Sustainable synthesis of CuO-SnO2 composite nanoparticles: In Vitro Biological and In Silico studies

لا يزال السرطان والعدوى البكتيرية يمثلان اثنين من أكثر التحديات استمراراً لصحة الإنسان، وغالباً ما يتطلبان علاجات قاسية أو باهظة الثمن أو غير فعالة بشكل متزايد مع تعلم الجراثيم كيفية مقاومتها. وفي البحث عن حلول أفضل، وجه العلماء اهتمامهم نحو المواد النانوية، وهي جزيئات صغيرة جداً لدرجة أن الآلاف منها يمكن أن يتسع في عرض شعرة بشرية واحدة. يمكن هندسة هذه الهياكل المتناهية الصغر لمهاجمة خلايا المرض بدقة تعجز عنها الأدوية التقليدية. ويتضمن أحد النهج الواعدة استخدام أكاسيد المعادن، وهي مركبات مكونة من الأكسجين مدمجاً مع معادن مثل النحاس أو القصدير، والتي يمكنها تعطيل الآلات الداخلية للخلايا الضارة. ومع ذلك، فإن تصنيع هذه الجزيئات يتطلب عادةً مواد كيميائية سامة وطاقة عالية. ولحل هذه المشكلة، يستكشف الباحثون "التخليق الأخضر"، وهو أسلوب يستخدم مستخلصات النبات لبناء هذه الجسيمات النانوية بشكل طبيعي، مما يتجنب النواتج الثانوية الضارة مع إمكانية جعل المادة النهائية أكثر أماناً للجسم.

في دراسة حديثة، ركز باحثون في معهد SRM للعلوم والتكنولوجيا في الهند على إنشاء نوع جديد من الجسيمات النانوية عن طريق دمج أكاسيد النحاس والقصدير. وبدلاً من استخدام المواد الكيميائية الصناعية القاسية، لجأوا إلى أوراق نبات "كوليوس أمبوينيكوس" (Coleus amboinicus)، وهو عشب شائع يوجد في الحدائق المنزلية. قاموا بغلي الأوراق الطازجة في الماء لإنشاء مستخلص سائل بني غني بالمركبات الطبيعية مثل البوليفينول. ثم خُلط هذا السائل مع محاليل تحتوي على أملاح النحاس والقصدير. ومع التقاء المركبات النباتية بأيونات المعادن، عملت هذه المركبات كبنائين طبيعيين، حيث قامت باختزال المعادن وتغليف الجزيئات المتشكلة للحفاظ على استقرارها. وكانت النتيجة عبارة عن مركب من جسيمات أكسيد النحاس وأكسيد القصدير النانوية، تم إنتاجه بالكامل من خلال عملية صديقة للبيئة تطلبت الحرارة والتحريك فقط.

بمجرد تشكيل الجسيمات، احتاج الفريق إلى فهم ماهية ما صنعوه بالضبط. فقاموا بفحص المادة باستخدام مجاهر قوية وأدوات ضوئية لرؤية شكلها وحجمها وتركيبها الكيميائي. وكشف التحليل أن الجسيمات النانوية كانت صغيرة للغاية، بمتوسط حجم يبلغ حوالي 13 نانومتر، وتمتلك بنية بلورية محددة تؤكد الدمج الناجح بين المعدنين. وقد تركت المستخلصات النباتية طبقة رقيقة من المواد العضوية على سطح الجسيمات، مما ساعد على بقائها مشتتة والتفاعل مع الأنظمة البيولوجية. كان هذا التأكيد الهيكلي هو الخطوة الأولى في إثبات أن الطريقة الخضراء تنتج مادة متسقة وقابلة للاستخدام.

بعد توصيف الجسيمات، انتقل الباحثون لاختبار كيفية سلوكها تجاه الكائنات الحية. أولاً، بحثوا في النشاط المضاد للبكتيريا، حيث اختبروا الجسيمات النانوية ضد نوعين شائعين من البكتيريا: "المكورات العنقودية الذهبية" (Staphylococcus aureus)، التي تسبب عدوى الجلد والجروح، و"الإشريكية القولونية" (Escherichia coli)، وهي سبب شائع لأمراض الأمعاء. وضعوا الجسيمات النانوية على سطح تنمو عليه البكتيريا وقاسوا المسافة التي توقفت عندها البكتيريا عن النمو حول العينة. كانت النتائج مشجعة؛ فعند تركيز معين، خلقت الجسيمات النانوية منطقة لا تستطيع البكتيريا البقاء فيها، حيث بلغت 19 ملم ضد سلالة "المكورات العنقودية" و18 ملم ضد "الإشريكية القولونية". كان هذا الأداء مقارباً للمضادات الحيوية القياسية، مما يشير إلى أن هذه الجسيمات المصنوعة بالطريقة الخضبة يمكن أن تحارب العدوى البكتيرية بفعالية. ويعتقد الباحثون أن الجسيمات تعمل عن طريق الالتصاق بجدران الخلايا البكتيرية، وكسرها، وتوليد أنواع الأكسجين التفاعلية—وهي أشكال نشطة للغاية من الأكسجين تسبب ضرراً للمكونات الداخلية للبكتيريا وتمنعها من إصلاح نفسها.

