撤回された論文: 亜鉛の生合成

Jul 25, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 9442 (2022) この記事を引用

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植物抽出物を使用して、環境に優しい Zn ドープ CuFe2O4 ナノ粒子 (NP) を合成しました。 これらのナノ粒子は、X 線回折、フーリエ変換赤外分光法、走査型電子顕微鏡 (SEM)、エネルギー分散型 X 線分光法、および熱重量分析 (TGA) によって特性評価されました。 SEM 画像では、サイズ範囲が 30 nm 未満の球状 NP が示されました。 EDS 図には、亜鉛、銅、鉄、酸素の元素が示されています。 Zn ドープ CuFe2O4 NP の細胞毒性と抗癌特性を、マクロファージ正常細胞と A549 肺癌細胞で評価しました。 A549 癌細胞株に対する Zn ドープ CuFe2O4 および CuFe2O4 NP の細胞毒性効果を分析しました。 Zn ドープ CuFe2O4 および CuFe2O4 NP は、A549 がん細胞に対してそれぞれ IC50 値 95.8 および 278.4 μg/mL を示しました。 さらに、Zn ドープ CuFe2O4 および CuFe2O4 NP は、A549 がん細胞に対してそれぞれ 8.31 および 16.1 μg/mL の IC80 値を示しました。 特に、CuFe2O4 NP に Zn をドーピングすると、CuFe2O4 NP 単独と比較して、A549 がん細胞に対してより優れた細胞毒性効果が示されました。 また、Zn ドープ CuFe2O4 のスピネル ナノ結晶 (約 13 nm) は、マクロファージ J774 細胞株に対して最小限の毒性 (CC50 = 136.6 µg/mL) を示しました。

ナノテクノロジーは科学および技術の一部であり、ナノスケールの範囲の小さな寸法がこの科学において重要な役割を果たします1、2、3。 ナノテクノロジーには、分子および細胞内構造のサイズスケールでの粒子の製造と使用が含まれます4,5。 ナノスケールは一般に、サイズ範囲 < 100 nm (少なくとも 1 次元) の粒子を扱うものと考えられており、ナノ粒子と呼ばれます 6、7、8。 ナノ構造は、ナノ医療 9、遺伝子/薬物送達 10、エネルギー 11、12、農業 13、14、15、16、さらには宇宙 17 など、科学技術のあらゆる異なる分野で使用されています。 このように、現在の成長傾向は、ナノテクノロジーが科学革命において重要な役割を果たしていることを示しています。 科学における最近の発展18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28、および工学におけるテクノロジー29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,3940、 41,42、疫学43,44,45,46,47,48,49、数学50,51,52,53,54、幾何学55,56,57,58は人間の健康59,60,61と生命62,63に重大な影響を及ぼします。 64、65、66、67、68。 さまざまな形状 69,70,71,72,73 やサイズを持つナノ粒子 (NP) は、電子照射、化学還元 75,76、ゾルゲル 77、マイクロ波支援合成 78 など、多数の物理化学的および生物ベースの合成技術 74 を介して広く製造されています。 、および植物媒介合成技術79,80,81,82。 しかし、その安定性、凝集/沈降、サイズ分布、形態の制御に関しては、依然としていくつかの困難な問題が残っています83、84、85。

独特の物理化学的特性と多機能性を備えた NP の合成は、研究者にとって興味深いトピックの 1 つです 86、87、88。 多金属 NP は、最近、医療および生物医学の分野で注目を集めています 89。 これらの NP は、さまざまな臨床および生物医学器具に対する適切な安定性、多機能性、および適用性を示しています90。 その中でも、スピネルセラミック材料としての磁性銅フェライト (CuFe2O4) NP 91 は、適切な抗酸化効果と良好な生分解性を示しました。 スピネルフェライトは「MFe2O4」の一般式を持ち、「M」は二価の陽イオン（Zn、Cu、Mn、Co、Mg、Niなど）を表します92。 さらに、これらの NP は、細胞標識、温熱療法、抗がん用途にも利用できます。 銅フェライト NP は、酸化ストレスとカスパーゼ 3 活性を増加させることにより、肝臓 HepG2 癌細胞の壊死を引き起こしました (in vitro)。 また、これらの多金属磁性粒子は製造コストが低く、水処理でリサイクルすることができます90,93。

