芦荟介导绿色合成Al2O3纳米颗粒：面向多重耐药菌的可持续抗菌与选择性抗肿瘤多功能纳米平台

《Microorganisms》：Phytogenic Aluminum Oxide Nanoparticles as a Sustainable Weapon Against Multidrug-Resistant Bacteria: Green Synthesis Using Aloe vera with In Vitro Biological and Computational Evaluation

　　

植物提取物绿色制备金属氧化物纳米颗粒已受到研究人员关注。本研究利用芦荟（Aloe vera）叶提取物稳定和还原合成氧化铝纳米颗粒（Al₂O₃-NPs）。紫外–可见光谱（UV–Vis）在约300–320 nm处显示明显吸收峰，证实纳米颗粒生成。所制备材料呈纳米晶结构，多条尖锐X射线衍射（XRD）峰与结晶氧化铝材料匹配。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）识别出C=O、O–H和Al–O等官能团。Al₂O₃纳米颗粒溶液的Zeta电位分析显示连续低频信号。动态光散射（DLS）显示粒径分布较窄，平均水动力直径为1000–1200 nm。扫描电子显微镜（SEM）图像显示不均匀纳米颗粒形成血小板样团聚。能量色散X射线谱（EDX）显示铝和氧元素。选区电子衍射（SAED）显示多晶纳米颗粒，透射电子显微镜（TEM）显示不均匀层状和介孔特征。芦荟提取物的气相色谱–质谱（GC-MS）分析显示多种生物活性化学物质，已知具有还原能力和稳定纳米颗粒的潜力。生物合成的Al₂O₃-NPs具有抗氧化活性，DPPH的IC₅₀为20.12 μg/mL，ABTS的IC₅₀为20.34 μg/mL，H₂O₂清除的IC₅₀为45.99 μg/mL。然而，在正常WI-38肺成纤维细胞中观察到相对较高的IC₅₀值96.06 μg/mL，表明对正常细胞的细胞毒性相对较低，同时需进一步研究以优化并确认纳米颗粒的选择性。细胞毒性试验显示对A549肺癌细胞（12.24 μg/mL）和HepG2肝癌细胞（15.65 μg/mL）具有较强抗癌活性。纳米颗粒对肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae，K. pneumoniae ATCC 43816）和多重耐药普通变形杆菌（Proteus vulgaris，P. vulgaris ATCC 6380）具有显著抑制作用，但对铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）、单核细胞增生李斯特菌（L. monocytogenes）和葡萄球菌（Staphylococcus）呈中等至无作用。计算机分子对接显示，主要芦荟植物成分9-十八碳烯酸（Z）-甲酯（9-octadecenoic acid (Z)-, methyl ester）可能与血红素加氧酶相互作用，从而贡献其抗氧化效应。

研究背景：纳米技术是近年快速发展领域，金属纳米颗粒（NPs）因特殊理化性质被用于抗菌、生物分子与药物/核酸递送及肿瘤诊断治疗。物理法耗能高、成本高，化学法使用危险化学品和有机溶剂，限制药用并产生环境废物；生物法即绿色合成更相容、低危、经济且易操作。病原细菌和真菌感染尤其是多重耐药（MDR）感染是全球健康问题，抗菌药滥用和持续使用增加耐药，导致治疗失败及发病率和死亡率升高，因此亟需针对耐药菌的安全有效抗菌和抗真菌药物。植物提取物富含多糖、单宁、黄酮、皂苷、氨基酸、生物碱、萜类和维生素等，可作为还原剂和封端剂；芦荟含多聚甘露糖、乙酰化甘露聚糖、蒽醌、蒽酮、大黄素和凝集素等。研究人员因此以芦荟叶提取物绿色合成Al₂O₃-NPs，进行理化表征并评价抗氧化、抗菌、抗生物膜和抗癌活性，同时用分子对接对主要植物成分与癌症或微生物相关靶点作初步机制解释，以探索其作为多功能纳米材料的治疗潜力。

技术方法概述：芦荟采自Zagazig大学理学院植物与微生物系，凭证号AVSH1；临床病原菌来自Zagazig大学理学院细菌学实验室。采用微波辅助绿色合成Al₂O₃-NPs，并以UV–Vis、XRD、FT-IR、Zeta电位与DLS、SEM–EDX、TEM/SAED、GC-MS表征；进行DPPH、ABTS和H₂O₂抗氧化试验，A549、HepG2和WI-38细胞毒试验，微量滴定抗菌、抗生物膜和MIC试验，以及血红素加氧酶-1（HO-1，PDB 1N3U）的AutoDock Vina分子对接。

