Propriedades das nanopartículas de óxido de zinco e sua atividade contra micróbios

Resumo

O óxido de zinco é um ingrediente essencial de muitas enzimas, protetores solares e pomadas para o alívio da dor e coceira. Seus microcristais são absorvedores de luz muito eficientes na região dos espectros UVA e UVB devido ao largo bandgap. O impacto do óxido de zinco nas funções biológicas depende de sua morfologia, tamanho da partícula, tempo de exposição, concentração, pH e biocompatibilidade. Eles são mais eficazes contra microrganismos como Bacillus subtilis , Bacillus megaterium , Staphylococcus aureus , Sarcina lutea , Escherichia coli , Pseudomonas aeruginosa , pneumonia por Klebsiella , Pseudomonas vulgaris , Candida albicans e Aspergillus niger . O mecanismo de ação tem sido atribuído à ativação de nanopartículas de óxido de zinco pela luz, que penetram na parede celular bacteriana por difusão. Foi confirmado a partir de imagens SEM e TEM das células bacterianas que as nanopartículas de óxido de zinco desintegram a membrana celular e se acumulam no citoplasma, onde interagem com biomoléculas causando apoptose celular levando à morte celular.

Histórico

A nanotecnologia trata da fabricação e aplicação de materiais com tamanho de até 100 nm. Eles são amplamente usados em uma série de processos que incluem ciência de materiais, agricultura, indústria de alimentos, cosméticos, aplicações médicas e diagnósticas [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]. Compostos inorgânicos de tamanho nanométrico têm mostrado notável atividade antibacteriana em concentrações muito baixas devido à sua alta área de superfície para relação de volume e características químicas e físicas únicas [11]. Além disso, essas partículas também são mais estáveis em alta temperatura e pressão [12]. Alguns deles são reconhecidos como não tóxicos e ainda contêm elementos minerais que são vitais para o corpo humano [13]. Foi relatado que a maioria dos materiais inorgânicos antibacterianos são nanopartículas metálicas e nanopartículas de óxido de metal, como prata, ouro, cobre, óxido de titânio e óxido de zinco [14, 15].

O zinco é um oligoelemento essencial para o sistema humano, sem o qual muitas enzimas como anidrase carbônica, carboxipeptidase e álcool desidrogenase se tornam inativas, enquanto os outros dois membros, cádmio e mercúrio pertencentes ao mesmo grupo de elementos com a mesma configuração eletrônica, são tóxicos . É essencial para eucariotos porque modula muitas funções fisiológicas [16, 17]. O sal de bambu, que contém zinco, é usado como medicamento fitoterápico para o tratamento da inflamação, regulando a atividade da caspase-1. Foi demonstrado que as nanopartículas de óxido de zinco reduzem a expressão de mRNA de citocinas inflamatórias ao inibir a ativação de NF-kB (células B do fator nuclear kappa) [18].

Globalmente, as infecções bacterianas são reconhecidas como um sério problema de saúde. Novas mutações bacterianas, resistência a antibióticos, surtos de cepas patogênicas, etc. estão aumentando e, portanto, o desenvolvimento de agentes antibacterianos mais eficientes é uma demanda da época. O óxido de zinco é conhecido por suas propriedades antibacterianas desde tempos imemoriais [19]. Tinha sido usado durante o regime de Faraós, e registros históricos mostram que o óxido de zinco era usado em muitas pomadas para o tratamento de feridas e furúnculos, mesmo em 2000 aC [20]. Ainda é usado em protetor solar, como suplemento, material fotocondutor, LED, transistores transparentes, células solares, dispositivos de memória [21, 22], cosméticos [23, 24] e catálise [25]. Embora uma quantidade considerável de ZnO seja produzida a cada ano, uma quantidade muito pequena é usada como medicamento [26]. A US Food and Drug Administration reconheceu (21 CFR 182.8991) o óxido de zinco como seguro [27]. É caracterizada por propriedades fotocatalíticas e fotooxidantes contra produtos bioquímicos [28].