磁性亜鉛フェライト (ZnFe2O4) は、高い抗炎症活性を備え、リサイクル可能で生体適合性のある触媒です94。 亜鉛フェライト NP は、ヒト真皮線維芽細胞 (HDF) および赤血球 (RBC) に対してそれぞれ良好な生体適合性および血液適合性を示しました。 一方で、活性酸素ストレス（ROS）を増加させることにより、グラム陽性菌およびグラム陰性菌に対して高い毒性を示します95。 ニッケル亜鉛フェライトやクロム銅フェライトなどのフェライトマルチメタルは、その独特の物理化学的特徴により、臨床および生物医学への応用が期待できることが示されています。 クロム銅フェライト NP の抗菌特性は、銅フェライト NP よりも優れています。 クロム金属の添加により、クロム銅フェライト NP の表面積対体積比が増加し、これらの NP は細菌膜に対してより多くの損傷活性を示しました 96。 インビトロ研究では、ニッケル亜鉛フェライト NP が結腸 HT29、乳房 MCF7、および肝臓 HepG2 癌細胞に対して時間依存性および濃度依存性の細胞毒性を有することが実証されました。 これらは、ミトコンドリアおよび染色体の損傷によってがん細胞のアポトーシスを増加させる可能性があります。 肝臓がん細胞における最大細胞死は 100 μg/mL の濃度であり、結腸がん細胞および乳がん細胞でも 1000 μg/mL の濃度で観察されました 97。

ここでは、植物抽出物を使用して環境に優しい Zn ドープ銅フェライト (Zn ドープ CuFe2O4) NP を初めて合成しました。 キンレンカ抽出物は、毒性が低く安定性の高いナノ構造を合成するための主な前駆体として利用されました。 キンレンカ抽出物を適用して合成されたナノ構造の物理化学的特性は、粉末 X 線回折 (XRD)、走査型電子顕微鏡 (SEM)、エネルギー分散型 X 線分光法 (EDX)、フーリエ変換赤外分光法 (FTIR)、および熱重量分析 (TGA)。 A549ヒト肺腺癌細胞に対するZnドープ銅フェライトナノ構造のin vitro研究は、3-(4,5-ジメチルチアゾール-2-イル)-2,5-ジフェニルテトラゾリウムブロミド(MTT)法に基づいて実施された。

テトラゾリウム色素 (MTT) とジメチルスルホキシド (DMSO) は、Sigma-Aldrich (セントルイス、ミズーリ州、米国) から入手しました。 リン酸緩衝生理食塩水 (PBS)、ダルベッコ変法イーグル培地 (DMEM)、および 1% ペニシリン - ストレプトマイシン溶液は、INOCLON (イラン、テヘラン) から購入しました。 ウシ胎児血清 (FBS) は Biochrome (ベルリン、ドイツ) から購入しました。 硝酸第二鉄 (Fe (NO3)3.9H2O、≧ 98%)、硝酸亜鉛 (Zn(NO3)2・6H2O、98%)、および塩化銅 (II) (CuCl2・2H2O、≧ 99.0%) の塩は、以下から購入しました。シグマアルドリッチ社。 すべてのステップは無菌条件下で実行されました。 脱イオン水はすべての段階で使用されました。 A549 ヒト肺腺癌細胞およびマウス マクロファージ細胞株 (J774-A1) は、イラン パスツール研究所 (イラン) の細胞バンクから入手しました。 細胞は、10% FBS、1% 抗生物質混合物 (ペニシリン/ストレプトマイシン) を補充した DMEM 培地で培養し、標準条件 (37 °C、5% CO2) 下の加湿雰囲気で維持しました。

