés oxidativo. Sawai y col. [56] han demostrado que la generación de ROS es directamente proporcional a la concentración de polvo de óxido de zinc. ROS desencadenó una disminución del potencial de membrana de las mitocondrias que condujo a la apoptosis [81]. La absorción celular de nanopartículas no es obligatoria para que se produzca la citotoxicidad.
Actividad antibacteriana dependiente del tamaño de las nanopartículas de óxido de zinc
En un estudio, Azam et al. [82] han informado que la actividad antimicrobiana contra gramnegativos ( E. coli y P. aeruginosa ) y grampositivos ( S. y Bacillus subtilis ) las bacterias aumentaron con el aumento de la relación superficie-volumen debido a una disminución en el tamaño de partícula de las nanopartículas de óxido de zinc. Además, en esta investigación, las nanopartículas de óxido de zinc han mostrado una inhibición máxima del crecimiento bacteriano (25 mm) contra B. subtilis (Figura 1).
Actividad antibacteriana y / o zona de inhibición producida por nanopartículas de óxido de zinc contra cepas bacterianas gram-positivas y gram-negativas a saber a Escherichia coli , b Staphylococcus aureus , c Pseudomonas aeruginosa y d Bacillus subtilis [82]
Se ha informado de que el tamaño más pequeño de las nanopartículas de óxido de zinc exhibe una mayor actividad antibacteriana que las partículas a microescala [83]. Por ejemplo, Au 55 Se ha demostrado que las nanopartículas de 1,4 nm de tamaño interactúan con los principales surcos del ADN, lo que explica su toxicidad [84]. Aunque se han informado resultados contradictorios, muchos trabajadores mostraron un efecto positivo de las nanopartículas de óxido de zinc en las células bacterianas. Sin embargo, Brayner et al. [63] a partir de imágenes TEM han demostrado que nanopartículas de óxido de zinc de 10-14 nm se internalizaron (cuando se expusieron a microbios) y dañaron la membrana celular bacteriana. También es esencial que las nanopartículas de zinc / óxido de zinc no sean tóxicas para el ser humano, ya que son tóxicas para las células T por encima de 5 mM [85] y para las células de neuroblastoma por encima de 1,2 mM [86]. Nair y col. [87] han explorado exclusivamente el efecto de tamaño de las nanopartículas de óxido de zinc sobre la toxicidad de las células bacterianas y humanas. Han estudiado la influencia de las nanopartículas de óxido de zinc en las bacterias grampositivas y gramnegativas y en las líneas celulares de cáncer de osteoblastos (MG-63).
Se sabe que la actividad antibacteriana de las nanopartículas de óxido de zinc es inversamente proporcional a su tamaño y directamente proporcional a su concentración [88]. También se ha observado que no requiere luz ultravioleta para su activación; funciona bajo la luz solar normal o incluso difusa. La actividad citotóxica quizás implica tanto la producción de ROS como la acumulación de nanopartículas en el citoplasma o en la membrana celular externa. Sin embargo, la producción de H 2 O 2 y no se puede ignorar su implicación en la activación de nanopartículas. Raghupathi y col. [88] han sintetizado nanopartículas de óxido de zinc a partir de diferentes sales de zinc y han observado que las nanopartículas obtenidas a partir de Zn (NO 3 ) 2 eran los más pequeños en tamaño (12 nm) y los más grandes en superficie (90,4). Los autores han demostrado que la inhibición del crecimiento de S. aureus a una concentración de 6 mM de nanopartículas de óxido de zinc depende del tamaño. También se ha indicado a partir de la determinación de células viables durante la exposición de células bacterianas a nanopartículas de óxido de zinc que el número de células recuperadas disminuyó significativamente con la disminución del tamaño de las nanopartículas de óxido de zinc. Jones y col. [89] han demostrado que las nanopartículas de óxido de zinc de 8 nm de diámetro inhiben el crecimiento de S. aureus , E. coli y B. subtilis. Se seleccionaron nanopartículas de óxido de zinc de entre 12 y 307 nm y se confirmó la relación entre la actividad antibacteriana y su tamaño. Su toxicidad para los microbios se ha atribuido a la formación de Zn 2+ iones de óxido de zinc cuando está suspendido en agua y también hasta cierto punto a un ligero cambio de pH. Desde Zn 2+ Los iones apenas se liberan de las nanopartículas de óxido de zinc, la actividad antibacteriana se debe principalmente a las nanopartículas de óxido de zinc más pequeñas. Cuando el tamaño es de 12 nm, inhibe el crecimiento de S. aureus , pero cuando el tamaño supera los 100 nm, el efecto inhibidor es mínimo [89].