O óxido de zinco foi classificado pela classificação de perigo da UE como N; R50-53 (ecotóxico). Os compostos de zinco são ecotóxicos para mamíferos e plantas em vestígios [29, 30]. O corpo humano contém cerca de 2–3 g de zinco, e a necessidade diária é de 10–15 mg [29, 31]. Nenhum relatório demonstrou carcinogenicidade, genotoxicidade e toxicidade reprodutiva em humanos [29, 32]. No entanto, o pó de zinco inalado ou ingerido pode produzir uma condição chamada febre do zinco, que é seguida por calafrios, febre, tosse, etc.

A morfologia das nanopartículas de óxido de zinco depende do processo de síntese. Eles podem ser nanobastões, nanoplacas [33,34,35], nanoesferas [36], nanoboxes [35], hexagonais, tripés [37], tetrápodes [38], nanofios, nanotubos, nanorings [39,40,41], nanocages e nanoflores [42, 43]. Nanopartículas de óxido de zinco são mais ativas contra bactérias gram-positivas em relação a outros NPs do mesmo grupo de elementos. Alimentos prontos para comer são mais propensos a infecções por Salmonella , Staphylococcus aureus , e E. coli que representam um grande desafio para a segurança e qualidade alimentar. Os compostos antimicrobianos são incorporados aos alimentos embalados para evitar que sejam danificados. A embalagem antimicrobiana contém um material não tóxico que inibe ou retarda o crescimento de micróbios presentes nos alimentos ou material de embalagem [44]. Uma substância antimicrobiana para consumo humano deve possuir as seguintes propriedades.

a)
Não deve ser tóxico.
b)
Não deve reagir com comida ou recipiente.
c)
Deve ser de bom gosto ou insípido.
d)
Não deve ter cheiro desagradável.

Nanopartículas de óxido de zinco é um óxido de metal inorgânico que atende a todos os requisitos acima e, portanto, pode ser usado com segurança como medicamento, conservante em embalagens e agente antimicrobiano [45, 46]. Ele se difunde facilmente no material alimentar, mata os micróbios e evita que o ser humano adoeça. De acordo com os regulamentos 1935/2004 / EC e 450/2009 / EC da União Europeia, embalagem ativa é definida como material ativo em contato com alimentos com capacidade de alterar a composição dos alimentos ou a atmosfera ao seu redor [47]. Portanto, é comumente usado como conservante e incorporado em material de embalagem polimérico para evitar que o material alimentício seja danificado por micróbios [48]. Nanopartículas de óxido de zinco têm sido usadas como substância antibacteriana contra Salmonella typhi e S. aureus em vitro. De todas as nanopartículas de óxido metálico estudadas até agora, as nanopartículas de óxido de zinco exibiram a maior toxicidade contra microrganismos [49]. Também foi demonstrado a partir de imagens SEM e TEM que as nanopartículas de óxido de zinco primeiro danificam a parede celular bacteriana, depois penetram e, finalmente, se acumulam na membrana celular. Eles interferem nas funções metabólicas dos micróbios que causam sua morte. Todas as características das nanopartículas de óxido de zinco dependem de seu tamanho de partícula, forma, concentração e tempo de exposição à célula bacteriana. Além disso, estudos de biodistribuição de nanopartículas de óxido de zinco também foram examinados. Por exemplo, Wang et al. [50] investigaram o efeito da exposição de longo prazo de nanopartículas de óxido de zinco na biodistribuição e metabolismo do zinco em camundongos durante 3 a 35 semanas. Seus resultados mostraram toxicidade mínima para camundongos quando eles foram expostos a 50 e 500 mg / kg de nanopartículas de óxido de zinco na dieta. Com uma dose mais elevada de 5000 mg / kg, as nanopartículas de óxido de zinco diminuíram o peso corporal, mas aumentaram o peso do pâncreas, cérebro e pulmão. Além disso, aumentou a atividade da transaminase glutâmico-pirúvica sérica e a expressão de mRNA de genes relacionados ao metabolismo do zinco, como a metalotioneína. Os estudos de biodistribuição mostraram o acúmulo de quantidade suficiente de zinco no fígado, pâncreas, rim e ossos. A absorção e distribuição de nanopartículas de óxido de zinco / micropartículas de óxido de zinco são amplamente dependentes do tamanho da partícula. Li et al. [51] estudaram a biodistribuição de nanopartículas de óxido de zinco alimentadas por via oral ou por injeção intraperitoneal em camundongos com 6 semanas de idade. Nenhum efeito adverso óbvio foi detectado em nanopartículas de óxido de zinco em camundongos tratados por via oral no estudo de 14 dias. No entanto, a injeção intraperitoneal de 2,5 g / kg de peso corporal administrada a camundongos mostrou acúmulo de zinco no coração, fígado, baço, pulmão, rim e testículos. Um aumento de quase nove vezes nas nanopartículas de óxido de zinco no fígado foi observado após 72 h. As nanopartículas de óxido de zinco demonstraram ter melhor eficiência na biodistribuição do fígado, baço e rim do que em camundongos alimentados por via oral. Como as nanopartículas de óxido de zinco são inócuas em baixas concentrações, elas estimulam certas enzimas no homem e nas plantas e suprimem doenças. Singh et al. [52] também revisaram recentemente a biossíntese de nanopartículas de óxido de zinco, sua absorção, translocação e biotransformação no sistema vegetal.