キンレンカ植物の若い葉を脱イオン水で洗浄した。 27℃で葉の表面の水分を取り除き、柔らかい粉末にした。 1gの植物粉末を10mLの脱イオン水と混合し、室温で24時間撹拌した。 植物抽出物をワットマン濾紙（サイズNo.40）で濾過し、遠心分離した。 Fe(NO3)3・9H2O (1.7 g)、Zn(NO3)2・6H2O (0.8 g)、および CuCl2・2H2O (0.8 g) の塩を 21 mL の植物抽出物に加え、激しく撹拌しながら室温で溶解しました。それぞれ。 塩が完全に溶解した後、同じ条件下で１ＭのＮａＯＨを添加することにより、混合物のｐＨを４から７に上昇させた。 その後、１５ｍＬの脱イオン水を混合物に滴下し、室温で２時間継続的に滅菌した。 得られた混合物をオートクレーブに移し、170℃のオーブンに13時間入れた。 合成された NP を脱イオン水で数回洗浄しました。 最後に、得られた粉末を80℃で10時間乾燥させ、400℃で10時間焼成した。

マクロファージ J774 細胞株における NP の細胞毒性分析のために、さまざまな濃度 (1、5、10、50、100、500、および 1000 μg/mL) の Zn-マクロファージ上のドープされたCuFe2O4、ZnO98、CuO99、およびCuFe2O4 NP。 マクロファージ細胞を 96 ウェル Lab-Tek (Nunc、米国) に 106 細胞/mL でプレーティングし、37 °C、5% CO2 で 24 時間接着させた。 DMEM培地で洗浄して非接着細胞を除去した後、細胞を前述と同様の条件でインキュベートした。 その後、190 μL の完全 DMEM 培地を各ウェルに添加し、その後 10 μL の NPs 希釈液を添加しました (培地で事前に調製したとおり)。 マクロファージは、1 ～ 1000 μg/mL の NP とともに 72 時間保存されました。 細胞毒性率は、前鞭毛虫感受性アッセイで以前に定義された WST1 比色細胞生存率アッセイを使用して評価されました。 すべての実験は、前の段階と同様に 3 回実行されました 100。

A549 肺がん細胞に対する Zn ドープ CuFe2O4、ZnO、CuO、および CuFe2O4 NP (さまざまな濃度: 1、5、10、50、100、500、および 1000 µg/mL) の細胞毒性を、72 の MTT アッセイに基づいて測定しました。 h. 104 細胞/cm2 を 96 ウェル プレートに播種しました。 細胞をプレート壁に付着させた後、さまざまな濃度の NP を添加し、37 °C、5% CO2 で 72 時間インキュベートしました。 この手順の後、細胞をリン酸緩衝生理食塩水（PBS）で洗浄し、培地を廃棄した。 以下では、PBS 中の 5 mg/mL の MTT 色素を各ウェルに適用し、プレートを 4 時間インキュベートしました。 各ウェルに 100 μL の DMSO 溶液を加え、25 °C の暗所で 15 分間保存しました。 最後に、マイクロプレートリーダーを使用して、溶解したホルマザンの吸光度を570 nmで測定しました（DYNEX MRX、米国）。 未処理細胞に対する生存細胞の割合を用いて、A375 細胞の相対生存率を特徴付けました。 50% および 80% の細胞毒性に必要な阻害濃度 (IC50 および IC80) は、プロビット検定を適用し、阻害レベルと濃度をプロットすることによって評価されました。

ＸＲＤ分析は、Ｘ線ビームの波長１．５ÅおよびＣｕアノード材料を有するＸ'ＰｅｒｔＰｒｏ（Ｐａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ、オランダ）回折計を使用して実施した。 XRD測定は、生体ナノ構造(2θ範囲10°～80°)の結晶相と性質を決定するために実行されました。 植物抽出物とナノ構造のXRDデータを図1a、bに示します。 2θ 範囲 35.7°、62.5°、および 39°の強いピークの存在により、合成された NP 中の銅フェライト (CuFe2O4) 101 および亜鉛ドープ銅フェライト (Zn ドープ CuFe2O4) NP の結晶相がそれぞれ確認されました。 反射面 111 (18.5°)、220 (30°)、311 (35.7°)、400 (43°)、422 (53.5°)、511 (57°)、440 (62.5°)、533 (72.5°) ) は、以前に記載されているように、Zn ドープ CuFe2O4 のスピネル結晶子相 102 を検証しました 103,104。

