Herbal nanoparticles

NanoMicrobiol NanoBiotechnol, 2022 (1), 202216

DOI: 10.52547/nanomicrob.2022.1.6

Review

Herbal nanoparticles: a promising class of nano-objects in microbiology and biotechnology

Nahid Moradi 1*

1 Department of Medical Nanotechnology, School of Advanced Medical Sciences and Technologies, Shiraz university of Medical Sciences, Shiraz, Iran
*Correspondence:  rayamoradi1990@gmail.com

Abstract

With the spread of resistant microbial infections, scientific efforts to reach new antimicrobial compounds is growing significantly. Meanwhile, the use of antimicrobial nanoparticles has been more successful than other fields. Silver and zinc nanoparticles are now commercially used as antimicrobial compounds. Plant nanoparticles are a new class of antimicrobial nanostructures that have received much attention in recent years. These nanoparticles are fabricated by top-down approach via ball mills. For this purpose, dried tissues of plants that have approved antimicrobial properties are subjected to several stages of milling. At each stage, mill conditions such as the size of the pellets, the ratio of pellets to the sample, and the duration of the mill are adjusted to produce a fine powder. Eventually the particle size will be so small that their mean size will be at the nanoscale. These nanoparticles have proven antimicrobial properties and therapeutic applications.

Key words: Antimicrobial; Antibacterial; Ball mill; Green synthesis; Plant

1 مقدمه

زندگی بشر امروز به شدت تحت تاثیر باکتری‌ها قرار گرفته است و به علت استفاده‌ی بی‌رویه از آنتی بیوتیک‌ها و گسترش سویه‌های مقاوم، امروزه باکتری‌ها مقاومت بالایی نسبت به آنتی بیوتیک‌های موجود پیدا کرده اند. تأثیر آنتی‌بیوتیک‌ها در درمان بیماری‌های عفونی غیر قابل اغماض می‌باشد.  اما استفاده بیش از حد این داروها و شیوع سویه‌های مقاوم به بحرانی جهانی بدل شده است. تنها در سال 2010 حدود 258 میلیون دوره‌ی رژیم آنتی بیوتیکی به صورت سرپایی در ایالات متحده استفاده شده که به میزان 833 مورد در هر1000 نفر جمعیت بوده است. در حدود 60 درصد از بیماران بستری شده در ایالات متحده حداقل یک دوز آنتی بیوتیک در طی دوره بستری خود دریافت می‌کنند و به نظر می‌رسد که نیمی از این موارد نامناسب و یا غیرضروری باشند. گزارشات سازمان بهداشت جهانی بر اساس جمع بندی مطالعات انجام شده بین سال‌های 1994تا 2006 نشان می‌دهد که حدود 50 درصد از موارد مصرف آنتی بیوتیک‌ها در اکثر کشورها نامناسب یا با دوز ناکافی بوده است. در سال 2015 ایران با دوز مصرف روزانه 78/38 در رتبه‌ی دوم مصرف آنتی بیوتیک پس از  مانگولا قرار گرفته است. مصرف آنتی بیوتیک در کشور ما ایران نزدیک به 16 برابر استاندارد جهانی می‌باشد. در کره جنوبی میزان مصرف آنتی بیوتیک در افراد زیر6 سال بیشترین میزان را در سال 2014 نشان می‌دهد، به طوری که دوز مصرف 21/59 می‌باشد (1).

توسعه‌ی مقاومت در مقابل آنتی‌بیوتیک‌ها تهدیدی جدی جهت درمان بیماری‌های عفونی می‌باشد. بیماری‌های حاصل از عفونت‌های مقاوم به آنتی بیوتیک مانند سل تاثیرات چشم‌گیری درکشورهای توسعه یافته دارند. تنها در سال 2013 حدود 480 هزار مورد سل در سطح جهان شناسایی شدند. پیش بینی شده عفونت‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک‌ها در جهان موجب سالانه 10میلیون مرگ تا سال 2050 شود. همچنین مصرف اکثر داروهای ضدمیکروبی به دلیل انحلال پایین، ایجاد سمیت غیراختصاصی و همچنین تخریب و حذف زیستی سریع‌ آنها در جریان خون با محدودیت شدیدی روبرو می‌باشد.