Nesta revisão, tentamos consolidar todas as informações sobre nanopartículas de óxido de zinco como agente antibacteriano. O mecanismo de interação das nanopartículas de óxido de zinco contra uma variedade de micróbios também foi discutido em detalhes.

Atividade antimicrobiana de nanopartículas de óxido de zinco

É universalmente conhecido que as nanopartículas de óxido de zinco são antibacterianas e inibem o crescimento de microrganismos ao penetrar na membrana celular. O estresse oxidativo danifica lipídios, carboidratos, proteínas e DNA [53]. A peroxidação lipídica é obviamente a mais crucial que leva à alteração da membrana celular, que eventualmente interrompe as funções celulares vitais [54]. Tem sido apoiado por mecanismo de estresse oxidativo envolvendo nanopartículas de óxido de zinco em Escherichia coli [55]. No entanto, para suspensão de óxido de zinco a granel, geração externa de H ₂ O ₂ foi sugerido para descrever as propriedades antibacterianas [56]. Além disso, a toxicidade das nanopartículas, liberando íons tóxicos, foi considerada. Como o óxido de zinco é anfotérico por natureza, ele reage com ácidos e álcalis, dando Zn ²⁺ íons.

O Zn gratuito ²⁺ Os íons se ligam imediatamente às biomoléculas, como proteínas e carboidratos, e todas as funções vitais das bactérias param de continuar. A toxicidade do óxido de zinco, nanopartículas de zinco e ZnSO ₄ · 7H ₂ O foi testado (Tabela 1) contra Vibrio fischeri . Verificou-se que ZnSO ₄ · 7H ₂ O é seis vezes mais tóxico que as nanopartículas de óxido de zinco e o óxido de zinco. As nanopartículas estão realmente dispersas no solvente, não dissolvidas e, portanto, não podem liberar Zn ²⁺ íons. A biodisponibilidade de Zn ²⁺ íons nem sempre é 100% e pode, invariavelmente, mudar com o pH fisiológico, potencial redox e os ânions associados a ele, como Cl ^- ou SO ₄ ²⁻ .

A solubilidade do óxido de zinco (1,6–5,0 mg / L) em meio aquoso é maior do que a das nanopartículas de óxido de zinco (0,3–3,6 mg / L) no mesmo meio [57], que é tóxico para algas e crustáceos. Tanto o óxido de nano-zinco quanto o óxido de zinco em massa são 40-80 vezes menos tóxicos do que o ZnSO ₄ contra V. fischeri . A maior atividade antibacteriana do ZnSO ₄ é diretamente proporcional à sua solubilidade, liberando Zn ²⁺ íons, que tem maior mobilidade e maior afinidade [58] para biomoléculas na célula bacteriana devido à carga positiva no Zn ²⁺ e carga negativa nas biomoléculas.

