植物合成Traganum nudatum银-氧化铁纳米颗粒及其抗菌与抗癌应用：实验与计算研究

《Frontiers in Chemistry》：Phyto-synthesized silver-iron oxide nanoparticles from Traganum nudatum for antimicrobial and anticancer applications: experimental and computational insights

　　

摘要：抗菌药物耐药性的日益增多 necessitates 开发可持续且环境友好的纳米材料。本研究利用Traganum nudatum种子提取物作为天然还原剂和稳定剂，植物合成了银-氧化铁纳米颗粒（Ag-FeO NPs），并系统评价了其理化性质和抗菌活性。紫外-可见光谱在359 nm处显示出特征吸收峰，为纳米颗粒的形成提供了支持性证据。傅里叶变换红外光谱揭示了1,645和3,315 cm^-1处的官能团，表明植物来源的植物化学物质参与了纳米颗粒的稳定。透射电子显微镜分析显示异质球形和棒状纳米结构，伴有适度聚集，而扫描电子显微镜结合能量色散X射线光谱定性表明银和铁的存在，以及氧和碳。动态光散射分析显示平均流体动力学粒径为7.3 nm，粒径分布较宽（PDI = 0.60），zeta电位为?1.36 mV。GC-MS分析鉴定出生物活性代谢物，包括3-(辛酰氧基)丙烷-1,2-二基双(癸酸酯)、正十六烷酸、三十一烷和利多卡因，这些代谢物可能有助于纳米颗粒的合成和生物活性。Ag-FeO NPs对大肠杆菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和白色念珠菌表现出显著的抗菌活性。对白色念珠菌的SEM分析揭示了严重的超微结构损伤，包括表面变形和细胞壁破坏。Ag-FeO NPs对MCF-7细胞活力的降低程度大于对MCF-10A非致瘤上皮细胞的影响，尽管在测试范围内未观察到明确的浓度依赖性响应。使用PASS、SwissTargetPrediction、SwissADME和ProTox-II进行的计算预测分析表明，几种已鉴定的植物化学物质具有抗菌和抗肿瘤潜力，并具有良好的药代动力学特征。总体而言，绿色合成、实验验证和计算建模的整合凸显了T. nudatum介导的Ag-FeO NPs作为有效且可持续的生物医学应用制剂的潜力。

**论文解读：基于Traganum nudatum植物合成的Ag-FeO双金属纳米颗粒的抗菌与抗癌性能及计算预测研究**

**1. 研究背景与科学问题**

纳米技术近年来发展迅速，纳米颗粒（NPs）因其独特的光学活性、反应性、比表面积、机械强度和化学活性等特性，在农业、医学和环境可持续性等领域具有变革性应用潜力。全球纳米技术市场规模已超过1000亿美元，对可持续和环境友好的纳米颗粒合成方法的需求日益增长。在各类纳米颗粒中，银纳米颗粒（AgNPs）因其广谱抗菌作用备受关注，而氧化铁纳米颗粒（FeO NPs）则因其优异的催化性能、抗菌能力和超顺磁特性受到重视。双金属纳米颗粒（BNPs）由两种不同金属元素组成，由于金属间的协同效应和可调特性，比单金属纳米颗粒更具应用优势。然而，传统纳米颗粒合成方法依赖物理和化学途径，常使用有毒试剂和苛刻条件，对环境和生物系统构成风险。植物介导的绿色合成方法利用植物提取物中的次级代谢物（如萜类、生物碱、黄酮类和酚类）作为天然还原剂和稳定剂，提供了一种经济、环保、无毒的替代方案。Traganum nudatum是一种属于藜科的草本野生植物，在阿尔及利亚传统医学中被广泛应用，其提取物已显示出抗炎、抗糖尿病、抗癌及抗菌等多种生物活性。然而，截至本研究开展时，尚无关于使用T. nudatum进行纳米颗粒合成的已发表研究。

