Grüne Synthese von Goldnanopartikeln aus Artemisia capillaris, Portulaca oleracea und Prunella vulgaris Extrakten: Antioxidative Aktivität und Zytotoxizitätsbewertung

Zusammenfassung

Drei wässrige Pflanzenextrakte – Artemisia capillaris, Portulaca oleracea und Prunella vulgaris – wurden zur Biofabrikation von Goldnanopartikeln (AuNPs) eingesetzt. Ihre antioxidativen Profile, einschließlich freier Radikalfängerkapazität, gesamtphenolischem Gehalt und Reduktionskraft, wurden quantifiziert und mit der Effizienz der AuNP-Synthese korreliert. Prunella vulgaris zeigte die stärkste antioxidative Aktivität und diente als effektivstes Reduktionsmittel, was AuNPs (PV-AuNPs) mit einem Oberflächenplasmonenresonanz-(SPR)-Peak bei 530 nm und diversen Morphologien lieferte. Hochauflösende Röntgenbeugung bestätigte ein flächenzentriertes kubisches Kristallgitter, und ICP-OES schätzte eine Reaktionsausbeute von 99,3 %. Dynamische Lichtstreuung ergab einen hydrodynamischen Durchmesser von 45 ± 2 nm und ein Zeta-Potenzial von –13,99 mV. PV-AuNPs zeigten dosisabhängige antioxidative Aktivität und signifikante Zytotoxizität gegenüber menschlichen kolorektalen Adenokarzinomzellen (HT-29) ohne fetales Kälberserum (FKS), während pankreatische duktale Adenokarzinomzellen (PANC-1) die maximale Antwort in Gegenwart von FKS zeigten. Diese Ergebnisse heben P. vulgaris-Extrakt als potenten, umweltfreundlichen Reduktionsmittel für die Herstellung bioaktiver AuNPs mit therapeutischem Potenzial hervor.

Einleitung

Die wachsende Nachfrage nach metallischen Nanopartikeln, insbesondere Goldnanopartikeln (AuNPs), resultiert aus ihrer Vielseitigkeit als Wirkstoffträger, Katalysatoren, Bildgebungsmittel und Biosensoren. Konventionelle Synthesewege – Ionenbeschuss, inverse Mizellenbildung und chemische Reduktion – beinhalten oft kostspielige Reagenzien und werfen Toxizitätsbedenken auf. Grüne Synthese, die Pflanzenextrakte als natürliche Reduktions-, Kappungs- und Stabilisierungsmittel nutzt, bietet eine kosteneffektive, skalierbare und biokompatible Alternative. Phytochemikalien wie Phenole, Terpenoide und Flavonoide reduzieren nicht nur Metallionen, sondern verleihen auch antioxidative Eigenschaften und verbessern die Nanopartikelstabilität.

Artemisia capillaris (Familie Asteraceae) wird in der traditionellen Medizin aufgrund antibakterieller, entzündungshemmender und hepatoprotektiver Effekte eingesetzt, die auf Bestandteile wie Capillin und Scoparon zurückzuführen sind. Portulaca oleracea (Familie Portulacaceae) besitzt antibakterielle, antifungale und antioxidative Aktivitäten, verbunden mit Alkaloiden, Fettsäuren und Flavonoiden. Prunella vulgaris (Familie Lamiaceae) zeigt antivirale, antikrebswirksame, immunmodulatorische und antioxidative Effekte, weitgehend aufgrund von Phenolsäuren und Triterpenoiden wie Rosmarinsäure und Ursonäsäure.

Die Proteinkorona – eine Adsorptionsschicht aus Serumproteinen, die beim Eintritt von Nanopartikeln in biologische Flüssigkeiten bildet – beeinflusst kritisch die zelluläre Aufnahme, Biodistribution und Zytotoxizität. Oberflächenladung, Größe und Morphologie der AuNPs bestimmen die Koronazusammensetzung und modulieren dadurch die therapeutische Wirksamkeit. In dieser Studie untersuchten wir, wie die antioxidative Potenz der drei Pflanzenextrakte die AuNP-Bildung beeinflusst und wie die resultierenden Nanopartikel mit Krebszellen in Gegenwart oder Abwesenheit von FKS interagieren.

Methoden

Materialien

Alle Reagenzien waren analytischer Qualität. Kaliumgold(III)-chlorid (KAuCl₄) und Standardantioxidantien (BHT, Vitamin C) stammten von Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA). Zellkulturmaterialien wurden von Gibco (Thermo Fisher Scientific) und GE Healthcare HyClone™ (Victoria, Australien) bezogen. Detaillierte Reagenzien-Spezifikationen sind in der ergänzenden Tabelle aufgeführt.