Uma vez que o óxido de zinco e suas nanopartículas têm solubilidade limitada, eles são menos tóxicos para os micróbios do que o ZnSO ₄ altamente solúvel · 7H ₂ O. No entanto, não é essencial para as nanopartículas de óxido de metal entrar na célula bacteriana para causar toxicidade [59]. O contato entre as nanopartículas e a parede celular é suficiente para causar toxicidade. Se estiver correto, então grandes quantidades de nanopartículas de metal são necessárias para que as células bacterianas sejam completamente envolvidas e protegidas de seu ambiente, sem deixar chance de absorção de nutrição para continuar o processo de vida. Como as nanopartículas e íons metálicos são menores do que as células bacterianas, é mais provável que rompam a membrana celular e inibam seu crescimento.

Vários óxidos de metal nanométricos, como ZnO, CuO, Al ₂ O ₃ , La ₂ O ₃ , Fe ₂ O ₃ , SnO ₂ e TiO ₂ mostraram exibir a maior toxicidade contra E. coli [49]. Nanopartículas de óxido de zinco são usadas externamente para o tratamento de infecções bacterianas leves, mas o íon zinco é um oligoelemento essencial para alguns vírus e seres humanos que aumentam a atividade enzimática da integrase viral [45, 60, 61]. Também foi apoiado por um aumento do vírus da necrose pancreática infecciosa em 69,6% quando tratado com 10 mg / L de Zn [46]. Pode ser devido à maior solubilidade dos íons Zn em relação ao ZnO sozinho. As imagens SEM e TEM mostraram que as nanopartículas de óxido de zinco danificam a parede celular bacteriana [55, 62] e aumentam a permeabilidade, seguido por seu acúmulo em E. coli evitando sua multiplicação [63].

No passado recente, a atividade antibacteriana de nanopartículas de óxido de zinco foi investigada contra quatro bactérias gram-positivas e gram-negativas conhecidas, a saber Staphylococcus aureus , E. coli , Salmonella typhimurium e Klebsiella pneumoniae . Observou-se que a dose inibidora de crescimento das nanopartículas de óxido de zinco foi de 15 μg / ml, embora no caso de K. pneumoniae , era tão baixo quanto 5 μg / ml [63, 64]. Foi notado que com o aumento da concentração de nanopartículas, aumenta a inibição do crescimento de micróbios. Quando foram incubados por um período de 4-5 h com uma concentração máxima de nanopartículas de óxido de zinco de 45 μg / ml, o crescimento foi fortemente inibido. Espera-se que se o tempo de incubação for aumentado, a inibição do crescimento também aumente sem muita alteração no mecanismo de ação [63].

Foi relatado que as nanopartículas de óxido de metal primeiro danificam a membrana celular bacteriana e, em seguida, penetram nela [64]. Também foi proposto que o lançamento de H ₂ O ₂ pode ser uma alternativa à atividade antibacteriana [65]. Esta proposta, no entanto, requer prova experimental porque a mera presença de nanopartículas de óxido de zinco não é suficiente para produzir H ₂ O ₂ . Nanopartículas de zinco ou nanopartículas de óxido de zinco de concentração extremamente baixa não podem causar toxicidade no sistema humano. A ingestão diária de zinco por meio dos alimentos é necessária para realizar as funções metabólicas regulares. O óxido de zinco é conhecido por proteger o estômago e o trato intestinal de danos causados por E. coli [65]. O pH no estômago varia entre 2 a 5 e, portanto, o óxido de zinco no estômago pode reagir com o ácido para produzir Zn ²⁺ íons. Eles podem ajudar na ativação da enzima carboxipeptidase, anidrase carbônica e álcool desidrogenase, que auxiliam na digestão de carboidratos e álcool. Premanathan et al. [66] relataram a toxicidade de nanopartículas de óxido de zinco contra células procarióticas e eucarióticas. O MIC de nanopartículas de óxido de zinco contra E. coli , Pseudomonas aeruginosa , e S. aureus foram encontrados para ser 500 e 125 μg / ml, respectivamente. Dois mecanismos de ação têm sido propostos para a toxicidade de nanopartículas de óxido de zinco, a saber (1) geração de ROS e (2) indução de apoptose. Nanopartículas de óxido de metal induzem a produção de ROS e colocam as células sob estresse oxidativo, causando danos aos componentes celulares, ou seja, lipídios, proteínas e DNA [67,68,69]. Nanopartículas de óxido de zinco, portanto, induzem toxicidade por apoptose. Eles são relativamente mais tóxicos para as células cancerosas do que as células normais, embora não consigam distingui-los.

