Eigenschaften von Zinkoxid-Nanopartikeln und ihre Wirkung gegen Mikroben

Hintergrund

Die Nanotechnologie beschäftigt sich mit der Herstellung und Anwendung von Materialien mit einer Größe von bis zu 100 nm. Sie werden häufig in einer Reihe von Prozessen verwendet, die Materialwissenschaften, Landwirtschaft, Lebensmittelindustrie, kosmetische, medizinische und diagnostische Anwendungen umfassen [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]. Anorganische Verbindungen in Nanogröße haben aufgrund ihres hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses und ihrer einzigartigen chemischen und physikalischen Eigenschaften bereits bei sehr geringer Konzentration eine bemerkenswerte antibakterielle Aktivität gezeigt [11]. Darüber hinaus sind diese Partikel auch bei hoher Temperatur und hohem Druck stabiler [12]. Einige von ihnen gelten als ungiftig und enthalten sogar für den menschlichen Körper lebenswichtige Mineralstoffe [13]. Es wurde berichtet, dass die am stärksten antibakteriellen anorganischen Materialien metallische Nanopartikel und Metalloxid-Nanopartikel wie Silber, Gold, Kupfer, Titanoxid und Zinkoxid sind [14, 15].

Zink ist ein essentielles Spurenelement für das menschliche System, ohne das viele Enzyme wie Carboanhydrase, Carboxypeptidase und Alkoholdehydrogenase inaktiv werden, während die anderen beiden Mitglieder, Cadmium und Quecksilber, die zur gleichen Gruppe von Elementen mit der gleichen elektronischen Konfiguration gehören, giftig sind . Für Eukaryoten ist es essenziell, da es viele physiologische Funktionen moduliert [16, 17]. Bambussalz, das Zink enthält, wird als pflanzliches Arzneimittel zur Behandlung von Entzündungen durch Regulierung der Caspase-1-Aktivität verwendet. Es wurde gezeigt, dass Zinkoxid-Nanopartikel die mRNA-Expression von inflammatorischen Zytokinen reduzieren, indem sie die Aktivierung von NF-kB (Kernfaktor-Kappa-B-Zellen) hemmen [18].

Weltweit werden bakterielle Infektionen als ernstes Gesundheitsproblem anerkannt. Neue bakterielle Mutationen, Antibiotikaresistenzen, Ausbrüche von pathogenen Stämmen usw. nehmen zu, und daher ist die Entwicklung effizienterer antibakterieller Wirkstoffe der Zeitbedarf. Zinkoxid ist seit jeher für seine antibakteriellen Eigenschaften bekannt [19]. Es wurde während des Regimes der Pharaonen verwendet, und historische Aufzeichnungen zeigen, dass Zinkoxid in vielen Salben zur Behandlung von Verletzungen und Furunkeln sogar im Jahr 2000 v. Chr. verwendet wurde [20]. Es wird immer noch in Sonnenschutzlotionen, als Ergänzung, photoleitfähigem Material, LED, transparenten Transistoren, Solarzellen, Speichervorrichtungen [21, 22], Kosmetika [23, 24] und Katalyse [25] verwendet. Obwohl jedes Jahr eine beträchtliche Menge an ZnO produziert wird, wird eine sehr kleine Menge als Medizin verwendet [26]. Die US-amerikanische Food and Drug Administration hat Zinkoxid als sicher anerkannt (21 CFR 182.8991) [27]. Es zeichnet sich durch photokatalytische und photooxidierende Eigenschaften gegenüber Biochemikalien aus [28].

Zinkoxid wurde von der EU-Gefahrenklassifizierung als N eingestuft; R50-53 (ökotoxisch). Zinkverbindungen sind in Spuren ökotoxisch für Säugetiere und Pflanzen [29, 30]. Der menschliche Körper enthält etwa 2–3 g Zink, der Tagesbedarf beträgt 10–15 mg [29, 31]. Kein Bericht hat Kanzerogenität, Genotoxizität und Reproduktionstoxizität beim Menschen gezeigt [29, 32]. Inhaliertes oder eingenommenes Zinkpulver kann jedoch einen Zustand namens Zinkfieber hervorrufen, der von Schüttelfrost, Fieber, Husten usw. gefolgt wird.

Die Morphologie von Zinkoxid-Nanopartikeln hängt vom Syntheseprozess ab. Sie können Nanostäbchen, Nanoplättchen [33,34,35], Nanosphären [36], Nanoboxen [35], hexagonal, Tripods [37], Tetrapods [38], Nanowires, Nanotubes, Nanorings [39,40,41], Nanocages . sein , und Nanoblumen [42, 43]. Zinkoxid-Nanopartikel sind im Vergleich zu anderen NPs derselben Elementgruppe aktiver gegen grampositive Bakterien. Fertiggerichte sind anfälliger für Infektionen mit Salmonellen , Staphylococcus aureus , und E. coli die eine große Herausforderung für die Lebensmittelsicherheit und -qualität darstellen. Die antimikrobiellen Verbindungen werden in die verpackten Lebensmittel eingearbeitet, um diese vor Beschädigungen zu schützen. Antimikrobielle Verpackungen enthalten ein ungiftiges Material, das das Wachstum von Mikroben in Lebensmitteln oder Verpackungsmaterial hemmt oder verlangsamt [44]. Eine antimikrobielle Substanz für den menschlichen Verzehr muss die folgenden Eigenschaften aufweisen.

