Zastosowania nanocząstek selenu

Sarah K. Walsh, Naghmeh Kamali, Joe McGrath, John J. Hogan, John. P. Hanrahan

Glantreo Limited, ERI Building, Cork City, Ireland, www.glantreo.com

Read more about

• Enhancing Health and Technology with Monodisperse Selenium Nanoparticles
• Wykorzystanie nanocząsteczek selenu do wykrywania COVID-19
• Nanocząsteczki o zwiększonych właściwościach odżywczych w paszach dla zwierząt i suplementach diety dla ludzi
• Selenium Nanoparticles as Antimicrobial Coating for Medical Device
• Mechanizmy i zastosowania nanocząstek selenu w terapii nowotworów
• Potencjał selenu w bateriach słonecznych
• Potencjał selenu w bateriach słonecznych.Potencjał selenu w ogniwach słonecznych
• Nanocząsteczki selenu do dostarczania leków i zwiększonej penetracji skóry
• Nanotechnologia selenu w rolnictwie: Korzyści z nawozów nanocząsteczkowych dla produkcji roślinnej i zdrowia gleby
• Związek między selenem a cukrzycą: Evidence and Implications
• Rola selenu jako przeciwutleniacza w chorobach zapalnych: Implications for Diabetes, Celiac, and HIV
• Se Nanoparticles as Antibacterial Agents: Właściwości i mechanizmy działania
• Understanding Mask Efficacy Against COVID-19: Novel Testing Methods Using Selenium Nanoparticles
• Powiązane produkty

Poprawa zdrowia i technologii dzięki monodyspersyjnym nanocząsteczkom selenu

Selen jest niezbędnym pierwiastkiem śladowym, niezbędnym zarówno w żywieniu ludzi, jak i zwierząt gospodarskich. Jest niezbędnym składnikiem diety co najmniej 25 ludzkich selenoprotein i enzymów zawierających selenocysteinę. Ze względu na wiele korzyści zdrowotnych, selen jest powszechnym dodatkiem do pasz dla zwierząt i produktów żywieniowych. Ponadto, ponieważ selen jest półprzewodnikiem i jest aktywny fotoelektrycznie, ma bardziej zaawansowane zastosowania, takie jak kserografia i montaż ogniw słonecznych. Selen rzadko występuje w stanie pierwiastkowym i zwykle obserwuje się go w postaci organicznej (selenometionina, selenocysteina) lub nieorganicznej (selenian, selenek, selenin).

Rozwój jednolitych, monodyspersyjnych, nanometrowych cząstek selenu zyskał zainteresowanie komercyjne, ponieważ nanocząstki często wykazują unikalne właściwości elektryczne, optyczne, magnetyczne i chemiczne w porównaniu z ich masowymi odpowiednikami. Zastosowanie nanocząstek selenu (SeNP) jest szczególnie interesujące, ponieważ wykazano, że zwiększają one właściwości biologiczne i fotoelektryczne selenu. Co więcej, SeNPs są biokompatybilne i nietoksyczne oraz wykazują niską cytotoksyczność w porównaniu do swoich odpowiedników, selenitu (SeO₃^2-) i selenianu (SeO₄^2-). 

Rysunek 1. Monodyspersyjne koloidy selenu: Obrazy fotograficzne sześciu średnic cząstek w zakresie od 20 do 240 nm. Cząstki są pokazane od lewej do prawej, z najmniejszą średnicą po lewej i największą po prawej (odpowiednio 20±6,71±9, 102±10, 146±23, 183±33 i 240±32 nm).

Rysunek 2. Mikrografia TEM monodyspersyjnych nanocząstek selenu, podkreślająca jednolity rozmiar i kształt, z niewielkimi różnicami między cząstkami. [Lin et al Materials Chemistry and Physics 92 (2005) 591-594].