**2. 研究目的**

本研究首次探索利用T. nudatum种子提取物作为新型生物资源，绿色合成双金属银-氧化铁纳米颗粒（Ag-FeO NPs），系统评价其理化性质、抗菌活性和抗癌活性，并通过计算预测分析探讨其潜在的作用机制和药代动力学特性，为开发可持续的生物医学应用材料提供实验和理论依据。

**3. 主要技术方法**

本研究所用关键表征手段包括：紫外-可见光谱（UV-Vis）分析纳米颗粒的光学性质和形成；傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定参与纳米颗粒合成与稳定的官能团；透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）观察形貌，SEM配备能量色散X射线光谱（EDX）进行元素组成定性分析；动态光散射（DLS）和zeta电位测量考察水合粒径、粒径分布（PDI）和表面电荷。植物化学物质通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）进行鉴定。抗菌活性采用琼脂孔扩散法测定，对白色念珠菌的形态损伤用SEM观察；抗癌活性通过MTT比色法在人乳腺癌细胞系MCF-7和非致瘤性乳腺上皮细胞系MCF-10A上评估。计算分析方面，利用PASS平台预测生物活性、SwissTargetPrediction预测分子靶点、SwissADME预测药代动力学性质和CYP450抑制谱、ProTox-II预测毒性特征。T. nudatum种子采自沙特阿拉伯AlUla皇家委员会苗圃，MCF-7和MCF-10A细胞系来源于努拉公主大学健康科学研究中心核心实验室。

**4. 研究结果**

**4.1 紫外-可见光谱分析**：UV-Vis光谱在359 nm处显示最大吸收峰，为Ag-FeO NPs的形成提供了支持性证据。

**4.2 SEM和TEM形貌表征**：TEM分析显示纳米颗粒主要呈棒状形态，部分为球形，存在一定程度的聚集，平均粒径为2.4 ± 0.9 nm，分布相对较窄。SEM图像显示异质聚集的纳米颗粒簇，EDX分析定性证实了Ag和Fe的存在，并检测到O和C信号，但由于缺乏定量数据，无法确定相对元素组成和纯度。

**4.3 DLS和zeta电位分析**：Ag-FeO NPs的平均水合粒径为7.3 nm，PDI值为0.60，zeta电位为?1.36 mV。低zeta电位值表明弱静电排斥，可能导致胶体稳定性降低和部分颗粒聚集。

**4.4 植物化学表征**：FTIR分析表明，种子提取物和Ag-FeO NPs在3,315 cm^-1和1,645 cm^-1处均有特征吸收带，分别对应O-H/N-H和C=O伸缩振动，表明植物来源的植物化学物质与纳米颗粒表面相关。GC-MS分析鉴定出约97种化合物，其中8种主要化合物被选出进行后续计算分析，包括3-(辛酰氧基)丙烷-1,2-二基双(癸酸酯)、碳酸二十烷基乙烯基酯、苄基二乙基-(2,6-二甲苯基氨基甲酰甲基)苯甲酸铵、癸二酸二(2-辛基)酯、2-甲基二十六烷、三十一烷、利多卡因和正十六烷酸。

**4.5 抗菌活性**：琼脂孔扩散法显示Ag-FeO NPs对所有测试微生物均具有抑制活性，对大肠杆菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和白色念珠菌的抑菌圈直径分别为10.9 ± 0.5 mm、12.8 ± 0.8 mm和17.6 ± 1.2 mm。其中，Ag-FeO NPs对MRSA的抑制活性优于氨苄青霉素。

**4.6 白色念珠菌的SEM形态学分析**：SEM图像显示，经Ag-FeO NPs处理的白色念珠菌细胞表面从光滑完整转变为粗糙、变形和凹陷，出现表面坑蚀和凹陷，并观察到菌丝或假菌丝样丝状结构，表明细胞壁完整性受到严重破坏，并激活了应激诱导的形态适应。

