利用沙棘果提取物生物合成氧化钆纳米颗粒：揭示其细胞毒性、抗氧化、抗糖尿病和抗炎作用

采用海锦果 aqueous extract 植物介导合成单斜晶系镝氧化物纳米颗粒（平均尺寸16.6 nm），经TEM证实六角形形态（20±0.5 nm），EDX和FT-IR验证表面官能化。体外实验显示对MCF-7乳腺癌细胞IC50=61.53 μg/mL，具有促凋亡活性，同时具备显著抗氧化、抗糖尿病和抗炎生物医学特性。

普拉富尔·丹德格（Prafull Dandge）| 苏拉杰·科特（Suraj Khot）| 阿拉蒂·库尔卡尼（Arati Kulkarni）| 帕德玛·丹德格（Padma Dandge）| 찬드라칸트·벤키（Chandrakant Bhenki）| 다타프라사드 포레（Dattaprasad Pore）| 가자난·라신카르（Gajanan Rashinkar）

印度马哈拉施特拉邦科尔哈普尔（Kolhapur）416004，希瓦吉大学（Shivaji University）化学系

摘要

可持续纳米技术的进步激发了人们对合成功能性金属氧化物纳米结构的环保方法的极大兴趣。本研究报道了利用沙棘（Sea buckthorn）浆果的水提取物通过植物介导的方法合成钆氧化物纳米颗粒（GdNPs）的过程，沙棘是一种富含植物化学物质的药用资源，在阿育吠陀疗法中有着悠久的应用历史。X射线衍射（XRD）结构分析证实了GdNPs具有单斜晶系晶体结构，平均晶粒尺寸为16.6纳米。透射电子显微镜（TEM）图像显示其具有明确的六边形形态，平均粒径为20±0.5纳米。元素组成通过能量色散X射线（EDX）光谱和傅里叶变换红外（FT-IR）光谱得到验证，这些光谱显示的特征带表明GdNPs通过来自沙棘提取物的植物化学基团实现了有效的表面功能化。为了获得生物学见解，对GdNPs在MCF-7人类乳腺癌细胞中的体外细胞毒性评估显示出了显著的抗增殖效果（IC₅₀ = 61.53 μg/mL），DAPI染色实验确认了GdNPs通过诱导细胞凋亡发挥其作用机制。此外，GdNPs还表现出显著的抗氧化、抗糖尿病和抗炎活性，进一步增强了其生物学相关性。总体而言，这些发现表明生物合成的GdNPs作为下一代纳米平台在肿瘤学和治疗干预方面具有巨大潜力，突显了其在可持续纳米医学发展中的转化意义。

引言

癌症是一种可怕且持久的疾病，主要由于先天因素、表观基因组学、生活方式、长期医疗干预和环境因素的复杂相互作用而引发[1]。根据最新分析，乳腺癌是女性死亡的主要原因，在癌症相关死亡原因中排名第二，并且过去十年的死亡率持续上升[2]。乳腺癌仍然是全球范围内最常见且威胁生命的恶性肿瘤之一，其发病率和死亡率负担日益加重[3]、[4]、[5]。乳腺癌的进展受到多种相互关联的分子和细胞变化的影响。其关键机制包括逃避细胞凋亡、不受控制的有丝分裂活动、持续的自我增殖能力、增强的血管生成以及获得转移潜能[6]、[7]。鉴于这些致癌机制，化疗仍然是局部和区域性晚期乳腺癌辅助治疗的基石，显著提高了生存率。然而，长期接受此类治疗常常会导致化疗耐药性的出现，从而促进肿瘤复发、多药耐药性以及向晚期转移阶段的进展[8]。尽管存在这些限制，新兴策略仍在努力提高化疗的治疗效果同时降低其系统性毒性，因为治疗后的挑战仍然是重要的临床问题[9]。大量研究致力于开发能够对抗异常细胞存活和不受控制的增殖的有效抗癌剂，从而延长细胞寿命，这催生了需要新型、生物相容性良好且副作用最小的治疗方法。

医学纳米技术的迅速发展极大地加速了纳米颗粒（NPs）的临床转化，为解决生物医学领域中的挑战提供了创新途径，如非特异性生物分布、亚最佳细胞靶向、脱靶细胞毒性和药物耐药性问题，这些问题可以通过纳米级工程得到有效缓解[10]、[11]、[12]。纳米科学的进步使金属纳米颗粒成为生物医学创新的前沿，它们作为强大的成像探针、高效的催化剂、精确的药物载体和有前景的抗癌治疗手段发挥作用。金属纳米颗粒的潜力与其迷人的物理化学特性密切相关，这些特性涵盖了电子、光学、发光、磁性、催化、抗菌和抗癌等多种功能[13]。仍需改进纳米颗粒的合成策略，提高其生物相容性和靶向精度，以充分发挥它们作为下一代生物医学工具的潜力[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。在众多稀有金属中，氧化钆（Gd₂O₃）因其优异的电学、热学、催化和生物学特性而受到广泛关注[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。在医疗应用中，含钆纳米结构在肿瘤组织内的优先积累增强了渗透性和滞留效应（EPR），延长了循环时间，从而实现了定位和长时间滞留，显著提高了其在磁共振成像（MRI）和诊断成像中的应用效果[25]、[26]。除了在诊断和成像应用中的 established 作用外，基于钆的纳米结构的更广泛生物医学潜力尚未得到充分探索，为治疗和多功能干预提供了可能性。然而，成功的临床转化需要开发可靠且生物相容的合成策略，以精确控制物理化学性质、提高稳定性并最小化毒性。利用生物方法合成氧化钆纳米颗粒（GdNPs）是一种有吸引力的策略，代表了传统合成方法的绿色、经济且环保的替代方案。