Utilizing Selenium Nanoparticle for COVID-19 Detection

Nanocząsteczki (NPs) były często wykorzystywane w wielu zastosowaniach medycznych, w tym w biosensingu, dostarczaniu leków, obrazowaniu i leczeniu przeciwdrobnoustrojowym. Ze względu na ich dużą powierzchnię i ultra małe rozmiary, NPs zostały zastosowane w metodach reakcji łańcuchowej polimerazy z odwrotną transkryptazą (RT-PCR), wśród innych metod wykrywania wirusów, w tym testu immunoenzymatycznego (ELISA) i izotermicznej amplifikacji z udziałem pętli odwrotnej transkrypcji (RT-LAMP). Koronawirus 2 zespołu ostrej niewydolności oddechowej (SARS-CoV-2) jest wirusem otoczkowym o charakterystyce cząsteczkowej i średnicy 60-140 nm (Rysunek 3). Można go uznać za funkcjonalną nanocząstkę typu rdzeń-powłoka (NP), która może wchodzić w interakcje z różnymi materiałami w swoim otoczeniu, pozostając przyczepiona przez różny czas, zachowując jednocześnie swoją bioaktywność. Zaobserwowano, że syntetyczne NP mogą ściśle naśladować wirusa i silnie oddziaływać z jego białkami ze względu na ich podobieństwo morfologiczne.

Rysunek 3. Rysunek przedstawiający strukturę wirusa SARS-CoV-2.

W badaniu przeprowadzonym przez Wanga i in. omówiono opracowanie testu opartego na SeNP do połączonego wykrywania IgM i IgG anty-SARS-CoV-2 w ludzkiej surowicy i krwi. Test obejmował zestaw do testu immunologicznego z przepływem bocznym oparty na nukleoproteinie SARS-CoV-2 zmodyfikowanej nanocząsteczkami selenu, który wykrywa IgM anty-SARS-CoV-2 i IgG anty-SARS-CoV-2 w ludzkiej surowicy, dając wizualnie wykrywalne wyniki w ciągu 10 minut (patrz Rysunek 4 dla ilustracji zestawu testowego).

SeNPs mogą być zatem stosowane jako sonda znakująca w eksperymentach chromatografii lateralnej. Takie NPs mają efekt plazmonów powierzchniowych i efekt małych rozmiarów i mogą być stosowane do znakowania białek lub kwasów nukleinowych. Pozytywny wynik może być reprezentowany przez obecność widocznych pomarańczowych linii, ponieważ SeNP mają pomarańczowy kolor. SeNP są korzystne, ponieważ wykazują wyższy poziom czułości i są bardziej opłacalne niż inne typy sond.

Rysunek 4. Składniki i interpretacja paska testowego do testu immunologicznego na obecność przeciwciał SARS-CoV-2. (a) Schemat przedstawia różne składniki paska testowego; (b) Wytyczne dotyczące oceny wizualnej pomagają użytkownikowi zinterpretować wyniki paska testowego poprzez identyfikację linii kontrolnej i linii testowej (odpowiednio C i T) oraz obecność lub brak przeciwciał IgM i IgG. [Wang et al. Lab Chip, 2020, 20, 4255].

Nanocząsteczki o zwiększonych właściwościach odżywczych w paszach dla zwierząt i suplementach diety dla ludzi

Nanocząsteczki mogą oferować korzyści odżywcze, takie jak zwiększone wchłanianie, biodostępność, aktywność przeciwdrobnoustrojowa i wydalanie nanomateriałów. Suplementacja produktów żywienia zwierząt SeNPs wykazała bardzo obiecujące wyniki po dodaniu do pasz dla zwierząt monogastrycznych, przeżuwaczy i zwierząt wodnych (patrz Rysunek 5. dla zastosowań SeNPS w paszach dla zwierząt). Dostarczanie nanocząsteczek minerałów jest skuteczne w poprawie współczynnika konwersji paszy, promowaniu wzrostu i rozwoju komórek mięśniowych, poprawie środowiska mikrobiologicznego jelit, leczeniu powszechnych chorób pasożytniczych, takich jak kokcydioza, i zmniejszaniu śmiertelności drobiu. Tradycyjnie selen jest dodawany do pasz dla zwierząt w postaci nieorganicznej (selenin) lub organicznej (seleno-metionina). Jednak zastosowanie selenu w postaci nanocząsteczek w paszy dla zwierząt może być atrakcyjną alternatywą, ponieważ nie musi być metabolizowany przed włączeniem do selenoprotein, a zatem jest bardziej biodostępny niż selen nieorganiczny. Obecnie brak jest prób suplementacji SeNP u ludzi i produktów komercyjnych. Jest to jednak obszar bardzo obiecujących badań.

