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 los lípidos, carbohidratos, proteínas y ADN . La peroxidación lipídica es obviamente la más crucial que conduce a la alteración en la membrana celular que eventualmente interrumpe las funciones celulares vitales ., Ha sido apoyado por el mecanismo de estrés oxidativo que implica nanopartícula de óxido de zinc en Escherichia coli . Sin embargo, para la suspensión de óxido de zinc a granel, se ha sugerido la generación externa de H2O2 para describir las propiedades antibacterianas . También se ha considerado la toxicidad de las nanopartículas, liberando iones tóxicos. Dado que el óxido de zinc es anfótero en la naturaleza, reacciona con ácidos y álcalis dando iones Zn2+.,
La libre Zn2+ iones de inmediato se unen con las biomoléculas tales como las proteínas y los hidratos de carbono, y todas las funciones vitales de las bacterias dejan de seguir. La toxicidad del óxido de zinc, nanopartículas de zinc y ZnSO4·7H2O se ha probado (Tabla 1) contra Vibrio fischeri. Se encontró que ZnSO4 * 7H2O es seis veces más tóxico que las nanopartículas de óxido de zinc y óxido de zinc., Las nanopartículas en realidad se dispersan en el disolvente, no se disuelven, y por lo tanto, no pueden liberar iones Zn2+. La biodisponibilidad de los iones Zn2 + no siempre es del 100% y puede cambiar invariablemente con el pH fisiológico, el potencial redox y los aniones asociados con él, como Cl− O SO42−.
solubilidad del óxido de zinc (1.6–5.,0 mg/L) en medio acuoso es superior a la de las nanopartículas de óxido de zinc (0,3–3,6 mg / L) en el mismo medio que es tóxico para algas y crustáceos. Tanto el nano-óxido de zinc como el óxido de zinc a granel son 40-80 veces menos tóxicos que el ZnSO4 contra V. fischeri. La mayor actividad antibacteriana de ZnSO4 es directamente proporcional a su solubilidad liberando iones Zn2+, que tiene mayor movilidad y mayor afinidad hacia las biomoléculas en la célula bacteriana debido a la carga positiva en el Zn2+ y la carga negativa en las biomoléculas.,
as nanopartículas tienen solubilidad limitada, son menos tóxicas para los microbios que ZnSO4·7H2O altamente soluble. sin embargo, no es esencial que las nanopartículas de óxido metálico entren en la célula bacteriana para causar toxicidad . 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.
se ha demostrado que una serie de óxidos metálicos nanométricos como ZnO, CuO, Al2O3, La2O3, Fe2O3, SnO2 y TiO2 exhiben la mayor toxicidad contra E. coli ., Las nanopartículas de óxido de Zinc se utilizan externamente para el tratamiento de infecciones bacterianas leves, pero el ion de zinc es un oligoelemento esencial para algunos virus y seres humanos que aumentan la actividad enzimática de la integrasa viral . También ha sido apoyado por un aumento en el virus de la necrosis pancreática infecciosa en un 69,6% cuando se trata con 10 mg/L de Zn . 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 y aumentan la permeabilidad seguida de su acumulación en E., coli prevenir su multiplicación .
en el pasado reciente, la actividad antibacteriana de las nanopartículas de óxido de zinc se ha investigado 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 era de 15 µg/ml, aunque en el caso de K. pneumoniae era tan baja como 5 µg / ml . Se ha observado que con el aumento de 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 .
se ha reportado que las nanopartículas de óxido metálico primero dañan la membrana celular bacteriana y luego penetran en ella . También se ha propuesto que la liberación de H2O2 puede ser una alternativa a la actividad antibacteriana ., Esta propuesta, sin embargo, requiere pruebas experimentales porque la mera presencia de nanopartículas de óxido de zinc no es suficiente para producir H2O2. 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 regulares. Se sabe que el óxido de Zinc protege el estómago y el tracto intestinal del daño causado por E. coli . 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 iones Zn2+., Pueden ayudar en la activación de la enzima carboxi peptidasa, anhidrasa carbónica y alcohol deshidrogenasa que ayudan en la digestión de carbohidratos y alcohol. Premanathan et al. han reportado la toxicidad de nanopartículas de óxido de zinc contra células procariotas y eucariotas. La CIM de nanopartículas de óxido de zinc contra E. coli, Pseudomonas aeruginosa y S. aureus fue de 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 ponen a las células bajo estrés oxidativo causando daño a los componentes celulares, es decir, lípidos, proteínas y ADN . Las nanopartículas de óxido de Zinc, por lo tanto, inducen toxicidad a través de la apoptosis. Son relativamente más tóxicos para las células cancerosas que las células normales, aunque no pueden distinguir entre ellas.