1. a)

   Es sollte ungiftig sein.

2. b)

   Es sollte nicht mit Lebensmitteln oder Behältern reagieren.

3. c)

   Es sollte von gutem Geschmack oder geschmacklos sein.

4. d)

   Es sollte keinen unangenehmen Geruch haben.

Zinkoxid-Nanopartikel ist ein solches anorganisches Metalloxid, das alle oben genannten Anforderungen erfüllt und daher sicher als Medizin, Konservierungsmittel in Verpackungen und als antimikrobielles Mittel verwendet werden kann [45, 46]. Es diffundiert leicht in das Nahrungsmaterial, tötet die Mikroben ab und verhindert, dass der Mensch erkrankt. Gemäß den Verordnungen 1935/2004/EG und 450/2009/EG der Europäischen Union werden aktive Verpackungen als aktive Materialien in Kontakt mit Lebensmitteln definiert, die die Fähigkeit haben, die Zusammensetzung des Lebensmittels oder die umgebende Atmosphäre zu verändern [47]. Daher wird es häufig als Konservierungsmittel verwendet und in polymeres Verpackungsmaterial eingearbeitet, um zu verhindern, dass Lebensmittel durch Mikroben beschädigt werden [48]. Zinkoxid-Nanopartikel wurden als antibakterielle Substanz gegen Salmonella typhi verwendet und S. aureus in vitro. Von allen bisher untersuchten Metalloxid-Nanopartikeln zeigten Zinkoxid-Nanopartikel die höchste Toxizität gegenüber Mikroorganismen [49]. Aus REM- und TEM-Bildern wurde auch gezeigt, dass Zinkoxid-Nanopartikel zuerst die bakterielle Zellwand schädigen, dann eindringen und sich schließlich in der Zellmembran anreichern. Sie stören die Stoffwechselfunktionen der Mikroben und verursachen ihren Tod. Alle Eigenschaften der Zinkoxid-Nanopartikel hängen von ihrer Partikelgröße, Form, Konzentration und Expositionszeit gegenüber der Bakterienzelle ab. Darüber hinaus wurden auch Bioverteilungsstudien von Zinkoxid-Nanopartikeln untersucht. Wang et al. [50] haben die Wirkung einer Langzeitexposition von Zinkoxid-Nanopartikeln auf die Bioverteilung und den Zinkmetabolismus bei Mäusen über 3 bis 35 Wochen untersucht. Ihre Ergebnisse zeigten eine minimale Toxizität für Mäuse, wenn sie 50 und 500 mg/kg Zinkoxid-Nanopartikel mit der Nahrung ausgesetzt wurden. Bei einer höheren Dosis von 5000 mg/kg verringerten Zinkoxid-Nanopartikel das Körpergewicht, erhöhten jedoch das Gewicht der Bauchspeicheldrüse, des Gehirns und der Lunge. Außerdem erhöhte es die Serum-Glutaminsäure-Pyruvin-Transaminase-Aktivität und die mRNA-Expression von Zinkmetabolismus-bezogenen Genen wie Metallothionein. Bioverteilungsstudien zeigten die Anreicherung einer ausreichenden Menge Zink in Leber, Bauchspeicheldrüse, Niere und Knochen. Absorption und Verteilung von Zinkoxid-Nanopartikeln/Zinkoxid-Mikropartikeln hängen stark von der Partikelgröße ab. Liet al. [51] haben die Bioverteilung von Zinkoxid-Nanopartikeln untersucht, die 6 Wochen alten Mäusen oral oder durch intraperitoneale Injektion verabreicht wurden. In einer 14-tägigen Studie wurden bei oral behandelten Mäusen mit Zinkoxid-Nanopartikeln keine offensichtlichen Nebenwirkungen festgestellt. Die intraperitoneale Injektion von 2,5 g/kg Körpergewicht bei Mäusen zeigte jedoch eine Anreicherung von Zink in Herz, Leber, Milz, Lunge, Niere und Hoden. Nach 72 h wurde ein fast neunfacher Anstieg der Zinkoxid-Nanopartikel in der Leber beobachtet. Zinkoxid-Nanopartikel haben eine bessere Effizienz bei der Bioverteilung von Leber, Milz und Niere als bei oral gefütterten Mäusen. Da Zinkoxid-Nanopartikel in geringen Konzentrationen unschädlich sind, stimulieren sie bestimmte Enzyme in Mensch und Pflanze und unterdrücken Krankheiten. Singh et al. [52] haben kürzlich auch einen Überblick über die Biosynthese von Zinkoxid-Nanopartikeln, ihre Aufnahme, Translokation und Biotransformation im Pflanzensystem erhalten.