Rysunek 5. Zastosowanie nanocząstek selenu w paszach dla zwierząt.

Nanocząstki selenu jako powłoka przeciwdrobnoustrojowa dla urządzeń medycznych

Nanocząstki były szeroko badane pod kątem różnych zastosowań medycznych ze względu na ich wysoki stosunek powierzchni do objętości i mniejszy rozmiar w porównaniu z konwencjonalnymi cząstkami o wielkości mikrona. Ich wysoka powierzchnia zapewnia więcej miejsc do interakcji z jednostkami biologicznymi i funkcjonalizacji innymi bioaktywnymi cząsteczkami, takimi jak leki przeciwnowotworowe i przeciwbakteryjne. Nanostrukturalny selen zwiększa powierzchnię dostępną do interakcji i zabijania bakterii, a także zmienia morfologię powierzchni, aby ostatecznie zahamować przyczepianie się bakterii. Dodatkowo, SeNPs wykazały siedmiokrotnie niższą ostrą toksyczność niż selenin sodu u myszy, wykazując mniejsze działanie prooksydacyjne.

Biofilmy są częstą przyczyną uporczywych infekcji na urządzeniach medycznych, ponieważ są łatwe do utworzenia i trudne do leczenia. SeNP mogą być powlekane na powierzchni urządzeń medycznych (takich jak cewniki, protezy ortopedyczne, soczewki kontaktowe, protezy zastawek serca itp.), aby zapobiec tworzeniu się biofilmu. Badanie przeprowadzone przez Wang i wsp. wykazało, że poliwęglanowe urządzenia medyczne pokryte SeNP silnie hamowały wzrost bakterii S. aureus na powierzchni po 24 i 72 godzinach odpowiednio o 91% i 73% w porównaniu z niepowleczonymi powierzchniami poliwęglanowymi. Co ważne, zostało to osiągnięte bez użycia antybiotyków, a raczej pierwiastka naturalnego dla ludzkiego organizmu.  Rysunek 6 ilustruje spadek gęstości S. aureus wraz ze wzrostem stężenia selenu na powierzchni poliwęglanu. 

Rysunek 6. Wyniki badania właściwości antybakteryjnych folii poliwęglanowych pokrytych selenem. Rysunek przedstawia gęstość bakterii S. aureus hodowanych na różnych ilościach selenu przez różne okresy czasu. Dane sugerują, że powierzchnie poliwęglanowe pokryte selenem mogą skutecznie hamować wzrost bakterii, co ma potencjalne zastosowanie w opakowaniach żywności i urządzeniach medycznych. [Wang et al. Lab Chip, 2020, 20, 4255].

Mechanizmy i zastosowania nanocząsteczek selenu w terapii przeciwnowotworowej

Suplementacja selenem została zasugerowana jako silna terapia przeciwnowotworowa. Zakrojone na szeroką skalę, podwójnie zaślepione, randomizowane badania interwencyjne na ludziach wykazały, że suplementacja selenu w dawce 200 µg/dzień może prowadzić do nieistotnego zmniejszenia śmiertelności z jakiejkolwiek przyczyny i znacznego zmniejszenia całkowitej śmiertelności z powodu raka oraz częstości występowania raka płuc, jelita grubego i prostaty. Chociaż badania interwencyjne na ludziach wykorzystujące SeNP są rzadkie, w badaniach in vitro zaobserwowano, że SeNP funkcjonalizowane kwasem foliowym mogą indukować apoptozę w liniach komórek rakowych (linia komórkowa raka piersi (MCF-7). Ponadto wykazano, że SeNP powodują kurczenie się komórek i uszkodzenie komórek raka prostaty podczas hodowli, powodując aktywność cytotoksyczną. Ze względu na ich niewielki rozmiar i dużą powierzchnię, suplementacja SeNPs może zwiększyć biodostępność selenu i działanie przeciwnowotworowe.