研究结果：样品采集与芦荟叶提取：研究人员采集芦荟叶，清洗后以约20 g切碎叶加100 mL蒸馏水于80–90 °C煮沸30 min，冷却后12,000 rpm、4 °C离心15 min，经Whatman No. 1滤纸过滤，滤液于4–8 °C保存。Al₂O₃-NPs的生物合成：通过UV–Vis在约300–320 nm出现明显吸收峰而提取物无此峰，确认纳米颗粒生成；XRD显示多个尖锐衍射峰并归属γ-Al₂O₃，Scherrer计算平均晶粒尺寸26.4 nm；FT-IR显示O–H、H–O–H、Al–O及C=O、C–C等有机官能团，提示芦荟成分参与还原和稳定。Zeta电位：通过Zeta电位分析得?25.6 mV，表明表面带负电并具中等胶体稳定性；DLS显示单峰分布、平均水动力直径约1150 nm、多分散指数0.42±0.05。SEM与EDX：通过SEM观察到板状初级颗粒、粗糙不规则、多孔且松散团聚；EDX显示Al 19.67%、O 44.83%及来自有机封端层的C 35.50%。TEM：通过TEM/SAED观察到不规则层状、介孔、较均匀分散的纳米颗粒及多晶衍射环，d间距与Al₂O₃晶面相符。GC-MS：通过GC-MS鉴定芦荟水提物中主要成分为9-十八碳烯酸（Z）-甲酯（23.95%），其次为十六烷酸甲酯（13.56%），并含其他脂肪酸衍生物、碳酸酯和十三烷衍生物。体外抗氧化活性：通过DPPH、ABTS和H₂O₂试验得IC₅₀分别为20.12、20.34和45.99 μg/mL，活性顺序为ABTS>DPPH>H₂O₂，且优于芦荟粗提物，DPPH和ABTS活性与维生素C相近。抗癌评价：通过A549、HepG2和WI-38细胞毒试验得IC₅₀分别为12.24、15.65和96.06 μg/mL，选择性指数分别为7.85和6.14，显示对癌细胞选择性较强而对正常细胞毒性较低。抗菌活性：通过抗菌和抗生物膜试验显示对K. pneumoniae 2抑制最高（49.52%），其次为K. pneumoniae MDR（29.60%）、K. pneumoniae 7（26.53%）和P. vulgaris MDR（24.70%），对P. aeruginosa无抑制作用，抗菌作用呈菌株依赖。MIC：通过微量肉汤稀释法显示K. pneumoniae 2的MIC最低（110 μg/mL），E. coli 3最高（240 μg/mL），P. aeruginosa A为230 μg/mL，P. aeruginosa和S. aureus 1在试验条件下无MIC。分子对接：通过AutoDock Vina显示9-十八碳烯酸（Z）-甲酯与血红素加氧酶结合能为?4.8 kcal/mol，并与PHE-37、PHE-214、LEU-147和ALA-28等残基形成疏水相互作用，提示其可能参与抗氧化相关调控。

讨论总结与研究结论翻译：讨论指出纳米技术及纳米材料在诊断、药物递送和肿瘤治疗中应用广泛；绿色合成可替代传统物理化学方法，芦荟含维生素、酶、矿物质、糖类、蒽醌、脂肪酸、激素等70余种化合物，可作为还原和封端剂。表征结果与既往植物介导金属氧化物纳米颗粒研究一致，FT-IR的Al–O和有机封端信号支持无机氧化铝核心与生物有机包覆层共存；Zeta电位负值源于酚类、黄酮和多糖等植物化学物，DLS大尺寸主要与团聚和水化层有关；SEM/TEM显示多孔层状结构，有利于催化或吸附；GC-MS提示甲基油酸酯等电子丰富基团可螯合Al³⁺并促进成核。抗氧化试验表明纳米颗粒较提取物增强自由基清除，抗癌试验显示选择性细胞毒，抗菌和抗生物膜作用具有菌株依赖性，对接结果为主要成分与血红素加氧酶相互作用提供支持。研究结论翻译：该研究利用芦荟叶提取物还原和稳定Al₂O₃纳米颗粒，形成可持续且环境友好的方法；XRD、UV–Vis、SEM、FT-IR、EDX、TEM、DLS和Zeta电位表征显示生成了稳定、不均匀、层状结晶的Al₂O₃纳米颗粒；GC-MS显示芦荟提取物含多种可能参与还原、形成和稳定纳米颗粒的植物化学成分；所得Al₂O₃纳米颗粒的抗氧化、抗菌、抗生物膜和抗癌性能随测定方法和靶标而异；DPPH和ABTS抗氧化数据提示自由基清除活性，但应结合IC₅₀值和对照评价；抗菌实验显示菌株依赖性抑制而非普遍抗菌作用，部分菌株受抑制更强；细胞毒结果显示癌症选择性，对A549肺癌和HepG2肝癌细胞IC₅₀分别为12.24和15.65 μg/mL，对正常WI-38肺成纤维细胞IC₅₀为96.06 μg/mL，提示对受试癌细胞具有正向差异细胞毒反应，但需进一步研究确定机制和治疗意义；结果表明芦荟叶提取物合成的Al₂O₃纳米颗粒作为生物活性纳米材料具有选择性抗癌作用及多样抗氧化和抗菌特性，仍需进一步体外和体内研究确定其作用机制、安全性和生物医学用途。