سویه‌های باکتریایی همچونMRSA (Methicillin-resistant Staphylococcus aureus)  گستره‌ی وسیعی از عفونت‌های پوستی، تنفسی و بیماری‌های تهدیدکننده مانند ذات‌الریه و مننژیت را ایجاد نموده و سالانه 50 هزار بیمار در ایالات متحده آمریکا و اروپا را به کام مرگ می‌کشاند (2). سودوموناس مقاوم به دارو اغلب به عنوان عامل 15درصد عفونت‌های سوختگی گزارش شده است. این سویه‌، مقاومت بالایی در برابر آنتی‌بیوتیک‌هایی همچون آمپی‌سیلین و کوتریموکسازول بروز می‌دهد (3). بیماری‌زایی سودوموناس عمدتا به علت تولید عوامل خارج سلولی همچون هیدروژن سیانید، الاستاز، زینک متالوپروتئاز وآلکالین پروتئاز می‌باشد. این باکتری پس از کلونیزاسیون در زخم میتواند باعث آسیب گسترده بافتی، خونریزی شدید و انتشار عفونت شود (3). نتایج مطالعات ژنتیکی بر روی سودوموناس حاکی از فراوانی و ناهمگنی ژن‌های مقاومت به دارو در این باکتری می‌باشد. عفونت زخم با سودوموناس مقاوم به دارو موجب طولانی شدن مدت زمان بستری در بیمارستان و دوره درمان می‌شود. همچنین در برخی موارد به درمان‌های تهاجمی همچون جراحی نیاز می‌باشد (3). در رابطه با باکتری مایکوباکتریوم عامل سل تست مقاومت به دارو و تست حساسیت ضدمیکروبی (AST) در موارد عدم موفقیت در درمان استاندارد اجباری است (4). مقاومت این باکتری به delamanid به علت جهش در مسیر زیستی فعالسازی وابسته به F420 است (5). هم اکنون سل ناشی از عفونت مایکوباکتریوم در کنار ایدز به عنوان عامل اصلی مرگ در اثر بیماری‌های عفونی در جهان قرار دارد. این بحران تنها در سال 2016 نزدیک به 10 میلیون مورد را درگیر کرده است که 3/1 میلیون فوت در اثر بیماری سل گزارش شده است (5). گسترش عوامل میکروبی مقاوم و در کنار آن ناکارآمدی آنتی‌بیوتیک‌های موجود، موجب شده است که پژوهشگران علوم پزشکی و میکروب‌شناسی تلاش نمایند تا از علوم نوین جهت مقابله با میکروارگانیسم‌های بیماریزا استفاده نمایند.

امروزه با پیشرفت نانوتکنولوژی در تمامی حیطه‌ها از جمله کاربردهای زیست محیطی، غذایی و تشخیص و درمان بالینی میتوان انتظار داشت این فناوری در زمینه مقابله با عفونت‌های میکروبی نیز به یاری انسان بیاید. امروزه ثابت شده است که نانوذرات فلزی مانند نقره، روی و تیتانیوم اکساید خواص ضد میکروبی قابل توجه دارند. استفاده‌ی تجاری از خواص ضد میکروبی این نانوذرات در حال توسعه‌ی روز افزون است و این نانوذرات در پوشش‌های زخم، خمیردندان ها، حذف آلودگی های آب و در کالاهای آرایشی و بهداشتی استفاده می‌گردند. گسترش استفاده از نانوذرات فلزی خطراتی را نیز از تولید تا دورریزش برای محیط زیست، حیوانات و انسان ایجاد می‌نماید که مبتنی بر شیوه تعامل آنها با موجودات زنده و محیط زیست می‌باشد. به عنوان مثال نانوذره نقره اثرات سمی وابسته به دوز و اندازه بر بافت ریه ایجاد می‌کند و هم چنین در ایجاد التهاب و تخریب ژنوم سلول‌ها نقش دارد. از دیگر معایب و محدودیت‌های نانوذرات فلزی عدم امکان تجویز سیستمیک و یا خوراکی این نانوذرات می‌باشد. این نانوذرات به دلیل سمیت بالا، تنها جهت مصارف موضعی قابل استفاده می‌باشند و امکان استفاده از آنها در عفونت‌هایی غیر از عفونت‌های جلدی وجود ندارد. در نتیجه لزوم گسترش مطالعات در جهت دستیابی به انواع جدید از نانوذرات ضد میکروبی با سمیت پایین تر احساس می شود.

