ARTÍCULO RETIRADO: Biosíntesis de Zn

May 10, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 9442 (2022) Citar este artículo

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Este artículo fue retractado el 06 de junio de 2023

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Las nanopartículas (NP) de CuFe2O4 dopadas con Zn se sintetizaron ecológicamente utilizando extractos de plantas. Estas nanopartículas se caracterizaron por difracción de rayos X, espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier, microscopio electrónico de barrido (SEM), espectroscopia de rayos X de dispersión de energía y análisis termogravimétrico (TGA). La imagen SEM mostró NP esféricas con un rango de tamaño inferior a 30 nm. En el diagrama EDS, se muestran los elementos de zinc, cobre, hierro y oxígeno. La citotoxicidad y las propiedades anticancerígenas de las NP de CuFe2O4 dopadas con Zn se evaluaron en células normales de macrófagos y células de cáncer de pulmón A549. Se analizaron los efectos citotóxicos de las NP CuFe2O4 y CuFe2O4 dopadas con Zn en las líneas celulares de cáncer A549. Los NP CuFe2O4 y CuFe2O4 dopados con Zn demostraron valores de IC50 de 95,8 y 278,4 µg/mL en células cancerosas A549, respectivamente. Además, las NP CuFe2O4 y CuFe2O4 dopadas con Zn tenían valores de IC80 de 8,31 y 16,1 µg/mL en células cancerosas A549, respectivamente. En particular, el dopaje de Zn en las NP de CuFe2O4 mostró mejores efectos citotóxicos en las células cancerosas A549 en comparación con las NP de CuFe2O4 solas. También los nanocristales de espinela de CuFe2O4 dopado con Zn (~ 13 nm) tenían una toxicidad mínima (CC50 = 136,6 µg/mL) en macrófagos J774 Cell Line.

La nanotecnología es una parte de la ciencia y la tecnología en la que las pequeñas dimensiones en el rango de la nanoescala juegan un papel crucial en esta ciencia1,2,3. La nanotecnología implica la producción y el uso de partículas a escala de tamaño de moléculas y estructuras intracelulares4,5. Se considera comúnmente que la nanoescala se ocupa de partículas en el rango de tamaño < 100 nm (al menos en una dimensión), que se denominan nanopartículas6,7,8. Las nanoestructuras se han empleado en todos los diferentes campos de la ciencia y la tecnología, como la nanomedicina9, la administración de genes/fármacos10, la energía11,12, la agricultura13,14,15,16 e incluso el espacio17. Así, las tendencias de crecimiento actuales muestran que la nanotecnología está jugando un papel importante en las revoluciones científicas. Desarrollos recientes en ciencia18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28 y tecnología29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39 incluso en ingeniería40, 41,42, la epidemiología43,44,45,46,47,48,49, las matemáticas50,51,52,53,54 y la geometría55,56,57,58 tienen un impacto significativo en la salud humana59,60,61 y la vida62,63, 64,65,66,67,68. Las nanopartículas (NP) con diferentes formas69,70,71,72,73 y tamaños se han fabricado ampliamente a través de una gran cantidad de técnicas de síntesis bioquímicas y fisicoquímicas74, que incluyen irradiación de electrones, reducción química75,76, sol gel77, síntesis asistida por microondas78 , y técnicas de síntesis mediadas por plantas79,80,81,82. Sin embargo, todavía existen varios problemas desafiantes con respecto a su estabilidad, agregación/sedimentación, distribución de tamaños y control de la morfología83,84,85.