recientemente, Pati et al. han demostrado que las nanopartículas de óxido de zinc interrumpen la integridad de la membrana celular bacteriana, reducen la hidrofobicidad de la superficie celular y reducen la transcripción de genes de resistencia al estrés oxidativo en bacterias., Mejoran la matanza bacteriana intracelular induciendo la producción de ROS. Estas nanopartículas interrumpen la formación de biopelículas e inhiben la hemólisis por la toxina hemolisínica producida por patógenos. La administración intradérmica de nanopartículas de óxido de zinc se encontró que reduce significativamente la infección de la piel y la inflamación en ratones y también mejoró la arquitectura de la piel infectada.
la solubilidad y la actividad concentración-dependiente del Nanoparticle del óxido de cinc
Las Nanoparticles también se han utilizado como portador para entregar los agentes terapéuticos para tratar la infección bacteriana ., Dado que las nanopartículas de óxido de zinc hasta una concentración de 100 µg/ml son inofensivas para las células normales del cuerpo, pueden usarse como alternativa a los antibióticos. Se encontró que el 90% de las colonias bacterianas perecieron después de exponerlas a una dosis de 500-1000 µg/ml de nanopartículas de óxido de zinc solo durante 6 h. incluso las resistentes a los medicamentos S. aureus, Mycobacterium smegmatis y Mycobacterium bovis cuando se trataron con nanopartículas de óxido de zinc en combinación con una dosis baja de medicamento 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 estar completamente curado. También se observó que el tamaño de las nanopartículas de óxido de zinc que oscilan entre 50 y 500 nm tienen un efecto idéntico en la inhibición del crecimiento bacteriano.
la citotoxicidad del óxido de zinc ha sido estudiada por muchos investigadores en una variedad de microbios y sistemas vegetales . 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 óxido de zinc (125 mg/l) en suspensión liberó 6,8 mg/L de iones Zn2+. La toxicidad es un efecto combinado de nanopartículas de óxido de zinc e iones Zn2+ 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 nanopartículas de óxido de zinc con 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 .,
se ha sugerido que la inhibición del crecimiento de las células bacterianas ocurre principalmente por iones Zn2 + que son producidos por la disolución extracelular de nanopartículas de óxido de zinc . Cho et al. han llegado a la conclusión de sus estudios en ratas que las nanopartículas de óxido de zinc permanecen intactas alrededor de un pH neutro o biológico, pero se disuelven rápidamente en condiciones ácidas (pH 4,5) en el lisosoma de los microbios que conducen a su muerte. Esto es cierto porque en estado ácido, el óxido de zinc se disuelve y se producen iones Zn2+, que se unen a las biomoléculas dentro de la célula bacteriana inhibiendo su crecimiento.,
Las nanopartículas de óxido de zinc han demostrado ser citotóxicas para las diferentes primaria de las células inmuno-competentes. El análisis transcriptómico mostró que las nanopartículas tenían una firma génica común con la regulación ascendente de los genes de metalotioneína atribuidos a la disolución de las nanopartículas ., Sin embargo, no se pudo determinar si el zinc absorbido era Zn2+ o óxido de zinc o ambos, aunque las nanopartículas de óxido de zinc de menor tamaño tienen 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 Zn2+ y su penetración en la célula.
Chiang et al. han reportado que la disociación de nanopartículas de óxido de zinc resulta en 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 . La agregación de nanopartículas influye en la citotoxicidad de los macrófagos, y su concentración ayuda en la modulación de la agregación de nanopartículas. La baja concentración de nanopartículas de óxido de zinc es ineficaz, pero a concentraciones más altas (100 µg/ml), exhibieron citotoxicidad que varía de un patógeno a otro.