Recentemente, Pati et al. [70] demonstraram que as nanopartículas de óxido de zinco interrompem a integridade da membrana celular bacteriana, reduzem a hidrofobicidade da superfície celular e regulam negativamente a transcrição de genes de resistência ao estresse oxidativo em bactérias. Eles aumentam a morte bacteriana intracelular induzindo a produção de ROS. Essas nanopartículas interrompem a formação de biofilme e inibem a hemólise pela toxina hemolisina produzida por patógenos. A administração intradérmica de nanopartículas de óxido de zinco reduziu significativamente a infecção e inflamação da pele em camundongos e também melhorou a arquitetura da pele infectada.

Solubilidade e atividade dependente da concentração de nanopartículas de óxido de zinco

Nanopartículas também têm sido usadas como um transportador para entregar agentes terapêuticos para tratar infecções bacterianas [1, 9]. Como as nanopartículas de óxido de zinco até uma concentração de 100 μg / ml são inofensivas para as células normais do corpo, elas podem ser usadas como uma alternativa aos antibióticos. Verificou-se que 90% das colônias bacterianas pereceram após serem expostas a uma dose de 500-1000 μg / ml de nanopartículas de óxido de zinco por apenas 6 h. Mesmo o S. resistente a medicamentos aureus , Mycobacterium smegmatis e Mycobacterium bovis quando tratados com nanopartículas de óxido de zinco em combinação com uma dose baixa de fármaco anti-tuberculose, rifampicina (0,7 μg / ml), foi observada uma redução significativa no seu crescimento. Esses patógenos foram completamente destruídos quando incubados por 24 h com 1000 μg / ml de nanopartículas de óxido de zinco. Conclui-se, portanto, que se repetir a mesma dose, o paciente com essas doenças infecciosas pode ficar completamente curado. Também foi observado que o tamanho das nanopartículas de óxido de zinco variando entre 50 e 500 nm têm efeito idêntico na inibição do crescimento bacteriano.

A citotoxicidade do óxido de zinco foi estudada por muitos pesquisadores em uma variedade de micróbios e sistemas vegetais [71,72,73,74]. A toxicidade das nanopartículas de óxido de zinco depende da concentração e da solubilidade. Foi demonstrado que a concentração máxima de exposição da suspensão de óxido de zinco (125 mg / l) liberou 6,8 mg / l de Zn ²⁺ íons. A toxicidade é um efeito combinado de nanopartículas de óxido de zinco e Zn ²⁺ íons liberados no meio aquoso. No entanto, foi detectado efeito mínimo dos íons metálicos, o que sugere que a inibição do crescimento bacteriano se deve principalmente à interação de nanopartículas de óxido de zinco com microrganismos. O efeito citotóxico de uma nanopartícula de óxido de metal em particular é sensível às espécies, o que é refletido pela zona de inibição de crescimento de várias bactérias [75].

Foi sugerido que a inibição do crescimento de células bacterianas ocorre principalmente por Zn ²⁺ íons que são produzidos pela dissolução extracelular de nanopartículas de óxido de zinco [76]. Cho et al. [77] concluíram de seus estudos em ratos que as nanopartículas de óxido de zinco permanecem intactas em torno de pH neutro ou biológico, mas se dissolvem rapidamente em condições ácidas (pH 4,5) no lisossoma dos micróbios, levando à sua morte. Isso é verdade porque em condições ácidas, o óxido de zinco se dissolve e o Zn ²⁺ São produzidos íons, que se ligam às biomoléculas dentro da célula bacteriana, inibindo seu crescimento.