La síntesis de NPs con propiedades fisicoquímicas únicas y multifuncionalidad están entre los temas de interés para los investigadores86,87,88. Las NP multimetálicas han recibido recientemente atención en los campos médico y biomédico89. Estos NP han ilustrado la estabilidad, la multifuncionalidad y la aplicabilidad adecuadas para diversos dispositivos clínicos y biomédicos90. Entre ellos, las NP de ferrita de cobre magnética (CuFe2O4) como materiales cerámicos de espinela91 demostraron efectos antioxidantes adecuados y buena biodegradabilidad. Las ferritas de espinela tienen la fórmula general de "MFe2O4" donde "M" representa un catión divalente (Zn, Cu, Mn, Co, Mg, Ni, etc.)92. Además, estas NP se pueden utilizar para aplicaciones de etiquetado celular, hipertermia y anticancerígenas. Las NP de ferrita de cobre causaron necrosis de las células cancerosas hepáticas HepG2 (in vitro) al aumentar el estrés oxidativo y la actividad de la caspasa-31. Además, estas partículas magnéticas multimetálicas tienen bajos costos de producción y pueden reciclarse en el tratamiento del agua90,93.

Las ferritas magnéticas de zinc (ZnFe2O4) son catalizadores reciclables y biocompatibles con alta actividad antiinflamatoria94. Las NP de ferrita de zinc demostraron una buena biocompatibilidad y hemocompatibilidad con las células de fibroblastos dérmicos humanos (HDF) y los glóbulos rojos (RBC), respectivamente. Por otro lado, presentan una alta toxicidad frente a bacterias Gram-positivas y Gram-negativas al aumentar el estrés por oxígeno reactivo (ROS)95. Los multimetales de ferrita, como la ferrita de níquel y zinc y la ferrita de cromo y cobre, han mostrado una aplicabilidad clínica y biomédica prometedora debido a sus características fisicoquímicas únicas. Las propiedades antibacterianas de las NP de ferrita de cobre y cromo son mayores que las de las NP de ferrita de cobre. Con la adición de cromo metálico, la relación superficie-volumen en las NP de ferrita de cobre y cromo aumentó, y estas NP tuvieron una actividad más dañina contra las membranas bacterianas96. Los estudios in vitro demostraron que las NP de ferrita de níquel zinc tenían una citotoxicidad dependiente del tiempo y de la concentración contra las células cancerosas de colon HT29, mama MCF7 y hígado HepG2. Podrían aumentar la apoptosis de las células cancerosas por daños mitocondriales y cromosómicos. La muerte celular máxima en células de cáncer de hígado fue a una concentración de 100 µg/mL, y también se observó en células de cáncer de colon y mama a una concentración de 1000 µg/mL97.

En este documento, por primera vez, las NP de ferrita de cobre dopada con Zn (CuFe2O4 dopada con Zn) se sintetizaron ecológicamente utilizando extractos de plantas. El extracto de capuchina se utilizó como principal precursor para la síntesis de nanoestructuras con baja toxicidad y alta estabilidad. Las propiedades fisicoquímicas de las nanoestructuras sintetizadas aplicando extracto de Nasturtium officinale se evaluaron mediante difracción de rayos X en polvo (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDX), espectroscopia infrarroja transformada de Fourier (FTIR) y análisis termogravimétrico (TGA). Se realizaron estudios in vitro de nanoestructuras de ferrita de cobre dopadas con Zn contra células de adenocarcinoma de pulmón humano A549 según el método de bromuro de 3-(4,5-dimetiltiazol-2-il)-2,5-difeniltetrazolio (MTT).

El tinte de tetrazolio (MTT) y el sulfóxido de dimetilo (DMSO) se obtuvieron de Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EE. UU.). La solución salina tamponada con fosfato (PBS), el medio Eagle modificado de Dulbecco (DMEM) y la solución de penicilina-estreptomicina al 1% se obtuvieron de INOCLON (Teherán, Irán). El suero bovino fetal (FBS) se adquirió de Biochrome (Berlín, Alemania). Las sales de nitrato férrico (Fe (NO3)3. 9H2O, ≥ 98%), nitrato de zinc (Zn(NO3)2·6H2O, 98%) y cloruro de cobre (II) (CuCl2·2H2O, ≥ 99,0%) se adquirieron de Compañía Sigma-Aldrich. Todos los pasos se realizaron en condiciones estériles. Se utilizó agua desionizada en todas las etapas. Las células de cáncer de adenocarcinoma de pulmón humano A549 y la línea celular de macrófagos murinos (J774-A1) se obtuvieron del banco celular del Instituto Pasteur de Irán (Irán). Las células se cultivaron en medio DMEM suplementado con FBS al 10 %, mezcla de antibióticos al 1 % (penicilina/estreptomicina) y se mantuvieron en una atmósfera húmeda en condiciones estándar (37 °C, CO2 al 5 %).