Mechanizm działania chemoprotekcyjnego działania selenu nie jest w pełni znany. Zaproponowano jednak kilka hipotez wyjaśniających przeciwnowotworowe działanie selenu. Mogą one obejmować ochronę przed uszkodzeniami oksydacyjnymi (poprzez jego funkcję jako składnika enzymu antyoksydacyjnego peroksydazy glutationowej), zmiany w metabolizmie czynników rakotwórczych, wpływ na układ hormonalny i odpornościowy, produkcję cytotoksycznych metabolitów selenu, hamowanie syntezy białek, hamowanie określonych enzymów i stymulację apoptozy. Rysunek 7 przedstawia możliwe chemoprewencyjne role selenu.

Rysunek 7. Rola selenu w zapobieganiu i leczeniu nowotworów. Panel (A) przedstawia różne czynniki prowadzące do zwiększonego ryzyka zachorowania na raka i ochronne działanie selenu przeciwko nim. Panel (B) ilustruje schematyczny model apoptozy komórek nowotworowych w obecności nanocząstek selenu, które promują śmierć komórek nowotworowych. [Maiyo et al Nanomedicine 2017 Vol 12 No 9].

Potencjał selenu w ogniwach słonecznych

Selen ma kilka kluczowych cech, które czynią go pożądanym składnikiem ogniw słonecznych, takich jak wysoka wrażliwość na światło, łatwość przetwarzania i stabilność. Pierwiastek ten wykazuje wysoki współczynnik absorpcji i mobilność, co czyni go atrakcyjnym absorberem dla cienkowarstwowych ogniw słonecznych o wysokim paśmie wzbronionym. Co więcej, prostota absorbera jednoelementowego (co znacznie upraszcza proces osadzania) i wewnętrzna stabilność środowiskowa umożliwiają wykorzystanie selenu w niezwykle tanich i skalowalnych ogniwach słonecznych. Ogniwa słoneczne oparte na selenie mają przewagę nad krzemem i innymi nowymi materiałami fotowoltaicznymi. Mogą być przetwarzane w znacznie niższych temperaturach (poniżej 200 °C) niż temperatury przetwarzania krzemu lub CdTe. Selenowe ogniwa słoneczne wykazują również naturalną stabilność w warunkach otoczenia (np. wilgotność i tlen). Co więcej, selen jest półprzewodnikiem typu p, a badania wykazały, że selen ma dwubiegunowe właściwości transportowe i może działać zarówno jako świetny transporter, jak i absorber światła. Badanie przeprowadzone przez Pejjai et al. z powodzeniem włączyło monoselenek cyny (SnSe) NPs do cienkowarstwowych ogniw słonecznych, które wykazały wydajność na poziomie 0,43%. Rysunek 8 przedstawia schemat i cechy ogniw słonecznych SnSe NP. 

Rysunek 8. Ogniwo słoneczne SnSe NPs: (a) Schemat heterozłączowego ogniwa słonecznego (b), charakterystyka gęstości prądu w funkcji napięcia (J-V), (c) i obraz SEM warstwy absorbera SnSe z wyszczególnieniem morfologii i grubości warstwy absorbera SnSe NPs. [Pejjai et al. J Mater Sci: Mater Electron 27, 5491-5508 (2016)].