Forma, composición y citotoxicidad de las nanopartículas de óxido de zinc
Las nanopartículas de óxido de zinc han mostrado citotoxicidad de manera dependiente de la concentración y del tipo de células expuestas debido a diferentes sensibilidades [90, 91]. Sahu y col. [90] han destacado la diferencia de citotoxicidad entre el tamaño de partícula y la diferente sensibilidad de las células hacia las partículas de la misma composición. En otro estudio reciente, Ng et al. [91] examinó la citotoxicidad dependiente de la concentración en células MRC5 de pulmón humano. Los autores han informado de la captación e internalización de nanopartículas de óxido de zinc en las células MRC5 del pulmón humano mediante el uso de la investigación TEM. Estas partículas se observaron en el citoplasma de las células en forma de grupos densos en electrones, que se observó además que estaban encerrados por vesículas, mientras que las nanopartículas de óxido de zinc no se encontraron en las células de control sin tratar. Papavlassopoulos y col. [92] han sintetizado tetrápodos de nanopartículas de óxido de zinc mediante una ruta completamente nueva conocida como "enfoque de síntesis de transporte de llama". Los tetrapodos tienen una morfología diferente en comparación con las nanopartículas de óxido de zinc sintetizadas convencionalmente. Su interacción con células de fibroblastos de mamíferos in vitro ha indicado que su toxicidad es significativamente menor que la de las nanopartículas esféricas de óxido de zinc. Los tetrápodos exhibieron una estructura cristalina hexagonal de wurtzita con alternancia de Zn 2+ y O 2− iones con geometría tridimensional. Bloquean la entrada de virus en las células vivas, lo que se mejora aún más al iluminarlas con precisión con radiación ultravioleta. Dado que los tetrápodos de óxido de zinc tienen vacantes de oxígeno en su estructura, el Herpes simplex los virus se unen a través del heparán sulfato y se les niega la entrada a las células corporales. Por tanto, previenen la infección por HSV-1 y HSV-2 in vitro. Por lo tanto, los tetrápodos de óxido de zinc pueden usarse como agente profiláctico contra estas infecciones virales. La citotoxicidad de las nanopartículas de óxido de zinc también depende de la tasa de proliferación de las células de mamíferos [66, 93]. La reactividad superficial y la toxicidad también se pueden variar controlando la vacante de oxígeno en los tetrápodos de óxido de zinc. Cuando se exponen a la luz ultravioleta, la vacante de oxígeno en los tetrápodos aumenta fácilmente. Alternativamente, la vacante de oxígeno se puede reducir calentándolos en un ambiente rico en oxígeno. Por lo tanto, es la propiedad única de los tetrápodos de óxido de zinc la que se puede cambiar a voluntad y, en consecuencia, alterar su eficacia antimicrobiana.
Los estudios en animales han indicado un aumento de la inflamación pulmonar, el estrés oxidativo, etc. en la exposición respiratoria a nanopartículas [94]. Yang y col. [95] han investigado la citotoxicidad, genotoxicidad y estrés oxidativo de nanopartículas de óxido de zinc en células de fibroblastos de embriones primarios de ratón. Se observó que las nanopartículas de óxido de zinc inducían una citotoxicidad significativamente mayor que la inducida por el carbono y el SiO 2 nanopartículas. Se confirmó además midiendo el agotamiento del glutatión, la producción de malondialdehído, la inhibición de la superóxido dismutasa y la generación de ROS. Los posibles efectos citotóxicos de diferentes nanopartículas se han atribuido a su forma.
Nanopartículas recubiertas de polímero
Muchas infecciones bacterianas se transmiten por contacto con pomos de puertas, teclados, grifos de agua, bañeras y teléfonos; por lo tanto, es esencial desarrollar y revestir dichas superficies con sustancias antibacterianas avanzadas y económicas para inhibir su crecimiento. Es importante utilizar concentraciones tales de sustancias antibacterianas que puedan matar a los patógenos pero salvar a los seres humanos. Puede suceder solo si están recubiertos con un polímero hidrófilo biocompatible de bajo costo. Schwartz y col. [96] han informado de la preparación de un nuevo hidrogel de material compuesto antimicrobiano mediante la mezcla de un poli ( N biocompatible) -isopropilacrilamida) con nanopartículas de óxido de zinc. La imagen SEM de la película compuesta mostró una distribución uniforme de nanopartículas de óxido de zinc. Mostró actividad antibacteriana contra E. coli a una concentración de óxido de zinc muy baja (1,33 mM). Además, se descubrió que el recubrimiento no era tóxico para la línea celular de mamíferos (N1H / 3T3) durante un período de 1 semana. El nanocompuesto de óxido de zinc / hidrogel se puede utilizar de forma segura como revestimiento biomédico para evitar que las personas contraigan infecciones bacterianas.
Aunque las nanopartículas de óxido de zinc son estables, se han estabilizado aún más revistiéndolas con diferentes polímeros, como polivinilpirrolidona (PVP), alcohol polivinílico ( PVA ), poli (ácido α, γ, l-glutámico) (PGA), polietilenglicol (PEG), quitosano y dextrano [97, 98]. Se examinó la actividad antibacteriana de las nanopartículas de óxido de zinc diseñadas contra patógenos gramnegativos y grampositivos, a saber E. coli y S. aureus y en comparación con el polvo de óxido de zinc comercial. Las nanopartículas de óxido de zinc esféricas recubiertas de polímero mostraron la máxima destrucción de células bacterianas en comparación con el polvo de óxido de zinc a granel [99]. Dado que las nanopartículas recubiertas con polímeros son menos tóxicas debido a su baja solubilidad y liberación sostenida, su citotoxicidad se puede controlar revistiéndolas con un polímero adecuado.
Efecto del tamaño y la forma de las partículas de las nanopartículas recubiertas de polímero sobre la actividad antibacteriana
E. coli y S. aureus 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 . un Untreated cells from the same growth conditions were used as a control. b C. 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 O 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).
un TEM images of untreated normal Salmonella typhimurium células. b 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 ( a ), zinc oxide nanoparticles with E. coli at different stages (b and inset), Klebsiella pneumoniae ( c ), and zinc oxide nanoparticles with K. pneumoniae ( d 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 O 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.
Conclusions
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.
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