《Materials Today Bio》：Selenium Nanoparticles: Eco-friendly Synthesis, Biological Activities and Biomedical Applications- A Comprehensive Review
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这篇综述全面总结了硒纳米粒子(SeNPs)的绿色合成进展及其生物医学潜力。文章系统阐述了利用细菌、真菌、藻类和植物进行生物合成的机制，强调了生物封端剂在调控SeNPs理化性质与治疗功效中的作用。综述深入探讨了其多种生物医学应用，包括抗菌、抗真菌、抗病毒、抗癌、抗氧化、抗糖尿病和抗炎活性，并特别关注了其选择性靶向致病细胞而最小化对健康组织毒性的独特能力。
硒纳米粒子(SeNPs)的绿色合成已成为一种有前景的、环保且经济高效的替代方法，有望解决传统化学和物理方法高能耗、环境危害大的问题。这种方法利用生物体如细菌、真菌、藻类和植物，通过其释放的生物分子作为还原剂、稳定剂和封端剂，不仅防止了纳米颗粒的团聚，还增强了其功能性、稳定性和生物利用度。
3. 生物源性SeNPs的合成机制
增强SeNPs性能的关键在于利用具有药用潜力的生物化合物。每种生物合成方法都有其独特优势：细菌和真菌培养便于快速扩大规模，而植物基生产则能最大化治疗潜力并最小化毒性。封端剂在调控纳米颗粒表面化学结构、形状、尺寸分布以及抑制团聚方面起着至关重要的作用。
例如，来自灵芝（Ganoderma lucidum）的多糖能显著吸附并钝化硒，形成均匀的球形形态。这些多糖分子可以牢固地粘附在硒颗粒上，其稳定性可能与带负电的硫酸基团产生的静电排斥有关。此外，来自普洱茶和河蚬（Corbicula fluminea）的粗多糖中的多糖-蛋白质复合物也是SeNPs的有效稳定剂。证据表明，一些生物分子对细菌SeNPs的类金属核心具有更高的亲和力，导致封端层成分对纳米颗粒结构产生不同的影响。
从细胞提取物中获得的生物分子还能增强SeNPs的生物学特性。这些表面包被的生物分子不仅能减轻潜在的不良影响，还能提高长期稳定性和生物相容性等性能，从而促进更强的抗菌和抗癌活性。SeNPs对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）等病原菌的抗菌功效，特别是对抗生物膜形成的效果，正在被深入研究。SeNPs已被证明能抑制金黄色葡萄球菌在聚苯乙烯、玻璃和导管材料等表面的粘附和微菌落形成，这一能力可用于对抗医院获得性感染。
近年来，用于纳米颗粒合成的生物技术显著推进了纳米技术的发展。生态友好的绿色合成优势显著，为传统物理和化学制造技术提供了可持续的替代方案。使用真菌、细菌、植物和藻类等各种生物基质作为生产和封装介质，可产生大量的纳米颗粒，每种颗粒都因其生物来源而具有特定、通常是独特的性质。这种生态方法强调低毒性、生物可降解性和生物相容性，增强了此类生物纳米颗粒的吸引力。
在非金属纳米颗粒中，SeNPs因其在人类和动物细胞关键生物功能中的参与而受到特别关注。其元素形态(Se0)毒性最小，使其有潜力成为治疗各种疾病的药物。通常，SeNPs的生物合成是一个简单的一步法程序，不需要复杂的设备、危险化学品或高温。这种绿色合成可以使用来自活微生物的生物试剂或直接从它们中获得来进行。SeNPs的生产组件，包括二氧化硒、亚硒酸和亚硒酸钠/硒酸钠，被加入由细菌或真菌培养液或植物提取物组成的“生物反应器”中。当前体融入生物提取物时，颜色变为深红色、橙色或红橙色，表明硒化合物被还原，形成了胶体SeNPs。
细菌中的膜还原酶、亚硝酸盐还原酶和其他硫氧还蛋白还原酶的酶活性被认为在SeNPs的形成中起着关键作用。SeNPs的生产特性，包括形态、大小和封端剂组成，受前体类型和浓度、反应温度、pH值和特定合成环境等因素的影响。透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)等突出技术用于表征生物合成的SeNPs。此外，物理性质可以使用动态光散射(DLS)和紫外-可见(UV/V)光谱来评估，同时使用X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)来研究纳米颗粒的结构属性，以表征参与SeNPs合成和稳定的生物分子。