Nanocząsteczki selenu do dostarczania leków i zwiększonej penetracji skóry

Powszechne zastosowanie nanotechnologii nasila się w kosmeceutykach i nanokosmeceutykach stosowanych do pielęgnacji skóry, włosów, paznokci, ust i schorzeń, takich jak zmarszczki, fotostarzenie, przebarwienia, łupież i uszkodzenia włosów. Ze względu na dużą powierzchnię, nowe nanonośniki, takie jak SeNP, mają zalety zwiększonej penetracji skóry, kontrolowanego i długotrwałego uwalniania leku, wyższej stabilności, rozpuszczalności i zwiększonej biodostępności, a także specyficznego dla miejsca docelowego i wysokiej skuteczności uwięzienia (patrz Rysunek 9 dla zalet nano-kosmeceutyków).

Selenoproteiny odgrywają kluczową rolę w obronie antyoksydacyjnej i utrzymaniu zredukowanego środowiska komórkowego. Promieniowanie UV może obejmować reaktywne formy tlenu (ROS), które są kluczowymi mediatorami oksydacyjnego uszkodzenia skóry. Powtarzająca się ekspozycja na promieniowanie UV-A i UV-B może zwiększać ryzyko oparzeń słonecznych. Ponadto stres oksydacyjny (wywoływany głównie przez promieniowanie UV-A) może powodować przedwczesne starzenie, opaleniznę i raka skóry. Selen został włączony do produktów ochrony przeciwsłonecznej w postaci nanocząstek, ponieważ ma zmniejszoną toksyczność w porównaniu z jego powszechnie stosowanymi odpowiednikami. Aktywność przeciwutleniająca selenu zwiększa aktywność enzymów redoks zaangażowanych w wychwytywanie wolnych rodników, oferując skuteczną alternatywę w leczeniu powikłań oparzeń słonecznych. Działanie przeciwutleniające miejscowego stosowania SeNP może zmniejszać stres oksydacyjny poprzez eliminację ROS i wykazywanie kwaśnego pH (w zakresie 4,2-5,6), co pomaga w zapobieganiu kolonizacji patogennych bakterii, regulacji aktywności enzymów i utrzymaniu środowiska bogatego w wilgoć.

Rysunek 9. Pozytywne aspekty nanocząsteczek w kosmetykach do pielęgnacji skóry.

Nanotechnologia selenu w rolnictwie: Korzyści z nawozów nanocząsteczkowych dla produkcji roślinnej i zdrowia gleby

Zawartość selenu w glebach jest bardzo zróżnicowana na całym świecie i może wynosić od 0,005 do 1200 µg g^-1, chociaż zazwyczaj wynosi od 0,1 do 10 µg g^-1. Spożycie selenu w diecie, a tym samym poziom selenu w osoczu, w dużym stopniu zależy od zawartości selenu w glebie w spożywanej żywności. Normalizację stężenia selenu w glebie można osiągnąć poprzez stosowanie nawozów zawierających selen. Nanoskalowy selen cieszy się dużym zainteresowaniem jako dodatek do nawozów. W porównaniu do organicznych i nieorganicznych związków selenu, SeNP nie rozpuszczają się w wodzie i roztworach wodnych i nie są szybko wymywane z gleby. Se może być dostarczany z gleby do roślin poprzez stopniowe utlenianie powierzchni nanocząstek i uwalnianie tlenków do roztworu glebowego.

Badania wykazały, że gleba nawożona SeNPs prowadzi do wyższych plonów owoców, ryżu i liści herbaty o wyższej zawartości selenu w owocach. Co więcej, SeNP dodane do nawozu poprawiły cykl wzrostu borówek, które były wyższej jakości i miały dłuższy okres przechowywania (patrz Rysunek 10, aby zobaczyć wpływ różnych stężeń nawożenia SeNP na roślinę rzodkiewki). Wykazano, że SeNP zwiększają zdolności roślin do zwalczania chorób i grzybów. Ponadto duża powierzchnia i niewielki rozmiar nanomateriałów w nanonawozach pozwalają na zwiększoną interakcję i efektywne pobieranie selenu do nawożenia upraw. Ten wzrost skuteczności pobierania może prowadzić do znacznych korzyści ekonomicznych i środowiskowych.