In dieser Übersicht haben wir versucht, alle Informationen über Zinkoxid-Nanopartikel als antibakterielles Mittel zusammenzuführen. Der Mechanismus der Wechselwirkung von Zinkoxid-Nanopartikeln mit einer Vielzahl von Mikroben wurde ebenfalls ausführlich diskutiert.

Antimikrobielle Aktivität von Zinkoxid-Nanopartikeln

Es ist allgemein bekannt, dass Zinkoxid-Nanopartikel antibakteriell wirken und das Wachstum von Mikroorganismen hemmen, indem sie in die Zellmembran eindringen. Der oxidative Stress schädigt Lipide, Kohlenhydrate, Proteine ​​und DNA [53]. Die Lipidperoxidation ist offensichtlich die wichtigste, die zu einer Veränderung der Zellmembran führt, die schließlich lebenswichtige Zellfunktionen stört [54]. Es wurde durch den oxidativen Stressmechanismus unter Beteiligung von Zinkoxid-Nanopartikeln in Escherichia coli . unterstützt [55]. Bei Zinkoxid-Massensuspensionen jedoch externe Erzeugung von H₂ O₂ wurde vorgeschlagen, die antibakteriellen Eigenschaften zu beschreiben [56]. Auch die Toxizität von Nanopartikeln, die giftige Ionen freisetzen, wurde berücksichtigt. Da Zinkoxid von Natur aus amphoter ist, reagiert es sowohl mit Säuren als auch mit Alkalien und ergibt Zn ²⁺ Ionen.

Das kostenlose Zn ²⁺ Ionen binden sich sofort an die Biomoleküle wie Proteine ​​und Kohlenhydrate, und alle lebenswichtigen Funktionen der Bakterien werden eingestellt. Die Toxizität von Zinkoxid, Zink-Nanopartikeln und ZnSO₄ ·7H₂ O wurde gegen Vibrio fischeri . getestet (Tabelle 1) . Es wurde festgestellt, dass ZnSO₄ ·7H₂ O ist sechsmal toxischer als Zinkoxid-Nanopartikel und Zinkoxid. Die Nanopartikel sind im Lösungsmittel tatsächlich dispergiert, nicht gelöst und können daher kein Zn ²⁺ . freisetzen Ionen. Die Bioverfügbarkeit von Zn ²⁺ Ionen ist nicht immer 100 % und kann sich unweigerlich mit dem physiologischen pH-Wert, dem Redoxpotential und den damit verbundenen Anionen wie Cl ⁻ . ändern oder SO₄ ²⁻ .

Die Löslichkeit von Zinkoxid (1,6–5,0 mg/l) in wässrigem Medium ist höher als die von Zinkoxid-Nanopartikeln (0,3–3,6 mg/l) im gleichen Medium [57], das für Algen und Krebstiere toxisch ist. Sowohl Nano-Zinkoxid als auch Bulk-Zinkoxid sind 40-80-mal weniger toxisch als ZnSO₄ gegen V. fischeri . Die höhere antibakterielle Aktivität von ZnSO₄ ist direkt proportional zu seiner Löslichkeit und setzt Zn ²⁺ . frei Ionen, die aufgrund der positiven Ladung auf dem Zn ²⁺ . eine höhere Mobilität und eine größere Affinität [58] gegenüber Biomolekülen in der Bakterienzelle aufweisen und negative Ladung auf den Biomolekülen.

Da Zinkoxid und seine Nanopartikel eine begrenzte Löslichkeit haben, sind sie für Mikroben weniger toxisch als hochlösliches ZnSO₄ ·7H₂ O. Es ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, dass Metalloxid-Nanopartikel in die Bakterienzelle gelangen, um Toxizität zu verursachen [59]. Der Kontakt zwischen Nanopartikeln und der Zellwand reicht aus, um Toxizität zu verursachen. Wenn es richtig ist, dann sind große Mengen an Metall-Nanopartikeln erforderlich, damit die Bakterienzellen vollständig umhüllt und von ihrer Umgebung abgeschirmt sind, so dass keine Chance für die Nahrungsaufnahme für den weiteren Lebensprozess besteht. Da Nanopartikel und Metallionen kleiner sind als die Bakterienzellen, ist es wahrscheinlicher, dass sie die Zellmembran zerstören und ihr Wachstum hemmen.