Las hojas jóvenes de la planta Nasturtium se lavaron con agua desionizada. La humedad superficial de las hojas se eliminó a 27 °C y se convirtió en un polvo blando. Se mezcló 1 g de polvo vegetal con 10 mL de agua desionizada y se agitó a temperatura ambiente durante 24 h. El extracto de la planta se filtró con papel de filtro Whatman (tamaño No. 40) y se centrifugó. Se añadieron sales de Fe(NO3)3·9H2O (1,7 g), Zn(NO3)2·6H2O (0,8 g) y CuCl2·2H2O (0,8 g) a 21 ml de extracto vegetal y se disolvieron a temperatura ambiente con agitación vigorosa. respectivamente. Después de la disolución completa de las sales, el pH de la mezcla se aumentó de 4 a 7 mediante la adición de NaOH 1 M en las mismas condiciones. Luego de eso, se agregaron gota a gota 15 mL de agua desionizada a la mezcla y se esterilizó continuamente durante 2 h a temperatura ambiente. La mezcla resultante se transfirió a un autoclave y se colocó en una estufa a 170 °C durante 13 h. Las NP sintetizadas se lavaron varias veces con agua desionizada. Finalmente, el polvo obtenido se secó a 80 °C durante 10 h y se calcinó a 400 °C durante 10 h.

Para el análisis de citotoxicidad de las NP en la línea celular de macrófagos J774, determinamos la CC50 (concentración de citotoxicidad para el 50% de las células) para varias concentraciones (1, 5, 10, 50, 100, 500 y 1000 µg/mL) de Zn- CuFe2O4 dopado, ZnO98, CuO99 y CuFe2O4 NP en macrófagos. Las células de macrófagos se sembraron en placa a 106 células/ml en Lab-Tek de 96 pocillos (Nunc, EE. UU.) y se dejaron adherir durante 24 ha 37 °C y 5 % de CO2. Después de eliminar las células no adherentes mediante lavado con medio DMEM, las células se incubaron en condiciones similares a las mencionadas anteriormente. Posteriormente, se agregaron 190 µL de medio DMEM completo en cada pocillo, y luego se agregaron 10 µL de dilución de NPs (como se preparó previamente en el medio). Los macrófagos se conservaron con las NP de 1 a 1000 µg/mL durante 72 h. La tasa de citotoxicidad se evaluó usando el ensayo colorimétrico de viabilidad celular WST1 como se definió previamente en el ensayo de sensibilidad a los promastigotes. Todos los experimentos se realizaron por triplicado de forma similar a las etapas anteriores100.

La citotoxicidad de las NP CuFe2O4, ZnO, CuO y CuFe2O4 dopadas con Zn (varias concentraciones: 1, 5, 10, 50, 100, 500 y 1000 µg/mL) contra las células de cáncer de pulmón A549 se midió con base en el ensayo MTT para 72 H. Se sembraron 104 células/cm2 en placas de 96 pocillos. Después de unir las células a la pared de la placa, se agregaron diferentes concentraciones de NP y se incubaron a 37 °C con 5% de CO2 durante 72 h. Después de este procedimiento, las células se lavaron con tampón fosfato salino (PBS) y se descartó el medio. A continuación, se aplicaron 5 mg/ml de colorante MTT en PBS a cada pocillo y la placa se incubó durante 4 h. Se agregaron 100 µL de solución de DMSO a cada pocillo y luego se almacenaron en un lugar oscuro a 25 °C durante 15 min. Finalmente, utilizando un lector de microplacas, se midió la absorbancia de formazán disuelto a 570 nm (DYNEX MRX, EE. UU.). La proporción de células viables con respecto a las células no tratadas se utilizó para caracterizar la viabilidad relativa de las células A375. La concentración inhibidora necesaria para una citotoxicidad del 50 % y el 80 % (CI50 y CI80) se evaluó aplicando la prueba Probit y representando gráficamente el nivel de inhibición frente a la concentración.