3.1. 利用细菌生物合成SeNPs
微生物生产生物活性物质是一项成熟的技术，在过去十年中广受欢迎。这种简单、经济、环保的过程在生物技术中广泛应用。细菌合成SeNPs尤其值得注意，因为与以植物来源纳米颗粒为主的研究相比，细菌可以对硒化合物进行生物转化。包括大肠杆菌（Escherichia coli）、芽孢杆菌（Bacillus）、假单胞菌（Pseudomonas）和乳杆菌（Lactobacillus）属在内的各种细菌菌株，以及其他不太常见的物种，都表现出这种能力。革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都已被证明可以生产SeNPs。铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）都被观察到促进SeNPs的细胞内合成。
细菌SeNPs的合成机制尚未完全明了，但酶被认为起着关键作用。铜绿假单胞菌中的NADH依赖性还原酶促进了SeO32-的生物还原。在奇异变形杆菌（Proteus mirabilis）中，SeNPs的生成定位于位于细胞膜系统中的电子供体NADH和NADPH，并与还原酶的催化活性相关。也存在细菌SeNPs合成的替代途径：在链霉菌（Streptomyces）等丝状细菌中，细胞内Se(IV)还原通常涉及硫醇，导致SeNPs通过细胞裂解释放。
该机制表明，谷胱甘肽(GSH)或谷胱甘肽还原酶作为主要电子供体，将亚硒酸盐转化为氢硒化物(H2Se)，中间体如硒二谷胱甘肽(GS-SeSG)和谷胱甘肽硒醇。NADPH是GSH再生的主要电子供体。这种GSH介导的SeNPs合成已在海神单胞菌（Idiomarina）中观察到。此外，乳杆菌可能在谷胱甘肽还原酶和硒代半胱氨酸裂解酶的辅助下将硒还原为SeNPs。
有证据表明，粪产碱菌（Alcaligenes faecalis）中的硫氧还蛋白还原酶和亚硫酸盐还原酶通过电子供体NADH或NADPH促进亚硒酸盐还原和纳米颗粒合成。细菌生长阶段与SeNPs的生产相关，因为一些研究表明，SeNPs合成背后的代谢途径在对数生长期达到峰值，此时还原剂浓度最佳。
3.2. 利用真菌生物生产SeNPs
尽管研究不断，但对真菌形成SeNPs的机制仍缺乏全面了解。真菌可以在细胞内和细胞外产生SeNPs，其纳米颗粒生成潜力令人兴奋，因为它们会释放增强纳米颗粒产量和稳定性的细胞外化合物。
细胞内合成途径已在酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中记录，其中金属纳米颗粒通过醌由酵母菌株产生，并附着在膜氧化还原酶上。布拉氏酵母（Saccharomyces boulardii）也通过亚硫酸盐还原酶被发现能生产SeNPs。在这种情况下，随着酵母内部pH值升高，还原酶促进金属离子与纳米颗粒合成的同时还原。醌显示出强大的亲核和氧化还原特性，这增强了它们将金属离子还原形成纳米颗粒的有效性。
另一种生产方法涉及通过与蛋白质或肽中的反应性硫醇基团反应，在青霉菌（Penicillium citrinum）中将亚硒酸盐还原为SeNPs，该反应由谷胱甘肽还原酶介导。较高的pH水平被发现能促进SeNPs的形成。特别是木霉菌（Trichoderma）的最佳SeNPs生产与其稳定生长期有关。
3.3. 利用藻类生物合成SeNPs
藻类是合成SeNPs的一个有前途的“生物纳米工厂”。它们作为合成SeNPs的有效介质，归功于许多促进硒还原并有助于纳米颗粒稳定的生物活性化合物。各种藻类成分，包括酰胺、胺、萜类化合物、生物碱、抗氧化剂（包括生育酚和多酚）、多糖、蛋白质和色素（如藻胆蛋白和类胡萝卜素），都与硒还原和纳米颗粒稳定有关。