Eine Reihe von nanoskaligen Metalloxiden wie ZnO, CuO, Al₂ O₃ , La₂ O₃ , Fe₂ O₃ , SnO₂ , und TiO₂ zeigten die höchste Toxizität gegenüber E. coli [49]. Zinkoxid-Nanopartikel werden äußerlich zur Behandlung leichter bakterieller Infektionen verwendet, aber das Zinkion ist ein essentielles Spurenelement für einige Viren und den Menschen, das die enzymatische Aktivität der viralen Integrase erhöht [45, 60, 61]. Es wurde auch durch einen Anstieg des infektiösen Pankreasnekrosevirus um 69,6 % bei Behandlung mit 10 mg/l Zn gestützt [46]. Dies kann an der größeren Löslichkeit von Zn-Ionen im Vergleich zu ZnO allein liegen. Die REM- und TEM-Bilder haben gezeigt, dass Zinkoxid-Nanopartikel die bakterielle Zellwand schädigen [55, 62] und die Permeabilität erhöhen, gefolgt von ihrer Akkumulation in E. coli verhindern ihre Vermehrung [63].

In der jüngsten Vergangenheit wurde die antibakterielle Aktivität von Zinkoxid-Nanopartikeln gegen vier bekannte grampositive und gramnegative Bakterien untersucht, nämlich Staphylococcus aureus , E. coli , Salmonella typhimurium , und Klebsiella pneumoniae . Es wurde beobachtet, dass die wachstumshemmende Dosis der Zinkoxid-Nanopartikel 15 μg/ml betrug, obwohl im Fall von K. Lungenentzündung , es lag nur bei 5 μg/ml [63, 64]. Es wurde festgestellt, dass mit steigender Konzentration von Nanopartikeln die Wachstumshemmung von Mikroben zunimmt. Bei einer Inkubation über einen Zeitraum von 4–5 h mit einer maximalen Konzentration an Zinkoxid-Nanopartikeln von 45 μg/ml wurde das Wachstum stark gehemmt. Es wird erwartet, dass bei einer Verlängerung der Inkubationszeit auch die Wachstumshemmung zunehmen würde, ohne dass sich der Wirkmechanismus wesentlich ändert [63].

Es wurde berichtet, dass die Metalloxid-Nanopartikel zuerst die bakterielle Zellmembran schädigen und dann in diese eindringen [64]. Es wurde auch vorgeschlagen, dass die Freisetzung von H₂ O₂ kann eine Alternative zur antibakteriellen Wirkung sein [65]. Dieser Vorschlag erfordert jedoch einen experimentellen Nachweis, da die bloße Anwesenheit von Zinkoxid-Nanopartikeln nicht ausreicht, um H₂ . zu produzieren O₂ . Zink-Nanopartikel oder Zinkoxid-Nanopartikel von extrem niedriger Konzentration können im menschlichen System keine Toxizität verursachen. Die tägliche Aufnahme von Zink über die Nahrung ist für die normalen Stoffwechselfunktionen erforderlich. Zinkoxid ist dafür bekannt, den Magen und den Darmtrakt vor Schäden durch E. coli [65]. Der pH-Wert im Magen variiert zwischen 2 und 5, daher kann Zinkoxid im Magen mit Säure reagieren, um Zn ²⁺ . zu produzieren Ionen. Sie können bei der Aktivierung der Enzyme Carboxypeptidase, Carboanhydrase und Alkoholdehydrogenase helfen, die bei der Verdauung von Kohlenhydraten und Alkohol helfen. Premanathanet al. [66] berichteten über die Toxizität von Zinkoxid-Nanopartikeln gegenüber prokaryontischen und eukaryontischen Zellen. Die MHK von Zinkoxid-Nanopartikeln gegen E. coli , Pseudomonas aeruginosa , und S. aureus wurden mit 500 bzw. 125 μg/ml ermittelt. Für die Toxizität von Zinkoxid-Nanopartikeln wurden zwei Wirkmechanismen vorgeschlagen, nämlich (1) Erzeugung von ROS und (2) Induktion von Apoptose. Metalloxid-Nanopartikel induzieren die ROS-Produktion und setzen die Zellen unter oxidativen Stress, der zelluläre Komponenten, d. h. Lipide, Proteine ​​und DNA, schädigt [67,68,69]. Zinkoxid-Nanopartikel induzieren daher Toxizität durch Apoptose. Sie sind für Krebszellen relativ giftiger als normale Zellen, obwohl sie nicht zwischen ihnen unterscheiden können.

Kürzlich haben Pati et al. [70] haben gezeigt, dass Zinkoxid-Nanopartikel die Integrität der Zellmembran von Bakterien stören, die Hydrophobie der Zelloberfläche reduzieren und die Transkription von Genen für die Resistenz gegen oxidativen Stress in Bakterien herabregulieren. Sie verstärken die intrazelluläre Abtötung von Bakterien, indem sie die ROS-Produktion induzieren. Diese Nanopartikel stören die Biofilmbildung und hemmen die Hämolyse durch das von Krankheitserregern produzierte Hämolysintoxin. Es wurde festgestellt, dass die intradermale Verabreichung von Zinkoxid-Nanopartikeln die Hautinfektion und -entzündung bei Mäusen signifikant reduziert und auch die infizierte Hautarchitektur verbessert.