El análisis XRD se realizó utilizando un difractómetro X'PertPro (Panalytical Company, Holanda) con una longitud de onda de haz de rayos X de 1,5 Å y material de ánodo de Cu. Se realizaron mediciones XRD para determinar la fase cristalina y la naturaleza de las nanoestructuras biogénicas (rango 2θ de 10° a 80°). Los datos XRD del extracto de plantas y las nanoestructuras se representan en la Fig. 1a, b. La presencia de picos fuertes en el rango 2θ de 35,7°, 62,5° y 39° confirmó las fases cristalinas de las NP de ferrita de cobre (CuFe2O4)101 y de ferrita de cobre dopada con zinc (CuFe2O4 dopada con Zn) en las NP sintetizadas, respectivamente. Los planos de reflexión 111 (18,5°), 220 (30°), 311 (35,7°), 400 (43°), 422 (53,5°), 511 (57°), 440 (62,5°) y 533 (72,5°) ) verificaron la fase de cristalitos de espinela102 de CuFe2O4 dopado con Zn como se describió previamente103,104.

Diagrama XRD del extracto de planta (a) y NP de CuFe2O4 dopadas con Zn (b).

En el patrón XRD, el reflejo (311) es el pico más intenso. La constante de red se calculó utilizando la distancia de espaciamiento interplanar y los respectivos parámetros (hkl) utilizando la siguiente relación105:

El tamaño de los cristalitos se estimó a partir del pico más intenso de los datos XRD (311). El tamaño de los cristalitos se calculó en función del contenido de Zn x utilizando la fórmula de Debye-Scherrer (D = 0,9 λ/β cos θ). En esta fórmula, "λ" es la longitud de onda de la radiación de rayos X, "β" es la mitad del máximo de ancho completo y "2θ" es el ángulo de difracción. Como resultado, se encontró que el tamaño de los cristalitos de las NP era de ~ 20 nm.

El análisis FTIR de NP CuFe2O4 dopadas con Zn en el rango de 300 a 4000 cm-1 con gránulos de KBr se realizó mediante el dispositivo tensor II (Bruker Company, Alemania). El análisis FTIR identificó los grupos funcionales y los enlaces químicos presentes en las NP sintetizadas (Fig. 2). Los picos 476, 551 y 1049 cm−1 establecieron el enlace de estiramiento del átomo de O en la estructura CuFe2O4106,107. Los picos anchos de 551 y 1049 cm−1 se atribuyeron a la estructura de espinela octaédrica de las NP de CuFe2O4. La transferencia del pico débil de 476 cm-1 a las dos regiones 551 y 1049 cm-1 confirmó la transferencia del enlace de estiramiento O desde la ubicación tetraédrica a la ubicación octaédrica108,109. Los picos de 3449 y 3346 cm−1 se pueden atribuir a la vibración de estiramiento del grupo O–H de compuestos fenólicos de capuchina (planta). Se reveló que los compuestos fenólicos de las plantas desempeñan un papel reductor en la síntesis del metal NPs110.

Espectros FT-IR de NP CuFe2O4 dopadas con Zn.

Las evaluaciones de la composición elemental y la morfología de las NP CuFe2O4 dopadas con Zn se realizaron utilizando FESEM-EDS. Las imágenes de superficie con un aumento de 50,00 Kx (Fig. 3a) y los componentes (Fig. 3b) del CuFe2O4 dopado con Zn se obtuvieron utilizando Sigma VP, ZEISS Company equipado con detector EDS de Oxford Instruments Company. La imagen SEM con fondo de campo brillante demostró NP esféricas con un rango de tamaño inferior a 30 nm. En el diagrama EDS, se muestran los elementos de zinc, cobre, hierro y oxígeno. La presencia de elementos Cu, Zn, Fe y O en los espectros EDS confirmó la formación de ferrita espinela CuFe2O4 dopada con Zn depositada. La composición elemental de todas las muestras se correlacionó con la composición teórica estequiométrica del CuFe2O4 dopado con Zn.