درحال حاضر استفاده از داروهای گیاهی به دلایلی مانند سازگاری با محیط زیست، عدم سمیت، دربرخی موارد غیرآلرژیک، کم هزینه بودن و دردسترس بودن به طور ویژه در حال توسعه می‌باشد. علاوه بر همه اینها فیتوکمیکال‌های موجود در گیاهان همانند ترپنوئید، فلاوونوئید، ساپونین، گلوکولوتئولین، دگزامتازون و غیره خواص آنتی باکتریال بالقوه دارند. طبیبان و دانشمندان از دیرباز به کاربردهای ضد میکروبی گیاهان پی برده بودند. به عنوان مثال گیاهی مانند سیر در برابر باکتری اشریشیا کولی، سالمونلا و استافیلوکوکوس به شدت موثر می‌باشد. همچنین به عنوان مهارکننده عوامل بیماری‌زا درصنعت غذایی استفاده می‌گردد و می‌تواند از مسمومیت غذایی جلوگیری نماید (6). دارچین که به عنوان طعم دهنده در مواد غذایی مصرف می‌شود، بیشترین اثر کشندگی را بر باکتری اشریشیا کولی دارد (7). زردچوبه مثال دیگری است که به علت وجود کورکومین دارای خاصیت آنتی باکتریال قوی در برابر سالمونلا و تریکوفایتون می‌باشد.

طب سنتی همواره راهنمای مفیدی در علوم پزشکی است، درطب سنتی ایرانی بسیاری از گیاهان ذکر شده که می‌تواند در کشف دارو مورد بهره برداری قرارگیرد. یکی از این گیاهان آلوئه ورا است که دارای خواصی از جمله محافظ کبدی، اثرات مفید دربرابر مشکلات پوستی، زخم و بیماری های عفونی است. از آلوئه ورا به عنوان ملین برای پاکسازی معده از مواد صفراوی، بلغمی اضافه و عفونت استفاده می‌شود. گیاه اسطوخودوس که به توصیه‌ی ابوعلی سینا جهت تسکین درد و کاهش حساسیت استفاده می‌شود، در کاهش فشار خون و التیام سوختگی و تسکین اعصاب نیز نقش دارد. آویشن نمونه‌ی دیگری از کاربرد گیاهان در طب سنتی می باشد، چندین قرن است که از آویشن برای درمان سرفه و برونشیت استفاده می‌کنند. در مطالعه‌ای که توسط مؤسسه‌ی «Practice for Internal Medicine and Pneumology»  در کشور آلمان انجام شد، از درمانی خوراکی که ترکیبی از آویشن و پیچک بود استفاده شد. گروهی که با این دارو تحت درمان قرار گرفتند، کاهش ۵۰ درصدی میزان سرفه داشتند. آویشن علاوه بر کاروکرول، حاوی انواع فلاونوئیدها از جمله آپيژنین، نارينژين، لوتئولین و تیمونین است. این فلاونوئیدها قدرت آنتی‌اکسیدانی و ضدتوموری این گیاه را افزایش می‌دهند. هم اکنون استفاده از گیاهان در نانوفناوری بردو پایه استوار است، سنتز سبز نانوذرات فلزی با استفاده از ترکیبات گیاهی و دیگری نانوذرات گیاهی.