Löslichkeits- und konzentrationsabhängige Aktivität von Zinkoxid-Nanopartikeln

Nanopartikel wurden auch als Träger verwendet, um Therapeutika zur Behandlung bakterieller Infektionen zu liefern [1, 9]. Da Zinkoxid-Nanopartikel bis zu einer Konzentration von 100 μg/ml für normale Körperzellen unbedenklich sind, können sie alternativ zu Antibiotika eingesetzt werden. Es wurde festgestellt, dass 90 % Bakterienkolonien absterben, nachdem sie nur 6 h lang einer Dosis von 500–1000 μg/ml Zinkoxid-Nanopartikeln ausgesetzt wurden. Sogar das arzneimittelresistente S. aureus , Mycobacterium smegmatis , und Mycobacterium bovis Bei der Behandlung mit Zinkoxid-Nanopartikeln in Kombination mit einer niedrigen Dosis des Antituberkulose-Medikaments Rifampicin (0,7 μg/ml) wurde eine signifikante Verringerung ihres Wachstums beobachtet. Diese Krankheitserreger wurden bei einer Inkubation von 24 h mit 1000 μg/ml Zinkoxid-Nanopartikeln vollständig zerstört. Es wird daher der Schluss gezogen, dass der Patient mit solchen Infektionskrankheiten vollständig geheilt werden kann, wenn dieselbe Dosis wiederholt wird. Es wurde auch festgestellt, dass die Größe von Zinkoxid-Nanopartikeln im Bereich zwischen 50 und 500 nm die gleiche Wirkung auf die Hemmung des Bakterienwachstums hat.

Die Zytotoxizität von Zinkoxid wurde von vielen Forschern in einer Vielzahl von Mikroben und Pflanzensystemen untersucht [71,72,73,74]. Die Toxizität von Zinkoxid-Nanopartikeln ist konzentrations- und löslichkeitsabhängig. Es wurde gezeigt, dass die maximale Expositionskonzentration der Zinkoxid-Suspension (125 mg/l) 6,8 mg/l Zn ²⁺ . freisetzt Ionen. Toxizität ist eine kombinierte Wirkung von Zinkoxid-Nanopartikeln und Zn ²⁺ Ionen im wässrigen Medium freigesetzt. Es wurde jedoch eine minimale Wirkung von Metallionen festgestellt, was darauf hindeutet, dass die Hemmung des Bakterienwachstums hauptsächlich auf die Wechselwirkung von Zinkoxid-Nanopartikeln mit Mikroorganismen zurückzuführen ist. Die zytotoxische Wirkung eines bestimmten Metalloxid-Nanopartikels ist speziessensitiv, was sich in der Wachstumshemmzone für mehrere Bakterien widerspiegelt [75].

Es wurde vermutet, dass die Wachstumshemmung von Bakterienzellen hauptsächlich durch Zn ²⁺ . erfolgt Ionen, die durch extrazelluläre Auflösung von Zinkoxid-Nanopartikeln entstehen [76]. Cho et al. [77] haben aus ihren Studien an Ratten geschlossen, dass Zinkoxid-Nanopartikel bei etwa neutralem oder biologischem pH-Wert intakt bleiben, sich jedoch unter sauren Bedingungen (pH 4,5) schnell im Lysosom der Mikroben auflösen, was zu ihrem Tod führt. Dies ist der Fall, da sich Zinkoxid im sauren Zustand auflöst und Zn ²⁺ Es werden Ionen produziert, die an die Biomoleküle in der Bakterienzelle binden und deren Wachstum hemmen.

Es wurde gezeigt, dass die Zinkoxid-Nanopartikel für verschiedene primäre immunkompetente Zellen zytotoxisch sind. Die Transkriptomik-Analyse zeigte, dass Nanopartikel eine gemeinsame Gensignatur mit einer Hochregulierung von Metallothionein-Genen aufwiesen, die auf die Auflösung der Nanopartikel zurückgeführt wird [78]. Es konnte jedoch nicht festgestellt werden, ob das absorbierte Zink Zn ²⁺ . war oder Zinkoxid oder beides, obwohl kleinere Zinkoxid-Nanopartikel eine höhere Konzentration im Blut aufweisen als größere (19 und>   100 nm). Die Effizienz von Zinkoxid-Nanopartikeln hängt hauptsächlich vom Reaktionsmedium zur Bildung von Zn ²⁺ . ab und deren Eindringen in die Zelle.