Instrumente

UV-Vis-Spektren wurden auf einem Shimadzu UV-2600 Spektrophotometer (λ = 300–800 nm) aufgezeichnet. HR-TEM-Bildgebung nutzte ein JEM-2100F (JEOL, 200 kV). Röntgenbeugung wurde mit einem Rigaku Miniflex (CuKα, 1,54056 Å) durchgeführt. ICP-OES-Analyse erfolgte auf einem Perkin Elmer Optima 8300. Dynamische Lichtstreuung und Zeta-Potenzial-Messungen wurden mit einem NanoBrook 90 Plus Analyzer gewonnen. Alle Instrumente wurden gemäß Herstellerrichtlinien kalibriert.

Herstellung wässriger Extrakte

Getrocknete oberirdische Teile von P. vulgaris und A. capillaris stammten von Omniherb (Daegu, Südkorea); P. oleracea wurde von Handsherb (Youngchun, Südkorea) gekauft. Jede Pflanze (100 g) wurde in 1 L deionisiertem Wasser bei 25 °C für 3 h sonifiziert, dreimal wiederholt. Der Filtrat wurde gefriergetrocknet, um ein Pulver zu erhalten, das bei –20 °C bis zur Verwendung gelagert wurde.

Antioxidative Assays

Freier Radikalfänger (DPPH und ABTS), Reduktionskraft und gesamtphenolischer Gehalt wurden nach Standardprotokollen quantifiziert. Alle Assays wurden in Triplicate durchgeführt, Ergebnisse als IC₅₀ (µg mL^-1) oder mg GAE g^-1 ausgedrückt. Detaillierte Methodologien sind im Supplementärmaterial angegeben.

Biofabrikation von AuNPs

Lagerlösungen von KAuCl₄ (10 mM) und Pflanzenextrakten (2 % w/v) wurden hergestellt. Nach Zentrifugation (18.500 g, 30 min, 18 °C) wurden Überstände gemischt zu finalen Konzentrationen von 0,5 mM Au und 0,05 % w/v Extrakt in 2 mL Fläschchen. Die Reaktion lief bei 37 °C für 5 h. UV-Vis-Spektren wurden zur Überwachung der SPR-Entwicklung aufgezeichnet.

Zellkultur

HT-29 (Kolon), PANC-1 (Pankreas) und MDA-MB-231 (Brust) Zellen wurden in hochglukosehaltigem DMEM mit 10 % FBS, 100 U mL^-1 Penicillin und 100 µg mL^-1 Streptomycin bei 37 °C, 5 % CO₂ gehalten.

Zytotoxizitätsassay

Zellvitalität wurde via EZ-CYTOX WST-Assay bewertet. Zellen (5 × 10³ Zellen mL^-1) wurden in 96-Well-Platten ausgesät, 24 h inkubiert, dann mit PV-AuNPs (0–478,3 µg mL^-1 Au) ± 10 % FBS für 24 h behandelt. Absorption bei 450 nm wurde aufgezeichnet, mit Hintergrundsubtraktion der intrinsischen PV-AuNP-Absorption.

Statistische Analyse

Daten werden als Mittelwert ± SE dargestellt. Signifikanz wurde durch Einweg-ANOVA gefolgt von Tukeys Post-hoc-Test (p < 0,05) bewertet. Analysen wurden mit GraphPad Prism 5.02 durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Antioxidative Profile der Extrakte

Die Extraktionsausbeuten betrugen 14,1 % (A. capillaris), 39,12 % (P. oleracea) und 28,6 % (P. vulgaris). Antioxidative Assays zeigten, dass P. vulgaris die niedrigsten IC₅₀-Werte für DPPH (50,35 ± 1,22 µg mL^-1) und ABTS (38,6 ± 0,44 µg mL^-1) aufwies und BHT (71,37 ± 0,84 µg mL^-1) übertraf. Reduktionskraft und gesamtphenolischer Gehalt folgten demselben Trend: 162,98 µg mL^-1 (P. vulgaris) vs. 235,38 µg mL^-1 (A. capillaris) vs. 396,16 µg mL^-1 (P. oleracea). Gesamtphenole betrugen 90,53 ± 6,81 mg GAE g^-1 für P. vulgaris, 39,88 ± 4,55 mg GAE g^-1 für A. capillaris und 18,32 ± 2,76 mg GAE g^-1 für P. oleracea. Diese Ergebnisse bestätigen, dass P. vulgaris die potentesten antioxidativen Bestandteile birgt.

Grüne Synthese von AuNPs

Jeder Extrakt ermöglichte die AuNP-Bildung, belegt durch distincte SPR-Peaks und sichtbare Farbänderungen: PO-AuNPs (dunkelblau, breites 500–700 nm Band), AC-AuNPs (braun, 555 nm Peak) und PV-AuNPs (weinrot, 530 nm Peak). Die überlegene antioxidative Aktivität von P. vulgaris führte zu höherer SPR-Intensität, schmalerer Bandbreite und verbesserter kolloidaler Stabilität. PO-AuNPs aggregierten nach 30 min bei 25 °C, was die geringste Stabilität der drei anzeigte.