el uso inadvertido de nanopartículas de óxido de zinc a veces puede afectar negativamente al sistema vivo., Se ha estudiado su apoptosis y su potencial genotóxico en las células hepáticas humanas y su toxicidad celular. Se encontró que una disminución en la viabilidad de las células hepáticas ocurre 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 et al. han demostrado que la generación de ROS es directamente proporcional a la concentración de polvo de óxido de zinc. Ros desencadenó una disminución en el potencial de membrana mitocondrial que conduce a la apoptosis . La captación celular de nanopartículas no es obligatoria para que se produzca la citotoxicidad.,
actividad antibacteriana dependiente del tamaño de nanopartículas de óxido de Zinc
en un estudio, Azam et al. han informado que la actividad antimicrobiana contra bacterias gram-negativas (E. coli y P. aeruginosa) y gram-positivas (S. y Bacillus subtilis) aumentó con el aumento en 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 (Fig. 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
se ha reportado que el tamaño más pequeño de las nanopartículas de óxido de zinc exhibe una mayor actividad antibacteriana que las partículas de microescala . Por ejemplo, nanopartículas Au55 de 1.,Se ha demostrado que el tamaño de 4 nm interactúa con las ranuras principales del ADN, lo que explica su toxicidad . Aunque se han reportado resultados contradictorios, muchos trabajadores mostraron un efecto positivo de las nanopartículas de óxido de zinc en las células bacterianas. Sin embargo, Brayner et al. las imágenes de TEM han demostrado que las 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 y para las células de neuroblastoma por encima de 1,2 mm., Nair et al. han explorado exclusivamente el efecto de tamaño de las nanopartículas de óxido de zinc en la toxicidad bacteriana y celular humana. Han estudiado la influencia de las nanopartículas de óxido de zinc en bacterias gram positivas y gram negativas y líneas celulares de cáncer osteoblástico (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 . También se ha observado que no requiere luz UV para su activación; funciona bajo luz solar normal o incluso difusa., La actividad citotóxica tal vez implica tanto la producción de ROS como la acumulación de nanopartículas en el citoplasma o en la membrana celular externa. Sin embargo, no se puede ignorar la producción de H2O2 y su participación en la activación de nanopartículas. Raghupathi et al. han sintetizado nanopartículas de óxido de zinc a partir de diferentes sales de zinc y han observado que las nanopartículas obtenidas de Zn(NO3)2 eran más pequeñas en tamaño (12 nm) y 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 et al. han demostrado que las nanopartículas de óxido de zinc de 8 nm de diámetro inhibieron el crecimiento de S. aureus, E. coli y B. subtilis. Se seleccionaron nanopartículas de óxido de Zinc que oscilaban 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 iones Zn2+ a partir del óxido de zinc cuando se suspende en el agua y también, en cierta medida, a un ligero cambio en el pH. dado que los iones Zn2+ 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 excede los 100 nm, el efecto inhibitorio es mínimo .,
forma, composición y citotoxicidad de las nanopartículas de óxido de Zinc
las nanopartículas de óxido de Zinc han mostrado citotoxicidad en forma dependiente de la concentración y tipo de células expuestas debido a la diferente sensibilidad . Sahu et al. 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. se examinó la citotoxicidad dependiente de la concentración en células MRC5 de pulmón humano., Los autores han reportado 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 notaron en el citoplasma de las células en forma de cúmulos densos de electrones, que se observan además encerrados por vesículas, mientras que las nanopartículas de óxido de zinc no se encontraron en células de control no tratadas. Papavlassopoulos et al. han sintetizado tetrápodos de nanopartículas de óxido de zinc por una ruta completamente nueva conocida como»enfoque de síntesis de transporte de llama»., Los tetrápodos 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 iones alternados de Zn2+ y o2-con geometría tridimensional. Bloquean la entrada de virus en las células vivas, lo que se mejora aún más al iluminarlas con precisión con radiación UV., Dado que los tetrápodos de óxido de zinc tienen vacantes de oxígeno en su estructura, los virus del Herpes simple se unen a través de heparán sulfato y se les niega la entrada en las células del cuerpo. Por lo tanto, previenen la infección por VHS-1 y VHS-2 in vitro. Por lo tanto, los tetrápodos de óxido de Zinc pueden utilizarse como agente profiláctico frente a estas infecciones virales. La citotoxicidad de las nanopartículas de óxido de zinc también depende de la tasa de proliferación de células de mamíferos . La reactividad superficial y la toxicidad también pueden variar mediante el control de la vacante de oxígeno en tetrápodos de óxido de zinc., Cuando se exponen a la luz UV, la vacante de oxígeno en los tetrápodos aumenta fácilmente. Alternativamente, la vacante de oxígeno se puede disminuir calentándolos en un ambiente rico en oxígeno. Por lo tanto, es la propiedad única de los tetrápodos de óxido de zinc que se pueden cambiar a voluntad, lo que en consecuencia altera su eficiencia antimicrobiana.