2 سنتز سبز نانوذرات فلزی

در سنتز سبز ازگیاه به عنوان عامل کاهنده استفاده می‌گردد، در این روش نیازی به استفاده از دما و فشار بالا نیست و همچنین کشت سلول و مراحلی از این قبیل نیز وجود ندارد. به همین دلیل استفاده از عصاره‌ی گیاهان به عنوان منابع پایدار در دسترس در تهیه‌ی نانوذرات فلزی زیست سازگار توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود معطوف نموده است. برای نمونه از گیاهانی مانند نارگیل، بادنجان، آلوئه ورا، برگ چای، خارخاسک، زیتون و مرکبات برای ساخت نانوذره نقره استفاده شده است (8). فعالیت ضد باکتریایی نانوذره نقره بر پایه سنتز سبز در برابر باکتری‌هایی همچون اشریشیا کولی، سودوموناس، باسیلوس و استافیلوکوکوس باعث می‌شود داروهای امیدوارکننده در برابر بیماری‌های عفونی باکتریایی تولید گردد. در مطالعه ای در سال 2018 سنتز زیست سازگار نانوذره زینک اکساید با استفاده از یک روش شیمی سبز ساده و جدید شامل استفاده از عصاره برگ گیاه انسولین به عنوان عامل کاهنده و پوشاننده انجام شده که علاوه بر خاصیت ضد میکروبی پر قدرت بر علیه هردو نوع باکتری گرم مثبت (باسیلوس) و گرم منفی (سالمونلا)، خاصیت ضد قارچی و ضد سرطان نیز دارا بوده است (9). هم چنین در ساخت نانوذره اکسید روی، بابونه و چای سبز نیز بکار گرفته شده که نتایج مثبتی در برابر انتروباکتر، اشریشیا کولی و نومونیا نشان داده است (7, 10). و در نهایت نانوذره تیتانیوم اکساید نیز با خاصیت آنتی باکتریال نسبتا قوی با استفاده از مرکبات و شنبلیله سنتز موفقی داشته است (11, 12).

3 نانوذرات گیاهی

در عین حالی که فناوری سنتز نانوذرات فلزی با استفاده از عصاره‌های گیاهی گسترش قابل توجهی یافته است، ساخت و کاربرد نانوذرات گیاهی در ابتدای راه می‌باشد. این نانوذرات با استفاده از آسیاب‌های گلوله ای به روش بالا به پایین و با استفاده از بافت‌های خشک گیاهی ساخته می‌شوند. در این روش ابتدا بافت گیاهی مورد نظر (ریشه، ساقه، برگ، گل، میوه و غیره) که دارای خاصیت دارویی مشخص می‌باشد خشک می‌گردد. بافت خشک شده باید به صورت پودر درآورده شود که این کار با استفاده از آسیاب‌های تیغه ای انجام می‌شود. پودر حاصل دارای ذرات درشت است و باید با استفاده از آسیاب گلوله ای مورد چندین مرحله آسیاب کاری قرار گیرد تا در نهایت پودر نرم و با اندازه ذرات در مقیاس نانومتر حاصل شود.

نانوذرات گیاهی به جهت ایمنی بالا و عدم سمیت، بستر مناسب و رو به رشدی را برای پیشرفت در زمینه‌ی علوم دارویی فراهم نموده است. به عنوان مثال در سال 2017 در مطالعه ای به بررسی خواص ضدباکتریایی و لاروکش نانوذره آکالیفا پرداخته و آن را به اثبات رسانده اند (13). مطالعه ای در سال 2017 توسط Karthik به خوبی خواص آنتی باکتریال نانوذره آلوئه ورا را نمایش می‌دهد (14). همچنین مطالعه Kumar در سال 2018 بیان گر خاصیت ضدمیکروبی نانوذره گیاه مانگرو می‌باشد (15). همان طور که مطرح شد فناوری نانوذرات گیاهی در سال‌های اولیه پدیداری است و تعداد مطالعات انجام شده و گزارشات موجود در این زمینه کمتر از انگشتان دست انسان است. با توجه به کارایی بالای گیاهان دارویی در پزشکی و علوم دارویی، می‌توان گفت این نانوذرات دارای پتانسیل بالایی جهت توسعه فناوری نانو در حیطه زیست پزشکی و علوم دارویی می‌باشند. به همین جهت نانوذرات گیاهی را می‌توان به عنوان مسیری مناسب جهت مطالعات بیشتر معرفی نمود.

نتیجه گیری

گیاهان به عنوان یک منبع غنی و طبیعی از ترکیبات بیوشیمیایی کاربردهای گسترده ای در علوم پزشکی یافته اند. در فناوری نانو و نانوبیوتکنولوژی نیز گیاهان کاربرد گسترده ای جهت سنتز سبز نانوذرات فلزی دارند. تا جایی که تنوع وسیعی از انواع نانوذرات فلزی با استفاده از عصاره‌های گیاهی سنتز شده اند. مطالعات اخیر کاربرد جدید از گیاهان را در فناوری نانو معرفی کرده است. بافت خشک گیاهان را می‌توان با استفاده از رویکرد بالا به پاین به نانوذرات گیاهی تبدیل نمود. این نانوذرات دارای خواص ضد میکروبی و دارویی قابل توجه می‌باشند. فناوری نانوذرات گیاهی در ابتدای راه قرار دارد و با توجه به عدم سمیت و زیست سازگاری بالا، این نانوذرات می‌توانند به عنوان یک گزینه‌ی امید بخش جهت مطالعات آینده و توسعه‌ی فرمولاسیون‌های دارویی مورد توجه قرار گیرند.  