Chianget al. [79] haben berichtet, dass die Dissoziation von Zinkoxid-Nanopartikeln zur Zerstörung der zellulären Zn-Homöostase führt. Die charakteristischen Eigenschaften von Nanopartikeln und ihr Einfluss auf biologische Funktionen unterscheiden sich grundlegend von denen des Bulkmaterials [80]. Die Aggregation von Nanopartikeln beeinflusst die Zytotoxizität von Makrophagen, und ihre Konzentration hilft bei der Modulation der Aggregation von Nanopartikeln. Eine niedrige Konzentration von Zinkoxid-Nanopartikeln ist unwirksam, aber bei einer höheren Konzentration (100 μg/ml) zeigten sie eine Zytotoxizität, die von einem Pathogen zum anderen variiert.

Die unbeabsichtigte Verwendung von Zinkoxid-Nanopartikeln kann sich manchmal nachteilig auf das lebende System auswirken. Ihr Apoptose- und genotoxisches Potenzial in menschlichen Leberzellen und ihre Zelltoxizität wurden untersucht. Es wurde festgestellt, dass eine Abnahme der Lebensfähigkeit der Leberzellen auftritt, wenn sie 12 h lang 14–20 μg/ml Zinkoxid-Nanopartikeln ausgesetzt werden. Es induzierte auch DNA-Schäden durch oxidativen Stress. Sawaiet al. [56] haben gezeigt, dass die ROS-Erzeugung direkt proportional zur Konzentration des Zinkoxidpulvers ist. ROS löste eine Abnahme des Membranpotentials der Mitochondrien aus, was zur Apoptose führte [81]. Die zelluläre Aufnahme von Nanopartikeln ist für das Auftreten von Zytotoxizität nicht zwingend erforderlich.

Größenabhängige antibakterielle Aktivität von Zinkoxid-Nanopartikeln

In einer Studie haben Azam et al. [82] haben berichtet, dass die antimikrobielle Aktivität sowohl gegen gramnegative (E. coli und P. aeruginosa ) und grampositiv (S. und Bacillus subtilis ) Bakterien nahmen mit Zunahme des Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses aufgrund einer Abnahme der Partikelgröße von Zinkoxid-Nanopartikeln zu. Darüber hinaus haben Zinkoxid-Nanopartikel in dieser Untersuchung eine maximale (25 mm) Hemmung des Bakterienwachstums gegen B gezeigt. subtilis (Abb. 1).

Antibakterielle Aktivität und/oder Hemmzone, die von Zinkoxid-Nanopartikeln gegen grampositive und gramnegative Bakterienstämme erzeugt wird, nämlich a Escherichia coli , b Staphylococcus aureus , c Pseudomonas aeruginosa , und d Bacillus subtilis [82]

Es wurde berichtet, dass die kleinere Größe von Zinkoxid-Nanopartikeln eine größere antibakterielle Aktivität aufweist als mikroskalige Partikel [83]. Zum Beispiel Au ⁵⁵ Nanopartikel mit einer Größe von 1,4 nm interagieren nachweislich mit den großen Furchen der DNA, was für ihre Toxizität verantwortlich ist [84]. Obwohl widersprüchliche Ergebnisse berichtet wurden, zeigten viele Arbeiter eine positive Wirkung von Zinkoxid-Nanopartikeln auf Bakterienzellen. Brayner et al. [63] aus TEM-Bildern haben gezeigt, dass Zinkoxid-Nanopartikel mit einer Größe von 10–14 nm internalisiert wurden (wenn sie Mikroben ausgesetzt waren) und die bakterielle Zellmembran beschädigten. Wesentlich ist auch, dass die Zink/Zinkoxid-Nanopartikel für den Menschen nicht toxisch sein dürfen, da sie für T-Zellen über 5 mM [85] und für Neuroblastomzellen über 1,2 mM [86] toxisch sind. Nairet al. [87] haben ausschließlich den Größeneffekt von Zinkoxid-Nanopartikeln auf die Toxizität von Bakterien und menschlichen Zellen untersucht. Sie haben den Einfluss von Zinkoxid-Nanopartikeln auf grampositive und gramnegative Bakterien und Osteoblasten-Krebszelllinien (MG-63) untersucht.