Los estudios en animales han indicado un aumento de la inflamación pulmonar, estrés oxidativo, etc. sobre la exposición respiratoria a nanopartículas . Yang et al., han investigado la citotoxicidad, genotoxicidad y estrés oxidativo de nanopartículas de óxido de zinc en células primarias de fibroblastos de embriones de ratón. Se observó que las nanopartículas de óxido de zinc inducían una citotoxicidad significativamente mayor que la inducida por las nanopartículas de carbono y SiO2. 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 perillas de puertas, tableros de llaves, grifos, bañeras y teléfonos; por lo tanto, es esencial desarrollar y recubrir tales superficies con sustancias antibacterianas avanzadas de bajo costo para que su crecimiento se inhiba. Es importante utilizar tales concentraciones de sustancias antibacterianas que pueden matar a los patógenos pero salvar a los seres humanos. Puede suceder solo si están recubiertos con un polímero hidrofílico biocompatible de bajo costo. Schwartz et al., han informado de la preparación de un nuevo hidrogel de material compuesto antimicrobiano mediante la mezcla de una poli biocompatible (n-isopropilacrilamida) con nanopartículas de óxido de zinc. La imagen SEM de la película compuesta mostró una distribución uniforme de nanopartículas de óxido de zinc. Exhibió actividad antibacteriana contra E. coli a una concentración muy baja de óxido de zinc (1.33 mM). Además, se encontró que el recubrimiento no era tóxico hacia la línea celular de mamíferos (N1H/3T3) durante un período de 1 semana. El nanocompuesto de óxido de Zinc/hidrogel puede usarse con seguridad como recubrimiento biomédico para evitar que las personas contraigan infecciones bacterianas.,
aunque las nanopartículas de óxido de zinc son estables, se han estabilizado aún más al recubrirlas con diferentes polímeros como polivinil pirolidona (PVP), alcohol polivinílico (PVA), poli (α, γ, ácido L-glutámico) (PGA), polietilenglicol (PEG), quitosano y dextrano . La actividad antibacteriana de nanopartículas de óxido de zinc de ingeniería se examinó contra patógenos gram-negativos y gram-positivos, a saber, E. coli y S. aureus y se comparó con polvo de óxido de zinc comercial., Las nanopartículas esféricas de óxido de zinc recubiertas de polímero mostraron la máxima destrucción celular bacteriana en comparación con el polvo de óxido de zinc a granel . Dado que las nanopartículas recubiertas con polímeros son menos tóxicas debido a su baja solubilidad y liberación sostenida, su citotoxicidad puede controlarse recubriéndolas con un polímero adecuado.
efecto del tamaño de partícula y la forma de nanopartículas recubiertas de polímero sobre la actividad antibacteriana
E. coli y S. aureus expuestos a diferentes concentraciones de nanopartículas de óxido de zinc recubiertas de polietilenglicol (PEG) (1-7 mM) de tamaño variable (401 nm-1.,2 µm) mostró que la actividad antimicrobiana aumenta con la disminución del tamaño y el aumento de la concentración de nanopartículas. Sin embargo, la concentración efectiva en todos estos casos fue superior a 5 mm. se produce un cambio drástico en la morfología celular de la superficie de E. coli que se puede ver a partir de las imágenes SEM de bacterias antes y después de su exposición a nanopartículas de óxido de zinc. Ha sido muy bien demostrado por Nair et al. que las partículas de óxido de zinc PEG-capsuladas y los nanorodos de óxido de zinc son tóxicos para las células cancerosas de los osteoblastos humanos (MG-63) a una concentración superior a 100 µM., Los nanorodos/nanopartículas recubiertos de almidón PEG no dañan las células sanas.
actividad antimicrobiana in vivo e in Vitro para el apósito de heridas
de todos los materiales naturales y sintéticos para apósito de heridas, los vendajes microporosos de hidrogel de quitosano mezclados con nanopartículas de óxido de zinc desarrolladas por Kumar et al. son altamente eficaces en el tratamiento de quemaduras, heridas y úlceras del pie diabético. Las nanopartículas de aproximadamente 70-120 nm se dispersan en la superficie del vendaje. Los productos de degradación del quitosano fueron identificados como d-glucosamina y glicosamina glicano., No son tóxicos para las células porque ya están presentes en nuestro cuerpo para la curación de lesiones. La herida generalmente contiene P. aeruginosa, S. intermedicus y S. hyicus que también se identificaron a partir del hisopo de la herida de ratones y se trataron con éxito con un vendaje de óxido de zinc de quitosano en aproximadamente 3 semanas .
efecto del dopaje sobre la toxicidad de las nanopartículas de óxido de Zinc
El dopaje de las nanopartículas de óxido de zinc con hierro reduce la toxicidad. La concentración de Zn2+ y nanopartículas de óxido de zinc también es un factor importante para la toxicidad., La concentración que redujo la viabilidad del 50% en las células microbianas expuestas al óxido de zinc nano y microsize es muy cercana a la concentración de Zn2+ que indujo una reducción del 50% en la viabilidad en las células tratadas con Zn2+.
El recubrimiento de nanopartículas de óxido de zinc con mercaptopropil trimetoxisilano o SiO2 reduce su citotoxicidad . Por el contrario, Gilbert et al. demostró que en las células BEAS – 2b, la absorción de nanopartículas de óxido de zinc es el principal mecanismo de acumulación de zinc., Además, han sugerido que las nanopartículas de óxido de zinc se disuelven completamente generando iones Zn2+ que se unen a biomoléculas de las células diana. Sin embargo, la toxicidad de las nanopartículas de óxido de zinc depende de la absorción y su interacción posterior con las células diana.