Rysunek 10. Wzrost siewek rzodkiewki w odpowiedzi na nawożenie SeNPs. Sadzonki rzodkiewki uprawiane w (a) nienawożonej glebie i w glebie nawożonej (b) 1, (c) 5, (d) 10 i (e) 25 μg g-1 SeNPs. Najwyższe tempo wzrostu roślin zaobserwowano przy stężeniach SeNPs wynoszących 5 i 10 μg, jak pokazano odpowiednio na zdjęciach (c) i (d).

Zależność między selenem a cukrzycą: Dowody i implikacje

Chociaż brakuje dowodów na wpływ selenu na cukrzycę, w badaniach zaobserwowano, że pacjenci z cukrzycą mają niższy poziom selenu w porównaniu z grupą kontrolną. Częstość występowania cukrzycy jest większa u mężczyzn z niskim poziomem selenu w osoczu. Co więcej, w jednym z badań zaobserwowano, że kobiety w ciąży z cukrzycą ciążową miały niższe poziomy selenu w surowicy w porównaniu z grupą kontrolną i stwierdzono znaczące ujemne korelacje między poziomami selenu w surowicy a CRP, poziomem cholesterolu całkowitego i LDL. Przeciwutleniająca moc selenu może mieć działanie neutralizujące stres oksydacyjny, który odgrywa główną rolę w patogenezie cukrzycy. Ponadto postawiono hipotezę, że selen może wpływać na metabolizm glukozy. Wykazano, że suplementacja selenem zmniejsza ekspresję białek zapalnych, takich jak interleukiny i czynniki martwicy nowotworów u pacjentów z cukrzycą. Zakres toksyczności selenu jest jednak bardzo wąski i należy zachować ostrożność, aby zapewnić korzystne efekty terapeutyczne. Inne badania sugerują, że częstość występowania cukrzycy jest większa u osób z wysokim poziomem selenu w osoczu. Obecnie dostępne dane dotyczące poziomów selenu w osoczu i ryzyka cukrzycy można przedstawić za pomocą wykresu w kształcie litery U (Rysunek 11). Oznacza to, że zarówno niskie, jak i wysokie spożycie selenu może wpływać na ryzyko cukrzycy i innych śmiertelności klinicznej. W związku z tym, chociaż dowody obserwacyjne sugerują, że niski poziom selenu może zwiększać ryzyko rozwoju cukrzycy, potrzebne są dalsze badania w celu zbadania bezpiecznego uzupełniającego spożycia selenu w celu osiągnięcia korzystnych efektów terapeutycznych.

Rysunek 11. Wykres w kształcie litery U ilustrujący ryzyko powikłań zdrowotnych w zależności od statusu selenu.

Rola selenu jako przeciwutleniacza w chorobach zapalnych: Implikacje dla cukrzycy, celiakii i HIV

Selen jest głównym pierwiastkiem przeciwutleniającym, działającym poprzez enzymy katalizujące reakcje redoks. Te selenoproteiny odgrywają kluczową rolę w systemie obrony antyoksydacyjnej komórki. Istnieją silne dowody sugerujące, że selen może mieć wpływ na przebieg i wynik wielu chorób zapalnych (cukrzyca, celiakia, HIV). Aktualne dane wskazują, że na stan zapalny wywołany przez wirusy, bakterie lub stres może mieć zmienny wpływ dostępność selenu.