كما بحثت الدراسة فيما إذا كان بإمكان هذه الجسيمات أن تعمل كمضادات للأكسدة، وهي مواد تعادل الجذور الحرة الضارة في الجسم والتي تسبب الشيخوخة والأمراض. وباستخدام اختبار كيميائي قياسي، وجد الفريق أن الجسيمات النانوية يمكنها تعادل كمية كبيرة من الجذور الحرة، حيث حجزت حوالي 83 بالمائة منها عند التركيزات العالية. وبينما كان فيتامين مضاد للأكسدة شائع أكثر قوة قليلاً، أظهرت الجسيمات النانوية إمكانات قوية، خاصة مع زيادة التركيز. يشير هذا إلى أن المادة يمكن أن تساعد في حماية الخلايا من الإجهاد التأكسدي، وهي حالة مرتبطة بالعديد من الأمراض المزمنة.

ولعل النتائج الأكثر أهمية جاءت من اختبار هذه الجسيمات ضد الخلايا السرطانية. استخدم الباحثون خط خلايا MCF-7، وهو نوع من خلايا سرطان الثدي البشرية، لمعرفة ما إذا كانت الجسيمات النانوية يمكن أن توقف نمو السرطان. عرضوا الخلايا لكميات متزايدة من الجسيمات النانوية وقاسوا عدد الخلايا التي بقيت على قيد الحياة. أظهرت النتائج تأثيراً واضحاً يعتمد على الجرعة: فكلما زادت كمية الجسيمات النانوية، انخفض عدد الخلايا السرطانية الحية بشكل حاد. وعند أعلى تركيز تم اختباره، بقي حوالي 20 بالمائة فقط من الخلايا السرطانية على قيد الحياة. وحسب الباحثون أن الكمية اللازمة لقتل نصف الخلايا السرطانية هي حوالي 47 ميكروغرام لكل مليلتر، وهو رقم أقل وبالتالي أكثر فعالية مما يُلاحظ عادةً مع جسيمات أكسيد المعدن المنفردة. يشير هذا إلى أن دمج النحاس والقصدير يخلق تأثيراً تآزرياً، حيث يعمل المعدنان معاً ليكونوا أكثر فتكاً بخلايا السرطان مما لو كان كل منهما بمفرده. ويبدو أن الآلية تتضمن دخول الجسيمات إلى الخلايا، مما يسبب طفرة في الإجهاد الداخلي الذي يدمر الحمض النووي ومحطات الطاقة في الخلية، مما يؤدي في النهاية إلى تحفيز الخلية على التدمير الذاتي.

ولفهم كيفية تفاعل هذه الجسيمات مع البروتينات المحددة التي تقود نمو السرطان والبكتيريا، أجرى الباحثون أيضاً عمليات محاكاة حاسوبية. سمحت هذه النماذج الرقمية برؤية كيف يمكن للجسيمات النانوية أن ترتبط بالأهداف الرئيسية، مثل الإنزيمات التي تستخدمها البكتيريا لنسخ حمضها النووي أو المستقبلات التي تعتمد عليها خلايا سرطان الثدي للنمو. أظهرت عمليات المحاكاة أن الجسيمات النانوية يمكن أن تتناسب داخل هذه الأهداف البيولوجية وترتبط بها بقوة، مما يدعم فكرة إمكانية تدخلها في العمليات المرضية على المستوى الجزيئي. وبينما هذه توقعات قائمة على الحاسوب وليست تجارب فيزيائية، إلا أنها توفر أساساً نظرياً قوياً للآثار البيولوجية الملحوظة.

تخلص الدراسة إلى أن استخدام المستخلصات النباتية لتخليق جسيمات أكسيد النحاس والقصدير النانوية هو استراتيجية قابلة للتطبيق وفعالة لإنشاء مواد ذات نشاط بيولوجي قوي. العملية بسيطة، وتتجنب المواد الكيميائية السامة، وتنتج جسيمات تظهر وعوداً في محاربة كل من العدوى البكتيرية وخلايا سرطان الثدي في بيئة مختبرية. وبينما تُقاس هذه النتائج في بيئات خاضعة للرقابة ولا تمثل بعد علاجاً للبشر، إلا أنها تقدم اتجاهاً مقنعاً للأبحاث المستقبلية. ومن خلال الجمع بين القوة الطبيعية لكيمياء النبات ودقة التكنولوجيا النانوية، يطور العلماء أدوات جديدة قد توفر يوماً ما طرقاً أكثر أماناً وفعالية للتصدي لبعض أصعب الأمراض في العالم.