As nanopartículas de óxido de zinco demonstraram ser citotóxicas para diferentes células imunocompetentes primárias. A análise transcriptômica mostrou que as nanopartículas tinham uma assinatura gênica comum com a regulação positiva de genes de metalotioneína atribuída à dissolução das nanopartículas [78]. No entanto, não foi possível determinar se o zinco absorvido era Zn ²⁺ ou óxido de zinco ou ambos, embora nanopartículas de óxido de zinco de tamanho menor tenham maior concentração no sangue do que as maiores (19 e> 100 nm). A eficiência das nanopartículas de óxido de zinco depende principalmente do meio de reação para formar Zn ²⁺ e sua penetração na célula.

Chiang et al. [79] relataram que a dissociação de nanopartículas de óxido de zinco resulta na destruição da homeostase do Zn celular. As propriedades características das nanopartículas e seu impacto nas funções biológicas são totalmente diferentes daquelas do material a granel [80]. A agregação de nanopartículas influencia a citotoxicidade dos macrófagos, e sua concentração auxilia na modulação da agregação das nanopartículas. Baixa concentração de nanopartículas de óxido de zinco é ineficaz, mas em concentrações mais altas (100 μg / ml), elas exibem citotoxicidade que varia de um patógeno para outro.

O uso inadvertido de nanopartículas de óxido de zinco pode, às vezes, afetar adversamente o sistema vivo. Foi estudada a sua apoptose e potencial genotóxico nas células hepáticas humanas e a toxicidade celular. Verificou-se que ocorre uma diminuição na viabilidade das células do fígado quando elas são expostas a 14–20 μg / ml de nanopartículas de óxido de zinco por 12 h. Também induziu danos ao DNA por estresse oxidativo. Sawai et al. [56] demonstraram que a geração de ROS é diretamente proporcional à concentração de óxido de zinco em pó. ROS desencadeou uma diminuição no potencial da membrana mitocondrial levando à apoptose [81]. A captação celular de nanopartículas não é obrigatória para que ocorra citotoxicidade.

Atividade antibacteriana dependente do tamanho de nanopartículas de óxido de zinco

Em um estudo, Azam et al. [82] relataram que a atividade antimicrobiana contra ambos gram-negativos ( E. coli e P. aeruginosa ) e gram-positivo ( S. e Bacillus subtilis ) as bactérias aumentaram com o aumento da razão superfície-volume devido a uma diminuição no tamanho das partículas de nanopartículas de óxido de zinco. Além disso, nesta investigação, nanopartículas de óxido de zinco mostraram inibição máxima (25 mm) do crescimento bacteriano contra B. subtilis (Figura 1).

Foi relatado que o tamanho menor das nanopartículas de óxido de zinco exibe maior atividade antibacteriana do que as partículas em microescala [83]. Por exemplo, Au ⁵⁵ Foi demonstrado que nanopartículas de 1,4 nm de tamanho interagem com os sulcos principais do DNA, o que é responsável por sua toxicidade [84]. Embora resultados contraditórios tenham sido relatados, muitos pesquisadores mostraram efeito positivo das nanopartículas de óxido de zinco nas células bacterianas. No entanto, Brayner et al. [63] a partir de imagens TEM mostraram que nanopartículas de óxido de zinco de 10–14 nm foram internalizadas (quando expostas a micróbios) e danificaram a membrana celular bacteriana. Também é essencial que as nanopartículas de óxido de zinco / zinco não sejam tóxicas para o ser humano, uma vez que são tóxicas para células T acima de 5 mM [85] e para células de neuroblastoma acima de 1,2 mM [86]. Nair et al. [87] exploraram exclusivamente o efeito do tamanho das nanopartículas de óxido de zinco na toxicidade bacteriana e celular. Eles estudaram a influência das nanopartículas de óxido de zinco em bactérias gram-positivas e gram-negativas e em linhas de células de câncer de osteoblasto (MG-63).