植物抽出物 (a) および Zn ドープ CuFe2O4 NP (b) の XRD 図。

XRD パターンでは、反射 (311) が最も強いピークです。 格子定数は、次の関係式を使用して、面間隔距離とそれぞれの (hkl) パラメーターを使用して計算されました 105:

結晶子サイズは、XRD データの最も強いピーク (311) から推定されました。 結晶子サイズは、Debye-Scherrer の式 (D = 0.9λ/β cos θ) を使用して、Zn 含有量 x の関数として計算されました。 この式において、「λ」は X 線放射の波長、「β」は半値全幅、「2θ」は回折角です。 その結果、NP の結晶子サイズは約 20 nm であることがわかりました。

ＫＢｒペレットを使用した３００〜４０００ｃｍ−１の範囲のＺｎドープＣｕＦｅ２Ｏ４ＮＰのＦＴＩＲ分析は、ｔｅｎｓｏｒ ＩＩ（Ｂｒｕｋｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ、ドイツ）装置によって実行された。 FTIR分析により、合成されたNPに存在する官能基と化学結合が特定されました（図2）。 ピーク 476、551、および 1049 cm-1 は、CuFe2O4 構造内の O 原子の伸縮結合を確立しました 106、107。 551 および 1049 cm-1 の幅広いピークは、CuFe2O4 NP の八面体スピネル構造に起因すると考えられます。 476 cm-1 の 2 つの領域 551 および 1049 cm-1 への弱いピークの移動により、四面体の位置から八面体の位置への O 伸縮結合の移動が確認されました 108,109。 3449 および 3346 cm-1 のピークは、キンレンカ (植物) フェノール化合物の O-H 基の伸縮振動に起因すると考えられます。 植物のフェノール化合物が金属 NP の合成に還元的な役割を果たしていることが明らかになりました 110。

ZnドープCuFe2O4NPのFT-IRスペクトル。

Zn ドープ CuFe2O4 NP の元素組成と形態の評価は、FESEM-EDS を使用して実行されました。 倍率５０．００Ｋｘの表面画像（図３ａ）およびＺｎドープＣｕＦｅ２Ｏ４の成分（図３ｂ）は、Ｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＣｏｍｐａｎｙのＥＤＳ検出器を備えたＺＥＩＳＳ ＣｏｍｐａｎｙのＳｉｇｍａ ＶＰを使用して得られた。 明視野背景の SEM 画像では、サイズ範囲が 30 nm 未満の球状 NP が示されました。 EDS 図には、亜鉛、銅、鉄、酸素の元素が示されています。 EDS スペクトルにおける Cu、Zn、Fe、および O 元素の存在により、析出した Zn ドープ CuFe2O4 スピネル フェライトの形成が確認されました。 すべてのサンプルの元素組成は、Zn ドープ CuFe2O4 の化学量論的理論組成と相関していました。

FESEM-EDS 分析: (a) SEM 画像 (b) Zn ドープ CuFe2O4 NP の EDS 図。

前述のように、準備されたスピネルフェライトのスピネルフェライト相の形成を調査するために、焼成されていない Zn ドープ CuFe2O4 NP の熱分析が実行されました 111。 Zn ドープ CuFe2O4 NP の物理的挙動の変化は、NETZSCH Germany Company の装置 TG 209 F3Tarsus® を使用し、温度と時間に基づく TGA を使用して評価されました (図 4)。 NP の TGA および DTA 評価は、N2 雰囲気下、25 ～ 800 °C の温度範囲内で 10 °C/分の加熱速度で実行されました。 約 200 °C での重量損失は、金属水酸化物の分解と Zn ドープ CuFe2O4 NP の結晶化に起因すると考えられます112。