Obniżony poziom selenu w surowicy zaobserwowano w ostrych i przewlekłych stanach zapalnych z wysokimi wartościami CRP. Niski poziom selenu odnotowano również w zespole ciężkiej odpowiedzi zapalnej, który charakteryzuje się zwiększoną produkcją reaktywnych form tlenu (ROS) przez aktywowane makrofagi, indukcją uszkodzeń oksydacyjnych i uszkodzeniem tkanek. Szlak sygnałowy czynnika jądrowego kappa-B (NF-_KB) został powiązany ze zwiększoną odpowiedzią zapalną, a jego aktywacja została znacząco skorelowana z produkcją interleukiny-6 i TNF-alfa. Przypuszcza się, że selen hamuje aktywację NF-_KB poprzez modulację ekspresji genów. Suplementacja selenem w przewlekłym zapaleniu przywraca zubożony poziom selenu w wątrobie i surowicy poprzez zwiększenie biosyntezy selenoprotein. Efekt ten prowadzi do zahamowania produkcji CRP, a tym samym łagodzi odpowiedź zapalną. Rysunek 12 ilustruje związek między selenoenzymami a odpowiedzią zapalną. Chociaż obecnie istnieje niewielka liczba opublikowanych badań na ludziach badających przeciwzapalne skutki suplementacji SeNP, jest to obiecujący obszar dla przyszłych badań, ponieważ cząstki nanosized mogą mieć zwiększoną biodostępność niż ich większe odpowiedniki, a tym samym zwiększone efekty terapeutyczne.

Rysunek 12. Przedstawienie mechanizmów wpływu suplementacji selenem na stan zapalny. Suplementacja selenem może hamować wiązanie NF-KB do genów promotorowych, zmniejszać uwalnianie cytokin i hamować syntezę CRP. Poziom selenu w osoczu wpływa na aktywność selenoenzymów, które hamują aktywację kinaz białkowych i fosforylację IκBα.

Nanocząstki Se jako środki przeciwbakteryjne: Właściwości i mechanizmy działania

Wysoki stosunek powierzchni do objętości, specyficzność celu, wysoka biokompatybilność i wysoka reaktywność SeNPs mogą sprawić, że będą one skutecznymi środkami przeciwbakteryjnymi. Nanocząstki mogą wchodzić w interakcje ze składnikami komórkowymi, takimi jak rybosomy, DNA i RNA, powodując zmiany w tym procesie. Zakłada się, że nanocząstki przenikają przez błonę komórkową poprzez endocytozę, a następnie cytozol i uszkadzają składniki genetyczne komórek bakteryjnych.

Nanocząstki SeNPs okazały się skutecznymi środkami przeciwdrobnoustrojowymi przeciwko bakteriom Gram-dodatnim. Badanie przeprowadzone przez Glantreo Ltd. wykazało, że gdy wodny roztwór SeNP został pokryty polietylenowym szkiełkiem nakrywkowym, skutecznie zmniejszył liczbę jednostek tworzących kolonie/ml bakterii MRSA o ponad 98% w ciągu 2-godzinnego okresu inkubacji. Ponieważ wiadomo, że MRSA jest odporny na antybiotyki, wykorzystanie SeNP jako środka przeciwdrobnoustrojowego do zastosowań biomedycznych może być zatem bardzo zachęcające.

Aktywność przeciwbakteryjna SeNP została wykazana przez Huanga i współpracowników jako wysoce zależna od wielkości. SeNPs mierzące około 80 nm wykazały maksymalne hamowanie wzrostu i efekt zabijania MRSA. Stwierdzono, że SeNP wykazują zależne od wielkości, wielomodalne mechanizmy działania, w tym wyczerpywanie wewnętrznego ATP (Rysunek 13), indukowanie produkcji ROS i zakłócanie potencjału błonowego. 

.

Rysunek 13. Poziom ATP u S. aureus z różnymi rozmiarami SeNPs. Stevanovic et al (Front. Bioeng. Biotechnol. 8:624621).

Działanie przeciwdrobnoustrojowe SeNPs ma liczne zastosowania przemysłowe i medyczne. Khiralla et al. zauważyli, że biogenne SeNPs (MIC₉₀ 25 µg/mL) wykazywały działanie przeciwdrobnoustrojowe przeciwko 6 patogenom przenoszonym przez żywność: B. cereus, E. faecalis, S aureus, E. coli 0157:H7, S. Typhimurium i S. Enteritidis (Ryc. 14). 