Análisis FESEM-EDS: (a) Imagen SEM (b) Diagrama EDS de NP CuFe2O4 dopadas con Zn.

Se realizó un análisis térmico de NP de CuFe2O4 dopadas con Zn no calcinadas para investigar la formación de la fase de ferrita de espinela de la ferrita de espinela preparada, como se describió anteriormente111. Los cambios en el comportamiento físico de las NP CuFe2O4 dopadas con Zn se evaluaron utilizando TGA en función de la temperatura y el tiempo utilizando el dispositivo TG 209 F3Tarsus®, NETZSCH Germany Company (Fig. 4). Las evaluaciones de TGA y DTA de las NP se realizaron en atmósfera de N2 a una velocidad de calentamiento de 10 °C/min dentro del rango de temperatura de 25 a 800 °C. La pérdida de peso a aproximadamente 200 °C se atribuyó a la descomposición del hidróxido metálico y la cristalización de CuFe2O4 NPs112 dopado con Zn.

Curvas TGA de NP CuFe2O4 dopadas con Zn.

Las propiedades de citotoxicidad de las NP CuFe2O4 dopadas con Zn se evaluaron en células normales de macrófagos y células de cáncer de pulmón A549 durante 72 h, respectivamente. Por otro lado, para una mejor evaluación de los efectos anticancerígenos de los componentes en las NP CuFe2O4 dopadas con Zn, se realizaron las pruebas antes mencionadas en las NP ZnO, CuO y CuFe2O4. Los resultados obtenidos del análisis de citotoxicidad de CuFe2O4, ZnO, CuO y CuFe2O4 NP dopados con Zn en macrófagos murinos, con valores de CC50 de 136,6, 762,36, 98,5 y 309,3 µg/mL, se muestran en la Fig. 5a, respectivamente. De acuerdo con los valores de CC50, las NP CuFe2O4, ZnO y CuFe2O4 dopadas con Zn no mostraron efectos citotóxicos significativos contra las células macrófagas, pero las NP CuO mostraron efectos citotóxicos significativos contra las células macrófagas normales. Según nuestros resultados, las NP CuFe2O4, ZnO y CuFe2O4 dopadas con Zn fueron más seguras para las células de mamíferos. Según los resultados, las NP de CuO causaron estrés oxidativo y toxicidad genética en células normales de mamíferos113,114. Los efectos citotóxicos de las NP CuFe2O4, ZnO, CuO y CuFe2O4 dopadas con Zn expuestas a 1–1000 µg/mL en líneas celulares de cáncer A549 se muestran en la Fig. 5b. Los NP CuFe2O4, ZnO, CuO y CuFe2O4 dopados con Zn demostraron valores de IC50 de 95,8, 113,1, 120,2 y 278,4 µg/mL en células cancerosas A549, respectivamente. Además, las NP CuFe2O4, ZnO, CuO y CuFe2O4 dopadas con cinc tenían valores de IC80 de 8,31, 12,81, 8,7 y 16,1 µg/ml en células cancerosas A549, respectivamente. Según los resultados, estas NP tenían propiedades anticancerígenas contra las células de cáncer de pulmón. Debido a la alta toxicidad de las NP de CuO frente a las células macrófagas normales, estas NP no son agentes terapéuticos adecuados. Por otro lado, evaluaciones adicionales demostraron que las NP de ZnO tenían una toxicidad significativa contra las células cancerosas A549 a 31,2 μg/mL. En consecuencia, la toxicidad de las NP de ZnO depende de la concentración, el tiempo y el tamaño de las NP115. Las NP de ZnO se sintetizaron utilizando Mangifera indica e ilustraron buenas propiedades anticancerígenas contra las células cancerosas A549116. Además, las NP de CuO se fabricaron ecológicamente utilizando Ficus religiosa, lo que mostró propiedades anticancerígenas deseables contra las células cancerosas A549 con una mayor apoptosis117.