Zn ドープ CuFe2O4 NP の TGA 曲線。

Zn ドープ CuFe2O4 NP の細胞毒性特性を、マクロファージ正常細胞と A549 肺がん細胞に対してそれぞれ 72 時間評価しました。 一方、Zn ドープ CuFe2O4 NP の成分の抗がん効果をより適切に評価するために、ZnO、CuO、および CuFe2O4 NP に対して前述のテストが実行されました。 ネズミマクロファージに対するZnドープCuFe2O4、ZnO、CuO、およびCuFe2O4 NPの細胞毒性分析から得られた結果（CC50値は136.6、762.36、98.5、および309.3μg/mL）をそれぞれ図5aに示します。 CC50 値によると、Zn ドープ CuFe2O4、ZnO、および CuFe2O4 NP はマクロファージ細胞に対して顕著な細胞毒性効果を示さなかったが、CuO NP は正常なマクロファージ細胞に対して顕著な細胞毒性効果を示した。 私たちの結果に基づいて、Zn ドープ CuFe2O4、ZnO、および CuFe2O4 NP は哺乳動物細胞にとってより安全です。 その結果によると、CuO NP は哺乳類の正常細胞において酸化ストレスと遺伝毒性を引き起こした113,114。 A549 がん細胞株に対する 1 ～ 1000 μg/mL に曝露した Zn ドープ CuFe2O4、ZnO、CuO、および CuFe2O4 NP の細胞毒性効果を図 5b に示します。 Zn ドープ CuFe2O4、ZnO、CuO、および CuFe2O4 NP は、A549 がん細胞に対してそれぞれ 95.8、113.1、120.2、および 278.4 μg/mL の IC50 値を示しました。 さらに、Zn ドープ CuFe2O4、ZnO、CuO、および CuFe2O4 NP の A549 がん細胞に対する IC80 値は、それぞれ 8.31、12.81、8.7、および 16.1 μg/mL でした。 結果によると、これらのNPは肺がん細胞に対して抗がん特性を持っていました。 CuO NP は正常なマクロファージ細胞に対する毒性が高いため、これらの NP は適切な治療薬ではありません。 一方、さらなる評価により、ZnO NP は 31.2 μg/mL で A549 がん細胞に対して顕著な毒性を有することが実証されました。 したがって、ZnO NP の毒性は、NP の濃度、時間、サイズに依存します 115。 ZnO NP は Mangifera indica を使用して合成され、A549 がん細胞に対して優れた抗がん特性を示しました 116。 さらに、CuO NP は、Ficus religiosa を使用して環境に優しく製造されており、アポトーシスが増加した A549 がん細胞に対して望ましい抗がん特性を示しました 117。