.

Rysunek 14. Działanie przeciwdrobnoustrojowe (0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 i 40 µg/mL) SeNP przeciwko 3 gram-ujemnym patogenom przenoszonym przez żywność. Wzrost badanych szczepów mierzono jako gęstość optyczną przy 595 nm (OD595). Jako dodatkową kontrolę przetestowano 40 µg/mL SeO2/mL. Kolumna z różnymi małymi literami wskazuje znaczący efekt (p < 0,05) w każdej grupie. Kolumna z gwiazdką (*) wskazuje na znaczącą różnicę (p < 0,05) między szczepami przy tym samym stężeniu SeNPs. (Khiralla et al. LWT-Food Science and Technology 63 [1001-7])

Zrozumienie skuteczności masek przeciwko COVID-19: Nowe metody testowania z wykorzystaniem nanocząstek selenu

Obecna pandemia COVID-19 jest wywoływana przez nowego koronawirusa SARS-CoV-2, który jest przenoszony głównie drogą oddechową (vide infra). Ostatnie badania sugerują, że noszenie masek na twarz zmniejsza rozprzestrzenianie się COVID-19 na poziomie populacji, a w konsekwencji hamuje wzrost krzywej epidemii.

SARS-CoV-2 ma rozmiar od 60 do 140 nm, mniejszy niż bakterie, kurz i pyłki. Dlatego maski wykonane z materiałów o większych rozmiarach porów, takich jak bawełna i tkaniny syntetyczne, nie będą w stanie skutecznie filtrować tych wirusów lub małych kropelek obciążonych wirusami, w porównaniu z tymi wykonanymi z materiałów o znacznie mniejszych rozmiarach porów.Dodatkowo, wcześniejsze badania wykazały, że materiały tkaninowe oferują ograniczoną ochronę przed cząsteczkami w reżimie wielkości SARS-CoV-2. 

Kiedy cząsteczki wchodzą w interakcję z włóknem filtracyjnym, ogólnie przyjmuje się, że są one "zbierane" przez włókno i zatrzymywane przez siły van Der Waalsa. W przypadku małych cząstek ruchy Browna zwiększają prawdopodobieństwo interakcji cząstki z włóknem filtra. Przy większych rozmiarach, cząsteczki mogą zostać przechwycone przez włókno, gdy znajdują się w promieniu jednej cząsteczki.

Określenie skuteczności maski jest złożonym tematem, który wciąż jest aktywną dziedziną. Zaproponowano, że przepuszczając roztwór aerozolu zawierający nanocząstki o podobnym zakresie wielkości do SARS-CoV-2 przez materiał maski i obserwując poziom zatrzymanego roztworu, można wywnioskować skuteczność materiału maski w zmniejszaniu rozprzestrzeniania się kropelek obciążonych wirusem.

Nanocząstki selenu mogą być syntetyzowane w celu utworzenia nanocząstek w zakresie wielkości charakterystycznym dla SARS-CoV-2 (60 - 140 nm). Ponieważ te sferyczne, monodyspersyjne nanocząstki tworzą charakterystyczny pomarańczowo-czerwony kolor w postaci wodnej (Rysunek 15). 

Rysunek 15. Zdjęcie wodnych dyspersji nanocząstek selenu w kolorze od pomarańczowego do czerwonego.

Można zasugerować, że kierując nebulizowany roztwór aerozolowy kolorowych nanocząstek w kierunku materiału maski i obserwując poziom roztworu wychwyconego przez maskę, a następnie poziom niewyłapanych cząstek (kolorowy aerozol przechodzący przez materiał maski), można w ten sposób określić skuteczność badanego materiału w hamowaniu rozprzestrzeniania się SARS-CoV-2. 16 ilustruje projekt oceny skuteczności wirusowej materiałów masek.

Rysunek 16. Rysunek projektu wykorzystującego sześciostopniowy próbnik Andersena do oceny skuteczności materiałów masek przeciwko bakteriom i wirusom.