Análisis de citotoxicidad: (a) la citotoxicidad de las NP contra los macrófagos murinos (células J774) y (b) la citotoxicidad de las NP en las células de cáncer de pulmón A549.

En este estudio, se sintetizaron NP de CuFe2O4 dopadas con Zn utilizando extracto de planta medicinal de N. officinale. Las propiedades fisicoquímicas de las NP se determinaron mediante análisis XRD, ETIR, SEM, EDX y TGA. La biocompatibilidad y las propiedades anticancerígenas de las NP y sus componentes (NP de ZnO, CuO y CuFe2O4) se evaluaron frente a macrófagos de la línea celular J774 y células de cáncer de pulmón A549, respectivamente, durante 72 h. La evaluación XRD y FTIR de las NP CuFe2O4 dopadas con Zn confirmó dos fases cristalinas de CuFe2O4 y CuFe2O4 dopadas con Zn. Los elementos (carbono, zinc, cobre, hierro y oxígeno) de las NP esféricas sintetizadas fueron aprobados por análisis EDS. Según los datos de IC50, las NP CuFe2O4 dopadas con Zn tenían las propiedades anticancerígenas más altas. De acuerdo con los resultados obtenidos de las pruebas anticancerígenas, las NP de ZnO y CuO exhibieron una mayor mortalidad de células A549. Sin embargo, las NP de CuO tenían una alta toxicidad en las células normales de macrófagos. En las últimas décadas, la aplicación de NPs biogénicas junto con los compuestos fenólicos de plantas medicinales puede considerarse como una alternativa atractiva para el tratamiento de cánceres. N. officinale (familia: brassicaceae) es una planta acuática que posee importantes cantidades de hierro, calcio, ácido fólico, glucosinolatos y vitaminas C y A. Esta planta medicinal posee importantes propiedades anticancerígenas y antioxidantes debido a sus compuestos fenólicos118. Se ha demostrado que el extracto metanólico de esta planta aumenta la mortalidad de las células cancerosas A549 al activar agentes apoptóticos118. Por otro lado, los investigadores se han centrado en las NP multimetálicas debido a la sinergia de los elementos metálicos y la multifuncionalidad119,120. Además, al aumentar los compuestos fenólicos del extracto de capuchina, se mejoró la actividad antioxidante con el IC50121 más bajo.

Los nanopolvos de CuFe2O4 dopados con zinc se sintetizaron con éxito en un solo paso utilizando extracto de planta de capuchina. Las NP se caracterizaron por XRD, FTIR, EDS, TGA y SEM. La biocompatibilidad y la citotoxicidad de las NP CuFe2O4 dopadas con Zn se evaluaron en la línea celular de macrófagos. Además, se evaluaron las propiedades anticancerígenas de las NP de CuFe2O4 dopadas con Zn contra las células de cáncer de pulmón A549. Como resultado, el dopaje de Zn en las NP de CuFe2O4 mostró mejores efectos citotóxicos en las células cancerosas A549 en comparación con las NP de CuFe2O4 solas. También los cristalitos de espinela de CuFe2O4 dopado con Zn (~ 13 nm) tenían una toxicidad mínima (CC50 = 136,6 µg/mL) en macrófagos J774 Cell Line.

Los CuFe2O4 dopados con Zn son multimetálicos con una aplicabilidad y biocompatibilidad adecuadas, que deberían estudiarse más a fondo particularmente para el tratamiento y diagnóstico de cánceres y enfermedades infecciosas. Además, estos nanomateriales con propiedades ópticas y magnéticas únicas pueden considerarse candidatos atractivos para aplicaciones catalíticas.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

Este artículo ha sido retractado. Consulte el Aviso de retractación para obtener más detalles: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36215-z

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Todos los autores han leído y aprobado el manuscrito final.

Correspondencia a Mehrdad Khatami o Samira Jamali.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Este artículo ha sido retractado. Consulte el aviso de retractación para obtener más detalles: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36215-z"

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Recibido: 16 febrero 2022

Aceptado: 26 de mayo de 2022

Publicado: 08 junio 2022

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

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