細胞毒性分析：（a）マウスマクロファージ（J774細胞）に対するNPの細胞毒性、および（b）A549肺癌細胞に対するNPの細胞毒性。

この研究では、N. officinale 薬用植物抽出物を使用して、Zn ドープ CuFe2O4 NP を合成しました。 NP の物理化学的特性は、XRD、ETIR、SEM、EDX、および TGA 分析によって決定されました。 NP およびその成分 (ZnO、CuO、および CuFe2O4 NP) の生体適合性および抗がん特性を、それぞれマクロファージ J774 細胞株および A549 肺がん細胞に対して 72 時間評価しました。 Zn ドープ CuFe2O4 NP の XRD および FTIR 評価により、CuFe2O4 と Zn ドープ CuFe2O4 の 2 つの結晶相が確認されました。 合成された球状 NP の元素 (炭素、亜鉛、銅、鉄、酸素) は EDS 分析によって確認されました。 IC50 データによると、Zn ドープ CuFe2O4 NP は最も高い抗がん特性を持っていました。 抗がん試験から得られた結果によると、ZnO および CuO NP は A549 細胞死亡率の増加を示しました。 しかし、CuO NP はマクロファージの正常細胞に対して高い毒性を持っていました。 ここ数十年、生体NPと薬用植物のフェノール化合物を併用することが、癌治療の魅力的な代替手段と考えられるようになりました。 N. officinale (科: アブラナ科) は、鉄、カルシウム、葉酸、グルコシノレート、ビタミン C およびビタミン A を大量に含む水生植物です。この薬用植物には、そのフェノール化合物により、顕著な抗がん作用と抗酸化作用があります 118。 この植物のメタノール抽出物は、アポトーシス因子を活性化することによって A549 癌細胞の死亡率を増加させることが示されています 118。 一方、多金属NPは、金属元素の相乗効果と多機能性により研究者らによって注目されている119,120。 さらに、キンレンカ抽出物のフェノール化合物を増加させることにより、抗酸化活性が強化され、IC50121が最も低くなりました。

キンレンカ植物抽出物を使用して、Zn ドープ CuFe2O4 ナノ粉末を 1 ステップで合成することに成功しました。 NP は、XRD、FTIR、EDS、TGA、および SEM によって特性評価されました。 Zn ドープ CuFe2O4 NP の生体適合性と細胞毒性をマクロファージ細胞株で評価しました。 さらに、A549 肺癌細胞に対する Zn ドープ CuFe2O4 NP の抗癌特性を評価しました。 その結果、CuFe2O4 NP に Zn をドーピングすると、CuFe2O4 NP 単独と比較して、A549 がん細胞に対して優れた細胞傷害効果が示されました。 また、Zn ドープ CuFe2O4 のスピネル微結晶 (約 13 nm) は、マクロファージ J774 細胞株に対して最小限の毒性 (CC50 = 136.6 µg/mL) を示しました。

ZnドープCuFe2O4は、適切な適用性と生体適合性を備えたマルチメタルであり、特に癌や感染症の治療と診断についてはさらに研究される必要がある。 さらに、独特の光学的および磁気的特性を持つこれらのナノ材料は、触媒用途の魅力的な候補と考えられます。

現在の研究中に使用および分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

この記事は撤回されました。 詳細については、撤回通知をご覧ください: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36215-z

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この研究は Nimad Institute によって支援されました。

ケルマーン医科大学歯学部歯内療法学科、ケルマーン、イラン

マリアム・ダルビッシュ

ビールジャンド医科大学歯学部歯内療法学科、ビールジャンド、イラン

ナヴィド・ナスラバディ

イラン、ハマダーン医科大学歯学部補綴科

ファルヌーシュ・フォトバット

イラン、カラジのアルボルズ医科大学歯学部矯正歯科科

セタレ・コスラヴィ

イラン、テヘランのタルビアト・モダレス大学医科学部医療バイオテクノロジー学科

メルダド・ハタミ

710004、中華人民共和国、陝西省、西安交通大学口腔科大学、口腔科病院歯内療法科

サミラ・ジャマリ

イラン・ラシュトのギラン医科大学歯学部歯内療法学科歯科科学研究センター

エルナズ・ムーサヴィ

エスファハーン医科大学薬学部、イスファハーン、イラン

シアヴァシュ・イラヴァニ

ザボル大学物理学科、私書箱。 98613-35856、ザボル、イラン

アッバス・ラーダル

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著者全員が最終原稿を読んで承認しました。

メルダド・ハタミまたはサミラ・ジャマリへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

この記事は撤回されました。 詳細については、撤回通知をご覧ください: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36215-z"

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ダルビッシュ、M.、ナスラバディ、N.、フォトバット、F. 他撤回された論文: Zn ドープ CuFe2O4 ナノ粒子の生合成とその細胞毒性活性。 Sci Rep 12、9442 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-13692-2

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受信日: 2022 年 2 月 16 日

受理日: 2022 年 5 月 26 日

公開日: 2022 年 6 月 8 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-13692-2

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