**4.7 细胞毒性评价**：MTT实验结果显示，MCF-7细胞在15–500 μg/mL浓度范围内的活力范围为73.56%–87.06%，而MCF-10A细胞活力范围为84.59%–97.96%，表明Ag-FeO NPs对癌细胞具有更强的细胞毒性。双因素方差分析显示细胞类型对活力有显著影响（P = 0.0022），但浓度及浓度与细胞类型的交互作用不显著。仅在500 μg/mL浓度下两种细胞系间的差异具有统计学意义（P = 0.0447）。非线性回归估算的IC₅₀值分别为MCF-7细胞818.5 μg/mL和MCF-10A细胞5,106 μg/mL，但剂量-反应曲线拟合度较差（R²为负值），提示IC₅₀值应谨慎解读。

**4.8 计算预测分析**：PASS分析表明化合物2（碳酸二十烷基乙烯基酯）具有最高的抗真菌和抗菌预测活性概率（Pa分别为0.505和0.418），化合物1和8具有中等的抗肿瘤活性预测概率（Pa分别为0.379和0.362）。SwissTargetPrediction预测显示不同化合物的靶点类别存在差异，涉及激酶、蛋白酶、G蛋白偶联受体（GPCRs）、磷酸酶等多种蛋白质类别。SwissADME预测显示化合物3、7和8具有较有利的药代动力学特征，包括高胃肠吸收、血脑屏障透过性和较好的脂溶性及溶解度。CYP450抑制谱预测显示化合物4可能抑制CYP1A2、CYP2C9和CYP3A4，而化合物5和6对测试的CYP450亚型均无预测抑制作用。ProTox-II毒性预测表明所有化合物均预测无肝毒性，化合物3、5、6、7和8在所有评估毒性终点均预测为无活性，而化合物1、2和4预测具有致癌性或致突变性风险。

**5. 讨论与结论总结**

本研究表明，利用T. nudatum种子提取物可成功绿色合成双金属Ag-FeO NPs。UV-Vis、FTIR、TEM/SEM-EDX、DLS和zeta电位分析共同支持纳米颗粒的形成，并证实植物来源的生物分子参与了颗粒的还原和稳定。抗菌实验显示Ag-FeO NPs对细菌和真菌病原体均具有抑制效果，其中对白色念珠菌的作用最强，SEM形态学分析揭示其通过破坏细胞壁完整性发挥抗真菌作用。细胞毒性实验显示Ag-FeO NPs对MCF-7乳腺癌细胞的选择性毒性高于MCF-10A正常细胞，但在测试浓度范围内未观察到明确的剂量依赖性效应。计算预测分析为观察到的生物活性提供了潜在机制线索：化合物2具有较高的抗菌和抗真菌潜力，化合物1和8具有中等抗肿瘤潜力，且部分化合物的预测靶点涉及激酶、GPCR和Cdc25A等与细胞增殖和癌症相关的蛋白类别；化合物3、7和8显示出较优的药代动力学特征和较低毒性风险。研究结果为T. nudatum介导的Ag-FeO NPs作为可持续生物活性纳米材料提供了初步实验和计算证据支持。

**6. 研究局限性与未来方向**

需要指出的是，本研究存在若干局限性：GC-MS分析仅在纳米颗粒合成前对种子提取物进行，最终Ag-FeO NPs中的植物化学组成未确定；种子提取物未独立进行MTT实验，无法区分纳米颗粒与植物成分对细胞毒性的相对贡献；缺乏对照UV-Vis光谱和定量EDX数据；抗菌活性仅通过琼脂扩散法评估。未来研究应进行合成后植物化学表征、定量元素分析、种子提取物的独立评价、MIC/MBC/MFC等定量抗菌测定、分子对接验证预测靶点以及体内实验验证，为Ag-FeO NPs的转化应用奠定更坚实的基础。