Sabe-se que a atividade antibacteriana das nanopartículas de óxido de zinco é inversamente proporcional ao seu tamanho e diretamente proporcional à sua concentração [88]. Também foi notado que não requer luz ultravioleta para ativação; funciona sob luz solar normal ou mesmo difusa. A atividade citotóxica talvez envolva a produção de ROS e o acúmulo de nanopartículas no citoplasma ou na membrana celular externa. No entanto, a produção de H ₂ O ₂ e seu envolvimento na ativação de nanopartículas não pode ser ignorado. Raghupathi et al. [88] sintetizaram nanopartículas de óxido de zinco a partir de diferentes sais de zinco e observaram que nanopartículas obtidas de Zn (NO ₃ ) ₂ eram os menores em tamanho (12 nm) e os maiores em área de superfície (90,4). Os autores demonstraram que a inibição do crescimento de S. aureus a uma concentração de 6 mM de nanopartículas de óxido de zinco é dependente do tamanho. Também foi indicado a partir da determinação de células viáveis durante a exposição de células bacterianas a nanopartículas de óxido de zinco que o número de células recuperadas diminuiu significativamente com a diminuição do tamanho das nanopartículas de óxido de zinco. Jones et al. [89] mostraram que nanopartículas de óxido de zinco de 8 nm de diâmetro inibiram o crescimento de S. aureus , E. coli , e B. subtilis. Nanopartículas de óxido de zinco variando entre 12 e 307 nm foram selecionadas e confirmaram a relação entre a atividade antibacteriana e seu tamanho. Sua toxidade para os micróbios foi atribuída à formação de Zn ²⁺ íons de óxido de zinco quando está suspenso em água e também, em certa medida, a uma ligeira mudança no pH. Desde Zn ²⁺ Os íons são raramente liberados das nanopartículas de óxido de zinco, a atividade antibacteriana se deve principalmente a nanopartículas de óxido de zinco menores. Quando o tamanho é 12 nm, ele inibe o crescimento de S. aureus , mas quando o tamanho excede 100 nm, o efeito inibitório é mínimo [89].

Forma, composição e citotoxicidade das nanopartículas de óxido de zinco

Nanopartículas de óxido de zinco têm mostrado citotoxicidade de maneira dependente da concentração e tipo de células expostas devido a diferentes sensibilidades [90, 91]. Sahu et al. [90] destacaram a diferença de citotoxicidade entre o tamanho de partícula e a diferente sensibilidade das células em relação às partículas da mesma composição. Em outro estudo recente, Ng et al. [91] examinaram a citotoxicidade dependente da concentração em células MRC5 de pulmão humano. Os autores relataram a captação e internalização de nanopartículas de óxido de zinco nas células MRC5 do pulmão humano usando investigação TEM. Essas partículas foram observadas no citoplasma das células na forma de aglomerados de elétrons densos, que foram posteriormente incluídos em vesículas, enquanto nanopartículas de óxido de zinco não foram encontradas em células controle não tratadas. Papavlassopoulos et al. [92] sintetizaram tetrápodes de nanopartículas de óxido de zinco por uma rota inteiramente nova conhecida como “abordagem de síntese de transporte de chama”. Os tetrápodes têm morfologia diferente em comparação com as nanopartículas de óxido de zinco sintetizadas convencionalmente. Sua interação com células fibroblásticas de mamíferos in vitro indicou que sua toxicidade é significativamente menor do que a das nanopartículas esféricas de óxido de zinco. Os tetrápodes exibiram estrutura de cristal de wurtzita hexagonal com Zn alternado ²⁺ e O ²⁻ íons com geometria tridimensional. Eles bloqueiam a entrada de vírus nas células vivas, o que é ainda melhorado pela iluminação precisa deles com radiação ultravioleta. Como os tetrápodes de óxido de zinco têm lacunas de oxigênio em sua estrutura, o Herpes simplex os vírus são anexados por meio de sulfato de heparana e têm sua entrada negada nas células do corpo. Assim, eles evitam a infecção por HSV-1 e HSV-2 in vitro. Os tetrápodes de óxido de zinco podem, portanto, ser usados como agente profilático contra essas infecções virais. A citotoxicidade das nanopartículas de óxido de zinco também depende da taxa de proliferação de células de mamíferos [66, 93]. A reatividade e toxicidade da superfície também podem ser variadas controlando a vacância de oxigênio em tetrápodes de óxido de zinco. Quando são expostos à luz ultravioleta, a vacância de oxigênio nos tetrápodes aumenta rapidamente. Alternativamente, a vacância de oxigênio pode ser diminuída aquecendo-os em um ambiente rico em oxigênio. Assim, é uma propriedade única dos tetrápodes de óxido de zinco que pode ser alterada à vontade, o que consequentemente altera sua eficiência antimicrobiana.