药用植物无疑是生物合成稀土氧化物金属纳米颗粒的更好来源，这主要归功于药用植物中丰富的生物活性化合物。植物提取物富含多种次级代谢物，包括类固醇、酰胺、多酚、多糖、生物碱和黄酮类化合物，这些化合物在纳米颗粒成核和生长过程中起到关键作用。此外，植物化学物质的包覆机制赋予了纳米颗粒内在的生物相容性，并有利地调节细胞相互作用，从而增强了植物介导的纳米颗粒的生物医学适用性[27]、[28]、[29]。基于这一优势，药用纳米技术的研究转向了使用生物提取物可持续合成稀土氧化物纳米颗粒（REO-NPs），在生物科学领域建立了坚实基础[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。然而，关于利用药用植物的研究报告较少，因此迫切需要选择具有治疗相关性的物种来合成能够封装具有内在药理特性的生物活性化合物的稀土氧化物纳米颗粒。在这方面，沙棘（Sea buckthorn，简称SB）有着悠久的历史，被誉为“圣果”和“维生素C之王”，是一种属于Hippophae rhamnoides科的落叶灌木，具有很高的营养价值和治疗效果，主要在亚洲东部地区栽培。有趣的是，SB植物的浆果富含多种植物成分，如碳水化合物、香豆素、酚类、醌类、黄酮类和单宁（见图1）[36]、[37]。大量证据表明，富含酚类化合物（尤其是原花青素和黄酮类）的饮食与降低癌症风险相关，这主要归功于它们的强大抗氧化、抗炎和抗增殖作用，这些作用可以缓解氧化还原失调、调节细胞内信号传导级联并抑制肿瘤进展[38]。考虑到SB植物的多样生物潜力，已有近两百种工业产品和制剂（包括救命药物和草药疗法）被证明对癌症、心血管疾病、胃肠道溃疡、肝功能障碍、烧伤损伤和神经退行性疾病等多种疾病有效[39]。SB植物的这种多样植物化学成分为其作为绿色、可持续纳米颗粒合成方法的潜力提供了坚实的基础。（见表1。）

为填补开发基于钆的纳米材料的可持续方法方面的现有空白，本研究采用SB浆果提取物进行生物合成氧化钆纳米颗粒（GdNPs），并进行了全面的结构和形态表征。此外，还评估了GdNPs在MCF-7（乳腺癌）和MCF-10-A（正常乳腺）细胞系中的体外细胞毒性，以确定其治疗潜力和生物相容性。此外，这项研究还全面探讨了GdNPs的抗炎、抗糖尿病和抗氧化特性，从而为其生物医学应用奠定了三重功能框架。

部分摘录

一般说明

所有试剂均从商业渠道获取。使用紫外-可见光谱仪（Shimadzu UV-2600）在200–800纳米光谱范围内表征吸收谱。傅里叶变换红外光谱仪（Spectrum One System，Perkin-Elmer）用于识别有机官能团，样品制备使用溴化钾（KBr）颗粒，测量范围为400至4000 cm⁻¹。X射线粉末衍射仪（Bruker D2 Phaser，Cu Kα）

GdNPs的生物合成

我们之前的研究主要集中在开发可持续的方法来高效合成多功能纳米颗粒，优先考虑程序简单性、能源效率、成本效益和环境友好性等符合绿色化学原则的属性。首先通过煎煮技术制备了沙棘（SB）浆果的水提取物，并通过定性植物化学筛选来识别

结论

总之，成功地使用沙棘（SB）浆果的水提取物生物合成了GdNPs。所得GdNPs通过多种分析技术进行了全面表征，以阐明其结构和形态特性。此外，我们的研究结果明确表明，GdNPs在体外表现出显著的生物潜力，包括诱导细胞凋亡、抗乳腺癌、抗炎、抗糖尿病和抗氧化作用

CRediT作者贡献声明

普拉富尔·丹德格（Prafull Dandge）：撰写原始草稿、可视化处理、验证、方法学设计、实验研究、数据分析、数据管理。苏拉杰·科特（Suraj Khot）：可视化处理、验证、方法学设计、实验研究、数据分析、数据管理。阿拉蒂·库尔卡尼（Arati Kulkarni）：可视化处理、验证、方法学设计、实验研究、数据分析。帕德玛·丹德格（Padma Dandge）：撰写与编辑、可视化处理、实验研究、数据分析。찬드라칸트·벤키（Chandrakant Bhenki）：验证、实验研究、数据分析

资金声明

作者声明本论文所述工作未获得任何资金、资助或其他支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢希瓦吉大学（Shivaji University）化学系以及该校的先进分析仪器设施和共享设施中心（CFC）提供的必要实验室基础设施和表征设备。其中一位作者（普拉富尔·丹德格）还要感谢巴巴萨赫布·安贝德卡尔研究与培训研究所（Babasaheb Ambedkar Research and Training Institute，简称BARTI）提供的研究奖学金

普拉富尔·丹德格（Prafull Dandge）于2020年从印度科尔哈普尔（Kolhapur）希瓦吉大学化学系获得硕士学位，目前在同一系攻读博士学位。他获得了马哈拉施特拉邦政府颁发的巴巴萨赫布·安贝德卡尔国家研究奖学金（BANRF-2021），用于支持他的博士研究。他的博士研究内容包括开发功能性纳米材料及其治疗潜力的评估