尽管这种合成机制主要仍未探索，但蓝细菌（蓝绿藻）已被观察到在细胞内和细胞外合成。硒酸盐还原酶和亚硒酸盐还原酶促进细胞内形成，而细胞外合成则由几种具有还原潜力的植物化合物驱动。细胞外合成的例子包括钝顶螺旋藻（Spirulina platensis）、节旋藻（Arthrospira platensis）以及多变鱼腥藻（Anabaena variabilis）。
3.4. 利用植物生物合成SeNPs
植物来源的SeNPs种类繁多且复杂。地球上植物物种的多样性以及对药用植物（如中药和阿育吠陀中使用的植物）的广泛了解，使得能够使用各种植物部位作为“生物工厂”。然而，大多数研究都集中在特定的治疗效果（抗癌、抗菌、抗氧化、抗寄生虫、抗炎等），导致对植物生产SeNPs的机制关注有限。
尽管如此，很明显，许多植物生物分子——如酶、蛋白质、类黄酮、甾醇、萜类化合物、多糖、酚类化合物、维生素、木质素和有机酸——是纳米颗粒合成和封装不可或缺的，这是与其他类型纳米颗粒，特别是金属纳米颗粒共有的特征。植物化合物可以作为还原剂，将金属离子转化为纳米颗粒。
植物中的次生代谢物对于绿色SeNPs的生产至关重要，促进更小颗粒的形成，抑制纳米颗粒聚集，并充当还原剂。纳米颗粒以其微小的尺寸和高表面积体积比，可以与微生物细胞膜密切相互作用，这可能导致严重的膜损伤，并通过活性氧(ROS)介导的途径可能对DNA或细胞增殖产生有害影响。
5. 绿色SeNPs的应用
SeNPs因其独特的性质在生物医学应用中展现出巨大潜力。它们提供了多种治疗益处。
5.1. SeNPs的抗菌功效
随着病原微生物对现有抗生素产生日益增强的耐药性，寻找新型抗菌剂变得至关重要。研究主要考察SeNPs在人类疾病中的抗菌特性。
SeNPs的确切抗菌机制仍未完全明了，但已提出了几种理论。SeNPs的功效取决于其大小和形态；具体而言，50-100纳米大小的球形纳米颗粒比更大的颗粒更有效，归因于其穿透细菌细胞和损害细胞功能的能力增强。SeNPs对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均显示出功效。
革兰氏阴性菌膜的阴离子性质，归因于脂多糖，加上其结构属性——薄肽聚糖层和周质空间——促进了SeNPs在细菌细胞表面的粘附。相反，SeNPs对金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）表现出相当大的功效，推测是由于这些细菌中较厚的肽聚糖层以及孔蛋白的存在。
封端剂显著增强了SeNPs的抗菌功效。来自漆树（Amphipterygium glaucum）的漆树酸，可抑制双组分调节系统中的细菌组氨酸蛋白激酶，可以作为有效的封端因子。这些蛋白质通过群体感应（一种单细胞微生物之间的通讯过程）调节毒力因子的表达。
此外，SeNPs与植物提取物中的各种化合物（如萜类化合物、生物碱、类黄酮和其他生物活性物质）的包被可能通过抑制对微生物生存至关重要的DNA复制和基因表达的酶来增强其抗菌功效。此外，这些材料可以改变细菌膜和/或细胞壁的通透性，促进ROS的产生，或抑制酶，最终导致微生物细胞死亡。
5.2. SeNPs的抗真菌活性
尽管抗真菌治疗取得了重大进展，但微生物日益增长的耐药性仍然是需要创新解决方案的主要障碍。具体来说，念珠菌（Candida）属和丝状真菌（包括曲霉菌（Aspergillus））普遍存在，并对医疗系统构成重大挑战。
纳米颗粒的使用为解决这一紧迫问题提供了一种有前景的方法。例如，SeNPs已被证明与微生物细胞膜发生强烈相互作用，从而破坏其完整性。SeNPs的小尺寸和大表面积有利于与蛋白质上的巯基(-SH)相互作用，从而提高膜通透性。
ROS对膜造成重大损害，从而对DNA产生负面影响，破坏线粒体，改变基因表达，并可能抑制细胞生长。特别是，SeNPs已被证明可以改变真菌（包括炭疽菌（Colletotrichum gloeosporioides）和尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum））的物理外观和菌丝体质量，从而影响其形态。从光滑念珠菌（Candida glabrata）衍生的SeNPs观察到膜光滑度和结构完整性的变化，显示出显著粘附真菌细胞表面的能力。