Estudos em animais indicaram um aumento na inflamação pulmonar, estresse oxidativo, etc. na exposição respiratória a nanopartículas [94]. Yang et al. [95] investigaram a citotoxicidade, genotoxicidade e estresse oxidativo de nanopartículas de óxido de zinco em células primárias de fibroblastos de embrião de camundongo. Foi observado que as nanopartículas de óxido de zinco induziram citotoxicidade significativamente maior do que a induzida por carbono e SiO ₂ nanopartículas. Foi ainda confirmado medindo a depleção de glutationa, produção de malondialdeído, inibição de superóxido dismutase e geração de ROS. Os potenciais efeitos citotóxicos de diferentes nanopartículas foram atribuídos à sua forma.

Nanopartículas revestidas com polímero

Muitas infecções bacterianas são transmitidas pelo contato com maçanetas, teclados, torneiras, banheiras e telefones; portanto, é essencial desenvolver e revestir tais superfícies com substâncias antibacterianas avançadas de baixo custo para que seu crescimento seja inibido. É importante usar concentrações de substâncias antibacterianas de modo que possam matar os patógenos, mas poupar os seres humanos. Isso só pode acontecer se forem revestidos com um polímero hidrofílico biocompatível de baixo custo. Schwartz et al. [96] relataram a preparação de um novo hidrogel de material composto antimicrobiano pela mistura de um poli ( N biocompatível -isopropilacrilamida) com nanopartículas de óxido de zinco. A imagem SEM do filme composto mostrou distribuição uniforme de nanopartículas de óxido de zinco. Exibiu atividade antibacteriana contra E. coli a uma concentração de óxido de zinco muito baixa (1,33 mM). Além disso, verificou-se que o revestimento não era tóxico para a linha de células de mamíferos (N1H / 3T3) por um período de 1 semana. O nanocompósito de óxido de zinco / hidrogel pode ser usado com segurança como revestimento biomédico para evitar que as pessoas contraiam infecções bacterianas.

Embora as nanopartículas de óxido de zinco sejam estáveis, elas foram posteriormente estabilizadas revestindo-as com diferentes polímeros, como polivinilpirolidona (PVP), álcool polivinílico ( PVA ), poli (ácido α, γ, l-glutâmico) (PGA), polietilenoglicol (PEG), quitosano e dextrano [97, 98]. A atividade antibacteriana de nanopartículas de óxido de zinco projetadas foi examinada contra patógenos Gram-negativos e Gram-positivos, nomeadamente E. coli e S. aureus e em comparação com o pó de óxido de zinco comercial. As nanopartículas esféricas de óxido de zinco revestidas com polímero mostraram destruição máxima de células bacterianas em comparação com o pó de óxido de zinco em massa [99]. Como as nanopartículas revestidas com polímeros são menos tóxicas devido à sua baixa solubilidade e liberação sustentada, sua citotoxicidade pode ser controlada revestindo-as com um polímero adequado.

Efeito do tamanho e formato das partículas de nanopartículas revestidas com polímero na atividade antibacteriana

E. coli e 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 Zn²⁺ 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 Zn²⁺ that induced 50% reduction in viability in Zn²⁺ -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 Zn²⁺ 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.

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].

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).

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 Zn²⁺ 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 Zn²⁺ 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.

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.

Microarranjos mesoporosos de VO2 bidimensional para supercapacitor de alto desempenho Efeito de diferentes morfologias CH3NH3PbI3 nas propriedades fotovoltaicas de células solares de perovskita

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