Es ist bekannt, dass die antibakterielle Aktivität von Zinkoxid-Nanopartikeln umgekehrt proportional zu ihrer Größe und direkt proportional zu ihrer Konzentration ist [88]. Es wurde auch festgestellt, dass es zur Aktivierung kein UV-Licht benötigt; es funktioniert unter normalem oder sogar diffusem Sonnenlicht. Die zytotoxische Aktivität beinhaltet möglicherweise sowohl die Produktion von ROS als auch die Ansammlung von Nanopartikeln im Zytoplasma oder auf der äußeren Zellmembran. Die Produktion von H₂ O₂ und seine Beteiligung an der Aktivierung von Nanopartikeln kann nicht ignoriert werden. Raghupathi et al. [88] synthetisierten Zinkoxid-Nanopartikel aus verschiedenen Zinksalzen und beobachteten, dass Nanopartikel aus Zn(NO₃ )₂ waren die kleinste Größe (12 nm) und die größte Oberfläche (90,4). Autoren haben gezeigt, dass die Wachstumshemmung von S. aureus bei einer Konzentration von 6 mM von Zinkoxid-Nanopartikeln ist größenabhängig. Es wurde auch aus der Bestimmung lebensfähiger Zellen während der Exposition von Bakterienzellen gegenüber Zinkoxid-Nanopartikeln gezeigt, dass die Anzahl der gewonnenen Zellen mit Abnahme der Größe der Zinkoxid-Nanopartikel signifikant abnahm. Joneset al. [89] haben gezeigt, dass Zinkoxid-Nanopartikel mit einem Durchmesser von 8 nm das Wachstum von S hemmten. aureus , E. coli , und B. subtilis. Zinkoxid-Nanopartikel im Bereich zwischen 12 und 307 nm wurden ausgewählt und die Beziehung zwischen antibakterieller Aktivität und ihrer Größe bestätigt. Ihre Toxizität gegenüber Mikroben wurde der Bildung von Zn ²⁺ . zugeschrieben -Ionen aus Zinkoxid, wenn es in Wasser suspendiert ist und teilweise auch zu einer leichten pH-Änderung. Da Zn ²⁺ Aus Zinkoxid-Nanopartikeln werden kaum Ionen freigesetzt, die antibakterielle Wirkung ist hauptsächlich auf kleinere Zinkoxid-Nanopartikel zurückzuführen. Wenn die Größe 12 nm beträgt, wird das Wachstum von S gehemmt. aureus , aber wenn die Größe 100 nm überschreitet, ist die Hemmwirkung minimal [89].

Form, Zusammensetzung und Zytotoxizität von Zinkoxid-Nanopartikeln

Zinkoxid-Nanopartikel zeigten konzentrationsabhängig und typ der exponierten Zellen aufgrund unterschiedlicher Sensitivität Zytotoxizität [90, 91]. Sahuet al. [90] haben den Unterschied der Zytotoxizität zwischen der Partikelgröße und der unterschiedlichen Empfindlichkeit der Zellen gegenüber Partikeln derselben Zusammensetzung hervorgehoben. In einer anderen neueren Studie haben Ng et al. [91] untersuchten die konzentrationsabhängige Zytotoxizität in humanen Lungen-MRC5-Zellen. Autoren haben über die Aufnahme und Internalisierung von Zinkoxid-Nanopartikeln in die MRC5-Zellen der menschlichen Lunge mithilfe von TEM-Untersuchungen berichtet. Diese Partikel wurden im Zytoplasma der Zellen in Form von elektronendichten Clustern festgestellt, die weiterhin von Vesikeln eingeschlossen sind, während Zinkoxid-Nanopartikel in unbehandelten Kontrollzellen nicht gefunden wurden. Papavlassopouloset al. [92] synthetisierten Zinkoxid-Nanopartikel-Tetrapoden auf einem völlig neuartigen Weg, der als „Flame-Transport-Synthese-Ansatz“ bekannt ist. Tetrapoden haben eine andere Morphologie als die herkömmlich synthetisierten Zinkoxid-Nanopartikel. Ihre Interaktion mit Säugetier-Fibroblastenzellen in vitro hat gezeigt, dass ihre Toxizität signifikant geringer ist als die der kugelförmigen Zinkoxid-Nanopartikel. Tetrapoden zeigten eine hexagonale Wurtzit-Kristallstruktur mit abwechselndem Zn ²⁺ und O ²⁻ Ionen mit dreidimensionaler Geometrie. Sie blockieren das Eindringen von Viren in lebende Zellen, was durch gezieltes Beleuchten mit UV-Strahlung noch verstärkt wird. Da Zinkoxid-Tetrapoden Sauerstoff-Leerstellen in ihrer Struktur aufweisen, ist der Herpes simplex Viren werden über Heparansulfat angelagert und ihnen wird der Eintritt in Körperzellen verwehrt. Somit verhindern sie in vitro eine HSV-1- und HSV-2-Infektion. Zinkoxid-Tetrapoden können daher als prophylaktisches Mittel gegen diese Virusinfektionen verwendet werden. Die Zytotoxizität von Zinkoxid-Nanopartikeln hängt auch von der Proliferationsrate von Säugerzellen ab [66, 93]. Die Oberflächenreaktivität und -toxizität kann auch durch Kontrolle der Sauerstoffleerstelle in Zinkoxid-Tetrapoden variiert werden. Wenn sie UV-Licht ausgesetzt werden, wird die Sauerstoffleerstelle in Tetrapoden leicht erhöht. Alternativ kann die Sauerstoffleerstelle durch Erhitzen in einer sauerstoffreichen Umgebung verringert werden. Somit ist es die einzigartige Eigenschaft von Zinkoxid-Tetrapoden, die nach Belieben geändert werden kann, was folglich ihre antimikrobielle Wirksamkeit verändert.