منابع

1. 1. Park J, Han E, Lee S O, Kim D-S. Antibiotic use in South Korea from 2007 to 2014: A health insurance database-generated time series analysis. PLoS One. 2017, doi. org/10.1371/journal.pone.01774357.
   2. Chokshi A, Sifri Z, Cennimo D, Horng H. Global Contributors to Antibiotic Resistance. J Glob Infect Dis. 2019; 11(1): 36–42.
   3. Haghi F, Zeighami H, Monazami A, Toutouchi F, Nazaralian S, Naderi G. Diversity of virulence genes in multidrug resistant Pseudomonas aeruginosa isolated from burn wound infections. Microb Pathog 2018;115:251-6.
   4. Schön T, Miotto P, Köser CU, Viveiros M, Böttger E, Cambau E. Mycobacterium tuberculosis drug-resistance testing: challenges, recent developments and perspectives. Clin Microbiol Infect. 2017;23(3):154-60.
   5. Fujiwaraa M, Kawasaki M, Hariguchia N, Liuc Y, Matsumotod M. Mechanisms of resistance to delamanid, a drug for Mycobacterium tuberculosis. Tuberculosis. 2018;186-94.
   6. Chand B. Antibacterial effect of garlic (Allium sativum) and ginger (Zingiber officinale) against Staphylococcus aureus, Salmonella typhi, Escherichia coli and Bacillus cereus. J Microbiol Biotechnol Food Sci. 2021;2021:2481-91.
   7. Abdulrasheed M, Ibrahim I, Luka A, Maryam A, Hafsat L, Ibrahim S, et al. Antibacterial effect of Cinnamon (Cinnamomum zeylanicum) bark extract on different bacterial isolates. J Environ Microbiol Toxicol. 2019;7(1):16-20.
   8. Khan UA, Rahman H, Niaz Z, Qasim M, Khan J, Rehman T, Rehman B. Antibacterial activity of some medicinal plants against selected human pathogenic bacteria. Eur J Microbiol Immunol. 2013;3(4):272-4.
   9. Suresh J , Pradheesh G, Alexramani V, Sundrarajan M, Hong S I. Green synthesis and characterization of zinc oxide nanoparticle using insulin plant (Costus pictus D. Don) and investigation of its antimicrobial as well as anticancer activities. Adv Nat Sci: Nanosci Nanotechnol. 2018. DOI: 10.1088/2043-6254/aaa6f1
   10. Senthilkumar S, Sivakumar T. Green tea (Camellia sinensis) mediated synthesis of zinc oxide (ZnO) nanoparticles and studies on their antimicrobial activities. Int J Pharm Pharm Sci. 2014;6(6):461-5.
   11. Subhapriya S, Gomathipriya P. Green synthesis of titanium dioxide (TiO₂) nanoparticles by Trigonella foenum-graecum extract and its antimicrobial properties. Microb. Pathog. 2018;116:215-20.
   12. Amanulla AM, Sundaram R. Green synthesis of TiO2 nanoparticles using orange peel extract for antibacterial, cytotoxicity and humidity sensor applications. Mater Today: Proc. 2018;8:323-31
   13. Karthik S, Suriyaprabha R, Vinoth M, Srither S R, Manivasakan P, Rajendran V, Valiyaveettil S. Larvicidal, super hydrophobic and antibacterial properties of herbal nanoparticles from Acalypha indica for biomedical applications. RSC adv. 2017; 7: 41763-70.
   14. Subramani BK, Rangaraj S, Palanisamy M, Venkatachalam R. Screening the UV-blocking and antimicrobial properties of herbal nanoparticles prepared from Aloe vera leaves for textile applications. IET Nanobiotechnol. 2017. DOI: 10.1049/iet-nbt.2017.0097.
   15. Kumar KV, Gorrepati R, Kakumanu B, Nattala T S, Naragani K. A study on antimicrobial properties of herbal nanoparticles of selected mangrove plants. Res J life Sci Bioanformatics Pharma Chemical Sci. 2018;4(5): 498-512.