Morphologie und Größenverteilung (PV-AuNPs)

HR-TEM offenbarte diverse Morphologien: Sphären (23,8 ± 1,3 nm), gleichseitige Dreiecke (25,7 ± 2,2 nm), Stäbe (28,4 ± 0,4 nm, Aspektverhältnis = 2,4) und Rhomben (lange Diagonale = 22,0 ± 0,6 nm, kurze Diagonale = 15,4 ± 0,3 nm). Alle Partikel waren kristallin, bestätigt durch Gitterstreifen. Größenhistogramme zeigten Gauß-Verteilungen für jede Form.

Hydrodynamische Größe und Oberflächenladung

DLS-Messungen ergaben einen hydrodynamischen Durchmesser von 45 ± 2 nm (Polydispersität = 0,258) und ein negatives Zeta-Potenzial von –13,99 mV, was effektive sterische und elektrostatische Stabilisierung durch oberflächengebundene Phytochemikalien suggeriert.

Kristallinität (HR-XRD)

HR-XRD-Muster zeigten charakteristische Peaks bei 2θ = 38,1°, 44,5°, 64,8° und 77,4°, entsprechend den (111), (200), (220) und (311) Ebenen eines flächenzentrierten kubischen Gitters. Scherrer-Analyse des (111) Peaks ergab eine ungefähre Kristallitgröße von 16,7 nm.

Reaktionsausbeute

ICP-OES quantifizierte 96,337 ppm Au in der kolloidalen Lösung und 0,679 ppm im Überstand, was einer 99,3 % Umwandlungseffizienz entspricht.

Antioxidative Aktivität von PV-AuNPs

PV-AuNPs zeigten dosisabhängiges DPPH-Radikalfangen mit einem IC₅₀ von 165,0 µg mL^-1 Au (≈49,4 µM Vitamin C). Diese Aktivität entspricht der für pflanzenvermittelte AuNPs berichteten und wird oberflächengebundenen Phenolen zugeschrieben.

Zytotoxizität in Krebszelllinien

In serumfreien Bedingungen waren HT-29 Zellen am empfindlichsten gegenüber PV-AuNPs (65,6 % Inhibition bei 478,3 µg mL^-1). PANC-1 und MDA-MB-231 zeigten geringere Antworten. Mit 10 % FBS zeigten PANC-1 Zellen erhöhte Zytotoxizität (37,5 % bei 478,3 µg mL^-1), während HT-29 Zytotoxizität abnahm, was einen protein-korona-abhängigen, gewebe-spezifischen Effekt hervorhebt. Das negative Zeta-Potenzial fördert wahrscheinlich selektive Proteinadsorption (z. B. Fibrinogen), was zelluläre Aufnahme und Toxizität beeinflusst.

Schlussfolgerungen

Die wässrigen Extrakte von A. capillaris, P. oleracea und P. vulgaris zeigten messbare antioxidative Aktivität. P. vulgaris erwies sich als potentestes Reduktionsmittel und lieferte hochkristalline, weinrote AuNPs (PV-AuNPs) mit 99,3 % Umwandlungsrate und hydrodynamischem Durchmesser von 45 ± 2 nm. PV-AuNPs zeigten dosisabhängige antioxidative Kapazität und selektive Zytotoxizität gegenüber kolorektalen, pankreatischen und Brustkrebszellen, wobei die Proteinkorona die Wirksamkeit modulierte. Diese Ergebnisse unterstreichen den Wert hochantioxidativer Pflanzenextrakte in der grünen Nanopartikelsynthese und deuten PV-AuNPs als vielversprechende Kandidaten für gezielte Wirkstoffabgabe an, besonders in Kombination mit kardioprotektiven Phytochemikalien aus P. vulgaris. Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Beladung von Chemotherapeutika auf PV-AuNPs konzentrieren, um sowohl antikrebswirksame als auch schützende Effekte zu nutzen.

Abkürzungen

ABTS:

2,2′-Azino-bis(3-ethylbenzothiazolin-6-sulfonsäure)

AC-AuNPs:

Goldnanopartikel synthetisiert aus A. capillaris Extrakt

AgNPs:

Silbernanopartikel

AuNPs:

Goldnanopartikel

BHT:

Butylhydroxytoluol

DMEM:

Dulbeccos modifiziertes Eagle-Medium

DPPH:

2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl

FBS:

Fetales Kälberserum

GAE:

Gallussäureäquivalent

HR-TEM:

Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie

HR-XRD:

Hochauflösende Röntgenbeugung

HT-29:

Humane kolorektale Adenokarzinom-Zelllinie

IC₅₀:

Halbmaximale inhibitorische Konzentration

ICP-OES:

Induktiv gekoppelte Plasma-Optische Emissionsspektroskopie

MDA-MB-231:

Humane Brustadenokarzinom-Zelllinie

PANC-1:

Humane pankreatische duktale Adenokarzinom-Zelllinie

PO-AuNPs:

Goldnanopartikel synthetisiert aus P. oleracea Extrakt

PV-AuNPs:

Goldnanopartikel synthetisiert aus P. vulgaris Extrakt

SPR:

Oberflächenplasmonenresonanz

WST-Assay:

Wasserlösliches Tetrazolium-Assay