Tierexperimentelle Studien haben eine Zunahme von Lungenentzündungen, oxidativem Stress usw. bei Exposition der Atemwege durch Nanopartikel gezeigt [94]. Yanget al. [95] haben die Zytotoxizität, Genotoxizität und den oxidativen Stress von Zinkoxid-Nanopartikeln an primären Mausembryo-Fibroblastenzellen untersucht. Es wurde beobachtet, dass Zinkoxid-Nanopartikel eine signifikant höhere Zytotoxizität als die von Kohlenstoff und SiO₂ . induzierten Nanopartikel. Es wurde weiter durch Messung der Glutathion-Verarmung, der Malondialdehyd-Produktion, der Superoxid-Dismutase-Hemmung und der ROS-Erzeugung bestätigt. Die potenzielle zytotoxische Wirkung verschiedener Nanopartikel wurde ihrer Form zugeschrieben.

Polymerbeschichtete Nanopartikel

Viele bakterielle Infektionen werden durch Kontakt mit Türknöpfen, Tastaturen, Wasserhähnen, Badewannen und Telefonen übertragen; Daher ist es wichtig, solche Oberflächen mit kostengünstigen fortschrittlichen antibakteriellen Substanzen zu entwickeln und zu beschichten, damit ihr Wachstum gehemmt wird. Es ist wichtig, antibakterielle Substanzen in solchen Konzentrationen zu verwenden, dass sie die Krankheitserreger abtöten, aber den Menschen schonen. Dies kann nur passieren, wenn sie mit einem biokompatiblen hydrophilen Polymer mit geringen Kosten beschichtet sind. Schwartz et al. [96] berichteten über die Herstellung eines neuen antimikrobiellen Verbundmaterial-Hydrogels durch Mischen eines biokompatiblen Poly(N -Isopropylacrylamid) mit Zinkoxid-Nanopartikeln. Das SEM-Bild des Verbundfilms zeigte eine gleichmäßige Verteilung von Zinkoxid-Nanopartikeln. Es zeigte antibakterielle Aktivität gegen E. coli bei einer sehr niedrigen Zinkoxidkonzentration (1,33 mM). Außerdem wurde festgestellt, dass die Beschichtung für einen Zeitraum von 1 Woche gegenüber der Säugetierzelllinie (N1H/3T3) nicht toxisch ist. Zinkoxid/Hydrogel-Nanokomposit kann sicher als biomedizinische Beschichtung verwendet werden, um zu verhindern, dass sich Menschen mit bakteriellen Infektionen anstecken.

Obwohl Zinkoxid-Nanopartikel stabil sind, wurden sie durch Beschichtung mit verschiedenen Polymeren wie Polyvinylpyrrolidon (PVP), Polyvinylalkohol weiter stabilisiert ( PVA), Poly (α, γ, l-Glutaminsäure) (PGA), Polyethylenglycol (PEG), Chitosan und Dextran [97, 98]. Die antibakterielle Aktivität von technisch hergestellten Zinkoxid-Nanopartikeln wurde gegen gramnegative und grampositive Krankheitserreger untersucht, nämlich E. coli und S. aureus und verglichen mit handelsüblichem Zinkoxidpulver. Die polymerbeschichteten kugelförmigen Zinkoxid-Nanopartikel zeigten im Vergleich zu Zinkoxid-Massenpulver eine maximale Zerstörung von Bakterienzellen [99]. Da mit Polymeren beschichtete Nanopartikel aufgrund ihrer geringen Löslichkeit und verzögerten Freisetzung weniger toxisch sind, kann ihre Zytotoxizität durch Beschichtung mit einem geeigneten Polymer kontrolliert werden.

Effect of Particle Size and Shape of Polymer-Coated Nanoparticles on Antibacterial Activity

E. coli and 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 Zn ²⁺ 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 Zn ²⁺ that induced 50% reduction in viability in Zn ²⁺ -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 Zn ²⁺ 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.

Mechanisms of zinc oxide nanoparticle antimicrobial activity

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].

SEM images of Campylobacter jejuni . a Untreated cells from the same growth conditions were used as a control. b C. jejuni cells in the mid-log phase of growth were treated with 0.5 mg/ml of zinc oxide nanoparticles for 12 h under microaerobic conditions [114]

Zinc oxide nanoparticles have high impact on the cell surface and may be activated when exposed to UV-Vis light to generate ROS (H₂ O₂ ) 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).

a TEM images of untreated normal Salmonella typhimurium Zellen. b Effects of nanoparticles on the cells (marked with arrows). c , d Micrograph of deteriorated and ruptured S. typhimurium cells treated with zinc oxide nanoparticles [115]

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 Zn ²⁺ 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 Zn ²⁺ 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.

TEM images of Escherichia coli (a ), zinc oxide nanoparticles with E. coli at different stages (b and inset), Klebsiella pneumoniae (c ), and zinc oxide nanoparticles with K. pneumoniae (d and inset) [120]

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 O₂ .

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.

Schlussfolgerungen

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.